激光对零件表面硬化处理 -pg电子游戏官网

对于钢结构件的激光表面硬化处理，以往采用二氧化碳激光器系统能耗大，光电转换效率只有10%，因此没有流行起来。如今，随着高功率半导体激光器的发展，其光电转换效率提高到了50%，完全克服了这一缺点，且激光具有诸多优点，因此提供了一种经济有效的替代常规感应淬火硬化的方法。

热处理是一种提高钢件耐磨性和抗疲劳性的常用方法。在这一过程中，热源靠近工件表面，将指定区域加热到900 ~ 1500℃，钢件中的铁素体转变为奥氏体。此时，碳原子沉积在高温晶格结构中。随后冷却到100°c以下，由于冷却速度快，碳原子不再向外扩散，结果形成了硬质马氏体。

图1 对模具表面进行激光硬化处理

感应淬火是一种常用的热处理方法。其原理：零件通常放在一个铜线圈内，线圈内通过一定频率的交流电。线圈和零件组成一个振荡电路。这一过程导致高频磁化，然后引起工件加热。磁场耦合很大程度上取决于零件几何形状，而且加热会发生在不应该加热，或者不应该加热那么多的区域。当感应淬火对零件局部输入过高能量时，会导致材料变形。对于一些非常精细的结构，这只能通过额外的后处理工序进行纠正。此外，感应淬火件必须通过浸入淬火液来冷却。水基淬火液的循环和冷却要花费额外的能量。

感应淬火过程如此麻烦，为什么仍然经常被作为首选工艺呢？因为相比较激光表面硬化处理，感应淬火更加经济。以往采用高功率二氧化碳激光器，电光转换效率只有10%，钢表面吸收光能效率最大40%（在不使用吸收增加涂层条件下）。这种类型的激光实际上只能提供不足4%的能量转化效率，并且价格昂贵。

而感应淬火硬化过程能量转化效率在15%-63%之间，实际值取决于零件的形状。即使把后处理工序和淬火液循环冷却的成本计算进去，感应淬火总成本还是低于激光系统的投入和操作成本。因此，这就容易理解为什么如今许多用户还是喜欢感应淬火工艺。

然而，以上观点并不能反映当前激光技术的发展。特别是如今高功率半导体激光器，其光电效率可达50%以上，明显优于二氧化碳激光器。这大大降低了能源消耗。另外，市场上半导体激光器的流行，也促使了其采购成本的降低。

对于相同的零件，基于半导体激光器的表面热处理，只需要消耗感应淬火过程10%的能量。一个主要原因，对于几何外形复杂的零件，外部线圈加热效率较低，能量消耗大。例如，对于凸轮装置，需要对几处连接关节的接触表面进行硬化处理。由于其形状独特复杂，无法采用感应淬火处理。这种情况下，激光系统有一个非常明显的优势：激光束聚焦且精确定位，可进行选择性处理，仅对选定区域进行表面热处理。同时，与光学温度监测系统组合后，如热摄像头和高温计，可对加热温度进行定量调节，避免温度过低或者局部过热。

由于快速加热，选择性加工和精确的温度控制，每束激光的热量在最短的时间内消散，不需要另外的淬火冷却液。几乎没有材料变形，不需要后处理矫正。整个过程明显减少了时间和成本。

图2 激光零件表面硬化处理

图3 凸轮接触表面热处理 

采用半导体激光器进行表面硬化处理，在经济上和在技术上都证明了其优势。半导体激光辐射，可以得到均匀的光强分布。可对平面进行均匀稳定的加热。另一方面，可通过透镜系统或者扫描镜头，对指定轨迹进行加热，并且可单独调整每个位置的加热温度。不管是小型零件到大型模具，都可以采用半导体激光器进行表面硬化处理

激光表面硬化处理，始终优于感应淬火硬化吗？答案是no。要根据实际情况进行选择，例如对于几何简单或者圆柱形状的表面，选择感应硬化更为明智；对于具有复杂几何外形的零件，要对选定的局部位置进行硬化处理，那么半导体激光器系统更为有效。在这种情况下，半导体激光器在能源效率方面远远高于感应硬化的方法。