嘉兴市科技计划项目激光表面淬火关键技术与装备研发项目可行性报告嘉兴学院机电工程学院嘉兴市浙江数控焊机有限公司2009年3月一、立项的背景和意义自20世纪60 年代激光问世以来，激光技术作为一门举世瞩目的高新技术，几乎在各行业都获得了重要的应用。
近年来，激光表面处理技术不仅在研究和开发方面迅速发展，而且在工业应用方面也取得了长足的进步，成为表面工程一个十分活跃的新兴领域。
激光表面处理既可以通过激光淬火、表面熔凝改变基体表层材料的微观结构，也可以通过激光熔覆、气相沉淀和合金化等处理方法同时改变基体表层的化学成份和微观结构。
激光表面淬火比其它激光加工所需的功率密度小的多, 因此在利用激光技术进行材料加工中，激光表面淬火应用最多，它能显著提高金属表面的硬度及耐腐性。
然而目前激光表面淬火技术的应用还不如传统热处理技术那样广泛和成熟，但由于其具有的独特优越性，正日益受到人们的重视。
已经在机械制造、交通运输、石油、矿山、纺织、冶金、航空航天等许多领域得到应用和发展。
激光表面淬火是利用激光在要热处理的部分扫描，使被扫描区域快速升温，而未被扫描区域保持常温。
激光表面淬火的原理和普通热处理是相同的，只不过激光作为热源加热金属的时间很短，处理区域也很小。
激光对金属进行热处理时，金属表面温度和热穿透深度都和激光照射时间的平方成比例。
所以适当地调节激光光斑尺寸、扫描速度和激光功率，就可以对金属表面温度和热穿透深度进行控制。
采用激光表面淬火的工件的变形量极小（变形量为高频淬火的1/3～1/10），表面光洁度好，无氧化皮产生。
因此，可以减少后道工序（矫正或磨制）的工作量，降低工件的制造成本。
激光表面淬火后可获得极细的马氏体晶粒，硬度要比常规淬火后的硬度提高15%-20%，硬化层深度可达2mm，而工件心部仍保持原始组织。
所以经激光表面淬火处理的工件表面层硬度高，耐磨性好，心部硬度低，韧性好，疲劳强度一般可提高30%～50%。
由于金属散热快，激光束扫描后，扫描区域可自行迅速冷却淬火，无需淬火液，是一种清洁卫生的热处理方法而且便于用同一激光加工系统实现同时加工。
因此可直接将激光表面淬火工序安排在生产线上，以实现自动化生产。
又由于激光表面淬火处理是不接触加热, 所以工件表面不会发生表面沾污。
此外, 因为采用特制的透镜聚焦, 激光的焦深很长, 所以工件在激光焦点上下各50～75mm范围内所吸收的光能是基本相同的, 这对于处理表面凸凹不平的工件是非常有利的。
虽然，目前激光热处理在热处理行业的总产值中所占份额还不大，但是应用前景光明。
许多研究成果和应用实例[1-3]，都说明采用激光表面热处理技术可以解决某些其它热处理方法难以实现的技术目标。
例如细长钢管内壁表面硬化，成型精密刃具刃部超高硬化，模具合缝线强化，缸体和缸套内壁表而硬化等等。
采用激光表面热处理的经济效益显著优于传统热处理，例如汽车转向器壳体的激光相变硬化和锯齿激光相变硬化等。
因此，激光表面热处理的研究、开发和应用都处于上升阶段。
激光加工技术一直是国家重点支持和推动应用的一项高新技术，特别是政府强调要振兴制造业，这就给激光加工技术应用带来发展机遇。
在国家制定中长远期发展规划时，又将激光加工列为关键支撑技术，因为它涉及国家安全、国防建设、高新技术的产业化和科技前沿的发展，这就把激光加工提升到很高的重视程度，也必将给激光加工设备的制造和升级带来很大的商机。
嘉兴地处长三角制造业技术中心，开发先进的制造业装备具有特别重要的意义，本项目的研发目标是：在激光技术和计算机技术的支持下，基于大功率CO2激光器的先进光路系统、焦点自动跟踪系统设计，数控激光表面淬火装置的研制，加工材料表面预处理技术研究以及激光表面淬火工艺参数的优化。
同时，在已建设的校企共建实验室“嘉兴学院——浙江华莱激光加工技术研发中心”的基础上，进一步搭建嘉兴市激光制造技术共用平台，为企业开展激光加工技术推广、宣传、合作开发的服务。
本项目研究与市委市政府提出“打造先进制造业基地”相符合，具有重要的科技意义与应用价值。
二、国内外研究现状和发展趋势激光表面淬火与激光切割、激光焊接、激光熔覆等技术统称为激光加工技术，始于20世纪70年代。
激光加工技术由于具有不少传统加工技术所无法比拟的独特优势而受到世界各工业发达国家政府、科研机构、制造企业等的高度重视。
美、日、欧及我国等世界许多国家纷纷制定包括激光加工技术在内的关于激光技术发展战略和规划，并投入众多人力、物力广泛开展相关研究和推广应用，使这项技术在短短的30多年内得到了迅速的发展[4-6]。
激光表面热处理技术同样也得到了迅速的发展，并在工业应用方面取得了长足的进步。
在激光表面淬火的基础研究方面大都着重于运用金属学、金属热处理和传热学等相关理论探讨激光表面淬火的基本理论和基本规律，包括相变硬化的机理和机制研究、相变硬化层组织形态及其特征分析、相变硬化层性能分析等，如文献[7]从金属热物理角度阐述了钢和铸铁激光淬火硬化机理，提出激光快速加热和金属基体导热引起的快速冷却使晶粒细化和晶体缺陷大幅度增加，使钢的表面硬度和耐磨性均得到进一步提高；对具有片状石墨的普通灰铸铁，激光淬火最易获得显著效果。
文献[1]中则提出激光相变硬化的表面硬度从含碳量0.05 %的300HV～含碳量0.5%的750HV之间线性增大；球墨铸铁由于球状石墨溶解慢、所需加热时间长，因而在激光相变硬化时容易产生表面微熔，这使得激光工艺参数的可选范围较小。
这方面的研究已经相当深入，所取得的成果对进一步开展激光相变硬化其它方面的研究工作具有重要的理论指导意义。
不足的是，对于激光工艺参数（激光功率和扫描速度）与硬化层技术指标（表面硬度和层深等）之间相互关系的分析讨论也大都是分别进行的，缺乏对两个参数关于同一指标影响程度大小的详细分析，而这些恰恰是进行激光扫描工艺及其参数优化研究所必要的理论基础。
激光表面淬火工艺也是激光表面淬火研究的重点领域之一[8,9]，研究内容包括针对特定零件的激光扫描方法及扫描路径设计，激光的扫描方式有圆形或矩形光斑的窄带扫描和线形光斑的宽带扫描。
窄带扫描的硬化带宽度与光斑直径相近，一般在5mm以内。
对于要求大面积硬化时，必须逐条地进行扫描,各扫描带之间需要重叠，重叠部分将留下回火软化带，回火软化带的宽度与光斑特性有关,一般均匀矩形光斑产生的回火软化带较小。
为了减少软化带的不良影响，科研人员发明了宽带扫描技术。
宽带扫描将聚焦的圆光斑变成线光斑，使一次扫描宽度大为提高。
目前，获得线光斑的技术主要包括采用柱面镜、二元光学器件和振荡聚焦光束等。
宽带扫描的宽度可达十几个毫米，有效地减少了软化带的不良影响。
研究内容还包括激光工艺参数与淬火硬化层尺寸的相互关系、激光扫描工艺参数的选择、开发具有高吸收率的表面涂层等。
研究、设计新型激光加工设备或装置，开发激光相变硬化应用软件，可以提高设备性能和激光加工的自动化、智能化程度，对进一步改善相变硬化层质量，增强和拓展加工能力、或提高加工效率具有重要意义。
近几年这方面的相关研究工作开展较多，也取得了一批研究成果。
文献[10]介绍开发了一个综合相变硬化层预测、加工模拟、工艺数据库及加工成本分析等多种功能的专用软件。
文献[11]提出了一种基于USB的数控体系结构、适用于回转类零件的激光表面强化处理。
文献[12]介绍了以五维框架式激光加工机器人及激光加工软件为主体的集成化激光智能加工系统，体现了激光加工软、硬件开发研究的发展方向。
在文献[13]中，作者开发了一种转镜式光束处理装置，可获得宽度较大、硬度分布均匀的硬化带，着重从提高表面耐磨性角度研究了多道搭接扫描中的硬化带分布方向和硬化面积比例。
总的来说，目前在激光扫描工艺及其参数优化控制的基础研究方面尚不够深入，也缺乏系统性，优化目标往往局限于某一方面，而不是基于多目标综合的整体优化。
在实际应用方面，由于激光淬火具有淬火区晶粒极细且均匀工件强化效果好等多种优势，在机械制造业中提高产品耐磨寿命方面占据越来越重要的地位，它能很好地解决机械产品中要求耐磨性很好而零件形状复杂、壁薄的零件的表面强化问题。
如对发动机缸体进行激光表面淬火，可使缸体耐磨性提高3倍以上热轧钢板剪切机刃口淬火，与同等未处理的刃口相比寿命提高了一倍左右。
而且激光表面淬火还应用在机床导轨淬火、齿轮齿面淬火、发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火以及各种工具刃口激光淬火。
美国通用汽车公司自1974年首次将CO2激光器用于激光淬火以来，先后建立了17条激光热处理生产线，每日可处理零件3万件。
该公司对易磨损的汽车转向器齿轮内表面用激光处理出五条耐磨带，克服了磨损问题，且基本无变形。
德国MANB&W公司对40/54和L58/64型船用柴油机气缸套内壁进行激光淬火；日本对45钢、铬钼钢、铸铁等材料进行激光淬火；美国Coberent公司用500w激光器对铸铁机床导轨进行淬火取得了较好的效果。
我国也在积极进行激光淬火的研究和应用实践，天津渤海无线电厂采用美国820型1.5kw横流CO2激光器对硅钢片模具进行表面淬火，大大提高了耐磨性，使用寿命提高了倍。
青岛激光加工中心采用了HJ-3千瓦级横流CO2激光器，对柴油机气缸进行表面淬火后，耐磨效果优良，配副性优良，经济效益显著。
CO2气体激光器自1964年诞生以来，由于该类器件具有高的信号增益, 光电转换效率可达20%、优质的光束质量、以及约10.6μm 的特定激光波长，而得到了迅速的发展与广泛的应用。
诸如, 工业上的焊接、切割、打孔、雕刻、热处理、纳米材料与纳米探针的制作, 军事上的测距、通信，环保上的空气或物体表面的清洁, 以及在农业、医疗、科学研究上等都取得了巨大的经济效益与社会效益。
器件的结构型式、激励方式、冷却技术、材料都得到不同程度的进展, 激光输出功率也从起初的几毫瓦提高到了100kW 以上。
目前，20kW 输出功率的CO2激光器在工业上得到了广泛应用。
近年来，人们不断地探索新的加工方法及在加工领域中的应用，与其他激光加工设备相比，CO2激光加工设备的市场广阔, 作为加工机床已得到用户的极高评价。
目前国内外激光热处理的研究方向包括以下四个方面：（1）在激光热处理理论研究方面：目前大多数只进行温度、相变的简单计算，对相变后的相变组织分布、材料性能对温度场的相互影响却很少考虑，随着计算机的发展及计算方法的不断完善，激光热处理理论正向预测淬火材料性能、硬化层深度的方向发展。
（2）激光器光束模式的改善研究方面：今后的发展趋势是减小激光束发散角的研究和超小型大功率气体激光器的开发等。
（3）光束传导系统功能部件的研究方面：今后的发展趋势是提高大功率激光光束传递和聚焦光路系统的可靠性及性能，包括大功率光路系统中热变形补偿及其监测系统的研究。