激光表面强化技术应用

激光表面强化技术
激光是一种相位一致、波长一定、方向性极强的电磁波，激光束由一系列反射镜和透镜来控制，可以聚焦成直径很小的光(直径只有0．1mm)，从而可以获得极高的功率密度(104~10W／cm2)。

激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段：吸收光束、能量传递、金属组织的改变和激光作用的冷却等。

它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。

随着大功率激光器以及激光束调制、瞄准等技术的发展，激光技术进入到金属材料表面热处理和表面合金化技术领域，并在近几年得到迅速发展。

一、激光表面强化技术
常用的激光表面强化技术主要有三种：激光表面淬火、激光熔凝淬火、激光熔覆与合金化。

激光表面淬火是激光表面处理中最成熟、应用最广泛的一种技术。

将激光照射到具有固态相变的铁碳合金工件表面上，使表面温度迅速升到材料相变温度；当激光移开后，表层被处于常温的内层材料迅速冷却而自行淬火，从而使表层组织结构和性能发生明显变化。

激光淬火处理后的工件表面硬度高，通常比常规淬火硬度高5％～20％．可获得极细的硬化层组织。

淬硬层一般在0.1～1.2mm。

可以对形状复杂的零件和不能用其它常规方法处理的零件进行局部硬化处理．如具有沟槽的零件。

由于激光加热速度快，因而热影响区小．淬火应力及变形小。

一般认为激光淬火处理几乎不产生变形，但厚度小于5mm的零件其变形仍不可忽视。

激光熔凝淬火是以高功率密度的激光，在极短的时间内与金属相互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到熔化状态。

随后，借助冷态金属基体的吸热和传导作用，使得已熔化的表层金属快速凝固，产生细小的铸态组织。

由于激光熔凝淬火允许金属表面熔化，实际操作时可以使用比激光淬火更加高的功率密度和更加慢的扫描速度，因此激光熔凝淬硬层深度比前者更深，一般在1.5～2.5mm。

激光熔凝淬火的不足之处在于，激光加工后的表面粗糙度有所
降低，其降低的幅度取决于激光加工的工艺参数，而激光表面淬火可以基本保持工件表面粗糙度不变。

激光表面淬火与熔凝淬火的共同特点是，不需要改变材料的成分，主要利用轧辊材料自身的特性，发生马氏体相变来强化轧辊表面。

进行激光淬火与熔凝淬火前，需要预先涂覆一层吸光涂料来增强轧辊表面对激光的吸收率。

对于激光熔凝处理来说，所使用的涂料还应该起到使激光熔池流平与造渣的作用。

因此，涂料的配方对于激光工艺的顺利实施以及硬面层组织与性能的影响至关重要。

激光熔覆与合金化。

激光熔覆技术是采用激光束在选定工件表面熔覆一层特殊性能的材料, 以改善工件表面性能的工艺。

与传统的喷焊或者堆焊工艺相比，激光熔覆技术具有如下优点：（1）激光束的能量密度高，只要注入较少的能量就可以完成激光熔覆。

零件热影响区小，变形小，因此适合强化或者修复一些对变形要求严格的零件。

（2）激光熔覆层稀释率低，且可以精确控制，熔覆层的成分与性能主要取决于熔覆材料的成分。

因此，可以采用各种性能优良的材料对基材表面进行改性。

特别是可以采用激光熔覆技术修复一些常规堆焊工艺无法实现的工件，如涡轮发动机叶片、轧辊的主轴、电机主轴等。

（3）激光熔覆层组织致密，微观缺陷少，熔覆层与基材为冶金结合，强度高，因此可以用于一些重载条件下零件的表面强化与修复，如大型轧辊、大型齿轮、大型曲轴等零件的表面强化与修复。

（4）激光熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控制，设计专门的导光系统，可对深孔、内孔、凹槽、盲孔等部位激光处理，采用一些特殊的导光系统如宽带扫描系统，可以使单道激光熔覆层宽度达到 20 ~30 mm，每次熔覆的最大厚度可达 3mm 以上。

通过多道搭接可以实现工件表面的大面积和大厚度激光熔覆，满足不同形状、尺寸的轧辊等典型易损件的激光表面强化与修复的要求。

激光熔覆工艺依据材料的添加方式不同，分为预置涂层法和同步送料法。

一般通过添加合金粉末完成激光熔覆。

激光表面合金化与激光熔覆工艺过程类
似，也是通过添加合金元素改变工件表面的成分、组织与性能。

但激光表面合金化与激光熔覆工艺的最大差别在于，前者添加的合金元素与基材充分混合，两者一起共同决定表面层的性能。

而激光熔覆则主要利用所添加合金粉末的性能，基材对表面合金化层性能的贡献很小。

对于冶金行业轧辊、导位、输送辊、夹送辊、剪刃等大量易损件来说，激光熔覆与合金化技术的最大好处是，将轧辊的整体合金化变成表面合金化或者熔覆，使轧辊等易损件的使用寿命大幅度提高的同时，生产成本增加有限。

显然，合金粉末的设计、选择与使用正确与否是该项技术能否成功的关键。

二、激光表面处理设备
随着大功率激光器的成功开发，激光表面处理设备也得到了很大发展，国内生产企业基本以激光器配置多功能加工机床的成套设备形式供应。

目前，国内在工业领域冶金行业、石化行业、机械行业应用业绩较好的企业有武汉华工激光、广州富通激光、沈阳大陆激光。

这些企业的激光表面处理设备加工工艺均适用于激光淬火、激光熔覆与合金化、激光修复等表面加工。

对加工工件适应性较强，特别适用于大中型工件的加工，如轧辊、轴类、轮类、齿轮、缸套、活塞、曲轴、平面组合等。

激光器功率5-6KW，多功能加工机床一般根据用户需要定制，可采用四轴或五轴多轴联动设计，可以对平面圆辊、凹槽、曲轴弯角、内孔等复杂形态进行激光加工。

设备占地面积基本在100多平方米左右。

设备价格基本在200~300万元。

在提供设备的同时提供激光表面处理工艺、合金材料选择等方面的技术支持，并销售合金粉末。

合金粉末根据成分的不同，大概几百元一公斤不等。

三、激光表面处理材料
激光熔覆可将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面，且材料的成分亦不受通常的冶金热力学条件限制，因此所采用的熔覆材料的范围是相当广泛的，包括镍基、钴基、铁基合金、碳化物复合合金材料以及陶瓷材料等，其中合金材料和碳化物复合材料的激光熔覆较为成熟，并已获得实际应用。

常用激光熔
覆材料有下列几类。

（1）自熔性合金粉末。

自熔性合金粉末可分为镍基自熔合金、钴基自熔合金、铁基自熔合金，其主要特点是含有硼和硅，因而具有自我脱氧和造渣的性能，即所谓自熔性。

由于基材含有较高的铬等元素，所以合金还具有优异的耐蚀和抗氧化性。

为提高自熔合金的硬度及耐磨性，也可在其中加入较多的WC，形成自熔合金与WC的混合物。

（2）碳化物复合粉末。

碳化物复合粉末系由碳化物硬质相与金属或合金作为粘结相所组成的粉末体系。

这类粉末中的粘结相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，特别是经预合金化的碳化物复合粉末，能获得具有硬质合金性能的涂层。

四、激光表面处理应用
从应用领域看，激光表面处理已广泛应用于各行业。

冶金行业中的轧辊、夹送辊、输送辊、张力辊、飞剪、大型圆盘锯、行车轮、卷筒、助卷辊、剪刃、导卫、锯片、万向节套筒、扁头套、主传动接轴、交叉头等。

电力行业中各种涡轮动力设备及其他大型转动设备机组的关键部件如转子、主轴径、叶片等。

石化行业中的烟机、阀门。

机械行业中的轴类、齿类、模具类等。

矿山行业中的采掘机截齿、大型液压支架立柱等。

其他还有轴流式压缩机、离心式压缩机、螺杆压缩机、往复式压缩机等压缩机组相关部件的修复。

从应用案例看，激光表面处理应用也很广泛。

宝钢采用激光表面处理技术修复飞剪转鼓扁头、万向联轴器轴承孔、PC轧机交叉头、轧机主传动轴花键、大型轧机牌坊、烧结台车轨道密封板、大型风机转子和大电机转子轴径等。

莱钢采用激光表面处理技术修复H型钢轧辊，寿命提高一倍。

攀钢采用激光熔凝技术，处理了9对950轧辊，经上机使用，平均过钢量提高了52％，对万能轧机BD轧辊进行激光表面强化，单周期过钢量比未强化处理辊提高2倍以上，轧辊使用寿命提高2倍以上。

涟钢采用激光表面强化技术处理了2支穿孔机轧辊和6支六辊机轧辊，经过一个月的使用证明，寿命比过去延长了一倍，过钢量提高了1.8
倍。

鄂钢采用激光技术处理了一批轧辊，使平均过钢量由原来的每对轧辊2800吨提高到6259吨，平均过钢量从560吨提高到1565吨，提高了2.8倍。

南京梅钢、新疆八一钢厂等也采用激光表面处理技术修复冶金备件。

沈阳大陆激光不仅制造激光表面处理成套设备，还开展激光修复，其中包括为鞍钢型钢轧辊进行修复。

从资料介绍看都取得了较好的效果。

五、结论
综上所述，激光表面处理的技术关键有三：:高功率的激光器、多自由度的加工设备并与计算机配套、不同应用的激光热处理工艺（包括粉末材料）的选择。

随着高功率激光器及其配套加工设备的成功开发、激光热处理工艺及材料的不断研发，同时激光表面处理技术所具有的可对形状复杂的零件和不能用其它常规方法处理的零件（如具有沟槽、孔的零件）进行局部硬化处理并且加热速度快变形小等优势，激光表面处理技术已成为各类设备及备件修复与预强化的重要手段之一，具有较好的发展前景。