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激光技術(shù)

激光表面工程

星之球科技 來源:華中科技大學(xué)激光先進(jìn)制2011-11-30 我要評論(0 )   

1. 激光表面工程技術(shù)基本原理 激光表面工程技術(shù)是采用高能激光束對金屬表面進(jìn)行改性強化的激光加工技術(shù),是表面處理工程領(lǐng)域發(fā)展得最快的方向,其主要工藝方法包括:激...

 

1. 激光表面工程技術(shù)基本原理

 

激光表面工程技術(shù)是采用高能激光束對金屬表面進(jìn)行改性強化的激光加工技術(shù),是表面處理工程領(lǐng)域發(fā)展得最快的方向,其主要工藝方法包括:激光相變淬火、激光熔凝淬火、激光合金化和激光熔覆等。

 

(1)激光相變淬火

 

激光相變淬火是利用聚焦后的激光束快速加熱鋼鐵材料表面,使其發(fā)生相變,形成馬氏體淬硬層的過程。激光淬火的功率密度高達(dá)103~104W/cm2,其加熱和和冷卻速度都非常快。激光淬火不需要水或油等冷卻介質(zhì),是一種清潔、高效的淬火工藝。與感應(yīng)淬火、火焰淬火、滲碳淬火工藝相比,激光淬火的硬度高(一般比感應(yīng)淬火高1-3 HRC),硬化層均勻,工件變形小,加熱區(qū)域和加熱軌跡容易控制,易于實現(xiàn)自動化。

 

(2)激光熔凝淬火

 

激光熔凝淬火技術(shù)是利用激光束將基材表面加熱到熔化溫度以上, 由于基材內(nèi)部導(dǎo)熱冷卻而使熔化層表面快速冷卻并凝固結(jié)晶的工藝過程。獲得的熔凝淬火組織非常致密,沿深度方向的組織依次為熔化-凝固層、相變硬化層、熱影響區(qū)和基材。激光熔凝層比激光淬火層的硬化深度更大、硬度更高,耐磨性也更好。該技術(shù)的不足之處在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破壞,一般需要后續(xù)機(jī)械加工才能恢復(fù)。為了降低激光熔凝處理后零件表面的粗糙度,減少后續(xù)加工量,本研究團(tuán)隊研制了專門的激光熔凝淬火涂料,可以大幅度改善熔凝層的表面粗糙度,并且在冶金軋輥、導(dǎo)衛(wèi)等工件激光熔凝處理方面得到廣泛應(yīng)用。

 

(3)激光熔覆與合金化

 

激光熔覆與合金化技術(shù)是利用自動送粉器將合金粉末同步送到激光熔池中,使合金粉末與金屬基體同時熔化,形成金屬覆蓋層的工藝過程。與傳統(tǒng)的熱噴焊或者堆焊工藝相比,激光熔覆變形小,應(yīng)力低,對基體的稀釋率低,組織致密,微觀缺陷少,結(jié)合強度高,熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制,特別是熔覆層的成分可以根據(jù)工況的需求方便調(diào)節(jié),因此非常適合工件表面的強化與修復(fù)。

 

(4) 激光淬火的特點

 

質(zhì)量優(yōu)勢 技術(shù)特質(zhì) 適用材料 實際應(yīng)用
1)淬火零件不變形 激光淬火的熱循環(huán)過程快 中碳鋼 大型軸類
2)幾乎不破壞表面粗糙度 采用防氧化保護(hù)涂層 模具鋼 各種模具
3)激光淬火不開裂 精確定量的數(shù)控淬火 冷作模具鋼 模具、刃具
4)對局部、溝、槽淬火 定位精確的數(shù)控淬火 中碳合金鋼 減振器
5)激光淬火清潔、高效 不需要水或油等冷卻介質(zhì) 鑄鐵材料 發(fā)動機(jī)汽缸
6)淬火硬度比常規(guī)方法高 淬火層組織細(xì)密、強韌性好 高碳合金鋼 大型軋輥

 

(5) 激光熔覆與合金化的特點

 

典型應(yīng)用 技術(shù)特質(zhì) 質(zhì)量優(yōu)勢
1)電機(jī)轉(zhuǎn)軸磨損尺寸的恢復(fù) 選用與基體相當(dāng)?shù)暮辖鸱?/td> 激光熔覆后工件變形小
2)電極輥耐腐蝕層的熔覆 采用不銹鋼合金粉末 熔覆層金屬無顯微缺陷
3)鋁擠壓模的抗高溫氧化層 熔覆鎳基合金粉末 熔覆層為冶金焊接結(jié)合
4)蝸輪葉片抗高溫磨蝕層 采用鈷基合金粉末 合金層固溶量高,壽命長
5)冷作模具的耐磨合金層 熔覆高硬度合金粉 結(jié)合強度高,不脫落
6)大型軋輥激光熔覆 選用優(yōu)于基體的合金粉末 激光熔覆層不開裂
7)鋁、銅合金的耐磨層 熔覆高強度的合金粉 熔覆層硬度高,耐磨性好

 

2. 多功能激光表面處理設(shè)備

 

激光表面工程技術(shù)使用的多功能激光熱處理設(shè)備,可以完成激光相變強化、激光熔凝淬火、激光合金化和激光熔覆等工作。在石化、冶金、機(jī)械制造等行業(yè),采用激光表面處理設(shè)備大幅增加了產(chǎn)品附加值,不僅用于新產(chǎn)品的制造和強化,還可以對磨損零件進(jìn)行激光熔覆修復(fù),產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

 

大型激光熔覆與熱處理設(shè)備

為攀鋼制造的軋輥激光強化設(shè)備

瓦輪輥激光淬火設(shè)備

 

(1) 設(shè)備配置

 

激光器: #p#分頁標(biāo)題#e#一般為5kW橫流CO2激光器,最大輸出功率5.5kw。可以根據(jù)客戶需求選擇不同類型和功率的激光器。

大型多功能加工機(jī)床: 激光加工機(jī)床的加工尺寸范圍一般為:長5.5米,直徑Φ2.6米。對延伸形的特殊工件,可加工的尺寸范圍更大。本激光加工機(jī)床一般為懸臂加工系統(tǒng),可進(jìn)行多工位的激光加工。

 

六軸四聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng): 本機(jī)床配置有六軸四聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng),可以對復(fù)雜形狀工件進(jìn)行精密激光加工。也可根據(jù)客戶實際需求設(shè)計。

 

(2) 設(shè)備特點:

 

根據(jù)應(yīng)用對象的不同,激光表面工程技術(shù)所對應(yīng)的成套設(shè)備有多種結(jié)構(gòu)形式,具備多種功能。目前常用的設(shè)備系統(tǒng)是基于CO2氣體激光器的多功能激光加工系統(tǒng),其具有的顯著特點如下:

(1) 多功能激光熱處理設(shè)備可以進(jìn)行的激光表面處理技術(shù)包括:激光相變淬火、激光熔凝淬火、激光合金化和激光熔覆

(2) 華中科技大學(xué)激光先進(jìn)制造技術(shù)研究室在激光加工技術(shù)和成套設(shè)備方面具有豐富的經(jīng)驗,所研制的激光加工設(shè)備在冶金、石化、機(jī)械制造、內(nèi)燃機(jī)、造紙、汽輪發(fā)電機(jī)等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

(3) 華中科技大學(xué)激光先進(jìn)制造技術(shù)研究室在激光熔覆專用合金粉末研制方面具有豐富的經(jīng)驗,研制的系列合金粉末包括:高韌性合金粉末、高耐磨合金粉末和耐高溫合金粉末等幾十種牌號,得到廣泛應(yīng)用。

(4) 華中科技大學(xué)激光先進(jìn)制造技術(shù)研究室研制的激光熔覆自動送粉器具有精度高,性能穩(wěn)定的特點,已經(jīng)出口到美國通用電器公司。所研制的專用激光相變淬火和激光熔凝淬火涂料吸光率高、淬火效果好。

 

3. 新型激光熱處理裝備與應(yīng)用

 

新型激光器包括二極管激光器和光纖激光器,具有電光轉(zhuǎn)換效率高、可以用光纖傳輸?shù)奶攸c。采用工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的激光表面強化設(shè)備,可以對型面復(fù)雜的大型模具進(jìn)行三維精密淬火,確保模具的淬火質(zhì)量?;诙O管激光器及光纖激光器的多功能激光加工系統(tǒng)的應(yīng)用具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢,其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。

 

(1) 基于二極管激光器及光纖激光器的多功能激光加工系統(tǒng)

 

半導(dǎo)體激光、光纖激光的波長范圍為0.8~1.07μm,因此,金屬對這類激光的吸收率高于CO2激光,這類激光加工設(shè)備系統(tǒng)運行成本較低,是激光表面工程領(lǐng)域新的應(yīng)用方向。

 

(2) 基于工業(yè)機(jī)器人的多功能激光加工設(shè)備

 

基于工業(yè)機(jī)器人的多功能激光加工設(shè)備,是與光纖傳輸?shù)男滦图す馄髋涮资褂玫脑O(shè)備,該激光加工系統(tǒng)對于復(fù)雜三維形狀的工件具有突出的技術(shù)優(yōu)勢,在大型模具激光淬火和激光熔覆修復(fù)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

 

半導(dǎo)體激光熱處理設(shè)備

光纖激光多功能加工設(shè)備

 

 

 

4. 激光表面工程技術(shù)典型應(yīng)用
 

 

激光表面處理技術(shù)作為一種清潔、高效、節(jié)能的表面處理方式,代表著表面處理技術(shù)的發(fā)展方向,其技術(shù)方法包括:激光固態(tài)相變強化、激光合金化強化和激光熔覆強化等,該技術(shù)在汽車、石化、冶金、機(jī)械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

 

(1)齒輪、齒圈的激光淬火強化

 

 

(2)船用鋁合金活塞環(huán)槽激光合金化強化,柱塞激光熔凝淬火強化

 

 

(3)軋輥、曲軸激光淬火強化與激光熔覆強化

 

 

● 熱軋輥激光淬火后,硬度由HS40提高到HS85,使用壽命提高3倍。
● 瓦楞滾激光淬火后,硬度的均勻度為±0.5HRC。
● 高溫渦輪機(jī)葉片激光熔覆高溫耐磨合金,其使用壽命成倍提高。
● 長5000mm,直徑Φ500mm的大型不銹鋼軋輥軸頸,激光熔覆修復(fù)后軋輥長軸直線度公差只有0.03mm,激光熔覆修復(fù)幾乎不引起工件變形。

 

(4)大型主軸、汽輪機(jī)、渦輪機(jī)葉片激光熔覆修復(fù)

 

激光熔覆修復(fù)大型電機(jī)主軸

激光熔覆修復(fù)渦輪壓縮機(jī)主軸

激光熔覆修復(fù)大型轉(zhuǎn)子的主軸

 

(5)模具激光淬火強化與激光熔覆修復(fù)

 

 

模具激光淬火的特點
 

 

(1) 模具激光淬火為空冷淬火,不需要水或油等冷卻介質(zhì),激光淬火的模具清潔、高效。
(2) 激光淬火模具的淬硬層均勻,與常規(guī)淬火工藝相比,硬度高1-3 HRC。
(3) 激光淬火模具變形小。
(4) 激光淬火模具硬化層組織細(xì)密、強韌性好、不開裂。
(5) 激光淬火采用專用保護(hù)涂料,幾乎不破壞模具的表面粗糙度。
(6) 任何復(fù)雜形狀的模具都可實現(xiàn)高質(zhì)量的自動化激光淬火,各種模具材料都可進(jìn)行激光淬火。

 

熱鍛模具激光熔覆的特點

 

(1) 激光熔覆制造的復(fù)合耐磨材料模具,使用壽命提高2倍以上。
(2) 激光熔覆制造的高溫耐磨材料模具,使用壽命提高3~5倍。

 

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