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激光表面处理

作者:a 来源: 日期:2018-05-10 12:42:00 人气:42 评论:0 标签:



激光清洗



一种“绿色”的清洗工艺。大致工作原理如下:激光束被需要处理表面的污染层吸收,大能量的吸收形成急剧膨胀的等离子体,产生冲击波。在冲击波的作用下污染物变成碎片并被剔除。清洗之后的表面减少了水和油气等的吸附,提高了材料表面的抗腐蚀性。相对于传统的清洗方式,激光清洗具有非接触、高效率、减少环境污染等优点。


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激光金属清洗


激光淬火



一种表面硬化处理的工艺,进行激光淬火的前提条件是钢材料和铸铁材料中的碳含量超过 0.2%。


为了实现对工件表面硬化处理的目的,激光束通常将工件表层加热到一个略低于熔化温度的温度区间(大约 9001400℃),达到设定温度后激光束开始移动,持续加热前进方向的表面,高温加热引起铁原子在金属晶格中的位置变化(奥氏体化)。当激光束离开后,被加热的表层在基体温度比较低的前提下产生自淬火效应,而迅速地被基体材料所冷却,快速冷却导致已经奥氏体化的金属原子不能回到原来的位置,从而产生马氏体。马氏体是非常硬的金属结构相,具有更高的硬度。


激光淬火层深度通常在 0.11.5mm。对于某些特定材料,硬化深度可以达到 2.5mm 或者更深。更深的淬火深度需要更大体积的基体材料来快速散热。


激光淬火所需要的功率密度相对较低。同时,通常需要处理工件表面的区域往往都比较大,因此,应用中经常将激光束整形成矩形光斑,使它能够快速处理尽可能大的区域。激光淬火时经常会用到光学扫描系统,使用该系统时可以快速地移动激光光斑,在工件表面经过往复运动来硬化工件表面,采用这个方法可以得到 60mm 宽的硬化轨迹。


相对于传统方法(火焰淬火和感应加热淬火),激光淬火的优势在于:靠工件自身进行冷却。而其它工艺需要水或者油来冷却工件。激光淬火时由于热输入量低,变形被控制在尽可能小的程度,这样后续的加工成本降低了或者完全不需要再加工。当涉及到不规则三维几何形状的工件要求进行加工时,激光淬火同样也能独领风骚:它可以以任何需要的路径来引导激光加热工件。


需要注意的是:激光淬火时光束重叠区域会再次被加热。在该重叠区域内硬度会降低,承受动载荷的零件上,必须小心地控制和调整该硬度缓冲区的硬度。


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激光淬火样件

表面抛光



激光束不仅要加热材料表面,同时还要持续熔化表面。根据处理材料的不同,激光表面抛光能够提高材料表面的硬度或者提高抗腐蚀性。


激光抛光和热传导焊接类似。当熔融的表面材料凝固时,金属表面发生再结晶过程并形成一层新的均匀的晶体结构(再结晶)。新的结构层同加工前相比,相的分布更加均匀、晶粒更加细小,从而导致该表面层的性能也同以前大为不同。


激光表面抛光主要应用于铸造零件的表面处理。带动汽车发动机活塞的凸轮轴上的凸轮就是一个很好的例子。通过在凸轮表面熔化一层耐磨层和熔化后的快速冷却使凸轮的接触面更加耐磨,加工过程中,铸铁表面会生成一种叫做莱氏体的相,正是这一结构相的生成使其表面高度耐磨。


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激光抛光前后对比图

表面涂覆



激光束主要用于熔化外加的填充材料。填充材料和工件表面结合,形成一个性能特殊的层,典型的层厚度在 0.5 到几毫米之间。涂覆层和母材结合的区域,两种材料混合在一起,为了保证表面熔覆层的性能,这个区域要尽可能小。


引入外加填料的方法有两种。第一种方法是通过一个喷嘴将填料以粉末的形式直接喷到激光熔池中,与激光金属熔覆(Laser Metal Deposition,LMD)是一个道理。另一种办法是直接将填料涂到工件表面,然后利用激光束来熔化填料使得它和母体材料结合。激光涂层非常适合工件表面指定区域的选择性强化处理。以发动机阀门为例,它们在使用过程中要承受极大的温度波动、研磨物质的冲击和摩擦。为了提高对这种工件的服役性能,需要在阀门开关和闭合区域制备一个保护涂层。


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激光金属涂覆应用


总结:

激光表面处理的影响因素主要有辐射面积、功率密度、温度和速度、填充材料和保护气体等。因此在选择激光参数是要综合考虑,实现最优的结果。为了实现稳定均匀的结果,也可以引入辅助的检测与控制功能,例如高温传感器。高温传感器能够在不接触材料的情况下测量温度,控制器探测温度是否在设定范围内,如果温度太高或者太低,控制器就会调整激光功率,防止被过度加热。


 

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