連載《激光，一種工具》丨第八章：激光表面處理

連載《激光，一種工具》丨第八章：激光表面處理

來自專欄 激光自動化

來源|通快

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折彎機作為一種加工工具，在加工過程中必須承受巨大的各種作用力。為了提高模具組件抵抗外力的能力，延長使用壽命，其表面必須進行強化處理。在眾多表面強化處理方法中，激光表面處理技術位列其中。

激光表面處理技術包括：激光清洗、激光淬火、激光拋光和激光塗覆等等。這些表面處理技術可以通過不同的途徑來提高組件的表面質量。這些工藝非常適合於金屬材料處理。

激光清洗

一種「綠色」的清洗工藝。大致工作原理如下：激光束被需要處理表面的污染層吸收，大能量的吸收形成急劇膨脹的等離子體，產生衝擊波。在衝擊波的作用下污染物變成碎片並被剔除。清洗之後的表面減少了水和油氣等的吸附，提高了材料表面的抗腐蝕性。相對於傳統的清洗方式，激光清洗具有非接觸、高效率、減少環境污染等優點。

激光淬火

一種表面硬化處理的工藝，進行激光淬火的前提條件是鋼材料和鑄鐵材料中的碳含量超過 0.2%。

為了實現對工件表面硬化處理的目的，激光束通常將工件表層加熱到一個略低於熔化溫度的溫度區間（大約 900?1400℃），達到設定溫度後激光束開始移動，持續加熱前進方向的表面，高溫加熱引起鐵原子在金屬晶格中的位置變化（奧氏體化）。當激光束離開後，被加熱的表層在基體溫度比較低的前提下產生自淬火效應，而迅速地被基體材料所冷卻，快速冷卻導致已經奧氏體化的金屬原子不能回到原來的位置，從而產生馬氏體。馬氏體是非常硬的金屬結構相，具有更高的硬度。

激光淬火層深度通常在 0.1?1.5mm。對於某些特定材料，硬化深度可以達到 2.5mm 或者更深。更深的淬火深度需要更大體積的基體材料來快速散熱。

激光淬火所需要的功率密度相對較低。同時，通常需要處理工件表面的區域往往都比較大，因此，應用中經常將激光束整形成矩形光斑，使它能夠快速處理儘可能大的區域。激光淬火時經常會用到光學掃描系統，使用該系統時可以快速地移動激光光斑，在工件表面經過往複運動來硬化工件表面，採用這個方法可以得到 60mm 寬的硬化軌跡。

相對於傳統方法（火焰淬火和感應加熱淬火），激光淬火的優勢在於：靠工件自身進行冷卻。而其它工藝需要水或者油來冷卻工件。激光淬火時由於熱輸入量低，變形被控制在儘可能小的程度，這樣後續的加工成本降低了或者完全不需要再加工。當涉及到不規則三維幾何形狀的工件要求進行加工時，激光淬火同樣也能獨領風騷：它可以以任何需要的路徑來引導激光加熱工件。

需要注意的是：激光淬火時光束重疊區域會再次被加熱。在該重疊區域內硬度會降低，承受動載荷的零件上，必須小心地控制和調整該硬度緩衝區的硬度。

表面拋光

激光束不僅要加熱材料表面，同時還要持續熔化表面。根據處理材料的不同，激光表面拋光能夠提高材料表面的硬度或者提高抗腐蝕性。

激光拋光和熱傳導焊接類似。當熔融的表面材料凝固時，金屬表面發生再結晶過程並形成一層新的均勻的晶體結構（再結晶）。新的結構層同加工前相比，相的分布更加均勻、晶粒更加細小，從而導致該表面層的性能也同以前大為不同。

激光表面拋光主要應用於鑄造零件的表面處理。帶動汽車發動機活塞的凸輪軸上的凸輪就是一個很好的例子。通過在凸輪表面熔化一層耐磨層和熔化後的快速冷卻使凸輪的接觸面更加耐磨，加工過程中，鑄鐵表面會生成一種叫做萊氏體的相，正是這一結構相的生成使其表面高度耐磨。

表面塗覆

激光束主要用於熔化外加的填充材料。填充材料和工件表面結合，形成一個性能特殊的層，典型的層厚度在 0.5 到幾毫米之間。塗覆層和母材結合的區域，兩種材料混合在一起，為了保證表面熔覆層的性能，這個區域要儘可能小。

引入外加填料的方法有兩種。第一種方法是通過一個噴嘴將填料以粉末的形式直接噴到激光熔池中，與激光金屬熔覆（Laser Metal Deposition，LMD）是一個道理。另一種辦法是直接將填料塗到工件表面，然後利用激光束來熔化填料使得它和母體材料結合。激光塗層非常適合工件表面指定區域的選擇性強化處理。以發動機閥門為例，它們在使用過程中要承受極大的溫度波動、研磨物質的衝擊和摩擦。為了提高對這種工件的服役性能，需要在閥門開關和閉合區域製備一個保護塗層。

總結：

激光表面處理的影響因素主要有輻射面積、功率密度、溫度和速度、填充材料和保護氣體等。因此在選擇激光參數是要綜合考慮，實現最優的結果。為了實現穩定均勻的結果，也可以引入輔助的檢測與控制功能，例如高溫感測器。高溫感測器能夠在不接觸材料的情況下測量溫度，控制器探測溫度是否在設定範圍內，如果溫度太高或者太低，控制器就會調整激光功率，防止被過度加熱。

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