工程材料基礎 激光熱處理

2024年3月29日發(作者：日湖公園)

激光熱處理：

縮寫LHT。也稱激光淬火或激光相變硬化，是以高能量激光束快速掃描工件，使被照射的金屬或合金表面溫度以極

快速度升高到相變點以上，激光束離開被照射部位時，由于熱傳導作用，處于冷態的基體使其迅速冷卻而進行自冷

淬火，得到較細小的硬化層組織，硬度一般高于常規淬火硬度。

處理過程中工件變形極小，適用于其他淬火技術不能完成或難以實現的某些工件或工件局部部位的表面強化。激光

熱處理自動化程度較高，硬化層深度和硬化面積可控性好。該技術主要用于強化汽車零部件或工模具的表面，提高

其表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及強度和高溫性能等，如汽車發動機缸孔、曲軸、沖壓模具、鑄造型板等的激光熱

處理。激光熱處理工藝流程為：預處理（表面清理及預置吸光涂層）激光淬火（確定硬化模型及淬火工藝參數）- 質

量檢測（宏觀及微觀檢測）。

中文名

激光熱處理

外文名

lar heat treating

說明

是一種表面熱處理技術

特點

具有極高的功率密度

應用

搖臂、鋁活塞環槽等汽車零件加工

預處理

激光熱處理的金屬表面一般都經過機械加工，表面粗糙度較小，其對激光的反射率很高。在激光熱處理前，應對淬

火表面進行預處理，以提高其吸光率。對處理表面進行除油、除銹、清洗、干燥之后，在表面預置吸光涂層（黑化），

其方法有磷化、噴（刷）涂料、提高表面粗糙度、氧化、鍍膜等；涂層要薄，厚度均勻，對激光吸收率高（90%以

上），有良好的熱傳導性能，與金屬附著性好，在一定溫度下不分解、不蒸發，淬火后易清洗去除或不需去除就能使

用。

激光淬火

通過分析淬火零件的材料特性、使用條件、服役工況等因素，明確技術條件、產品質量要求，進而選擇激光淬火硬

化模型及確定激光淬火工藝參數。同時，也應考慮工藝的可操作性，生產效率及經濟效益等。激光束模式分為多模

光束、低階模光束、基模光束，一般采用多模光束進行激光熱處理。

根據單條激光淬火帶寬度，激光淬火帶形式有窄帶和寬帶之分；激光淬火帶分布類型有直條型、螺旋型、正弦波型、

交叉網格型、圓環型等，可根據需要選擇一種或多種復合分布類型進行激光淬火。同時，應確定激光淬火帶在淬火

表面的分布位置以及硬化面積比率（激光淬火帶總表面積與整個工作面表面積之比）。

激光淬火工藝參數是激光熱處理的關鍵環節。工藝參數主要是激光功率、激光光束掃描速度、聚焦鏡焦距、離焦量

（淬火表面與光束焦點的距離）。淬火表面吸收的能量取決于激光功率；激光束對淬火表面的作用時間取決于掃描

速度；光斑尺寸取決于聚焦鏡焦距和離焦量；激光功率密度取決于激光功率和光斑尺寸。一般激光功率增加，淬火

層深度增加；掃描速度增加，淬火層深度減少；離焦量增加，光斑尺寸增加，在一定范圍內，淬火層寬度增加。

激光淬火質量檢測

激光熱處理過程中，激光束停止掃描后，隨時用肉眼或低倍放大鏡觀察激光淬火帶表面狀態，宏觀判斷淬火帶表面

質量。微觀分析應取淬火帶橫截面為觀察面，用金相顯微鏡，在放大100倍下檢測淬火硬化層深度（mm）和寬度

（mm）。激光淬火硬化層深度一般在1mm以下。鋼鐵材料激光淬火金相組織主要為馬氏體。應采用顯微硬度法檢

測淬火層硬度，根據樣品的性質、厚度及淬火層深度選擇負荷值。

技術特點

激光熱處理是利用高功率密度的激光束對金屬進行表面處理的方法，它可以對金屬實現相變硬化（或稱作表面淬火、

表面非晶化、表面重熔粹火）、表面合金化等表面改性處理，產生用其大表面淬火達不到的表面成分、組織、性能的

改變。經激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達到HRC60度以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達HRC70度以上,從

而提高起抗磨性,抗疲勞,耐腐蝕,抗氧化等性能,延長其使用壽命.激光熱處理技術與其它熱處理如高頻淬火,滲碳,滲氮

等傳統工藝相比,具有以下特點:

1.無需使用外加材料,僅改變被處理材料表面的組織結構.處理后的改性層具有足夠的厚度,可根據需要調整深淺

一般可達0.1-0.8mm .

2.處理層和基體結合強度高.激光表面處理的改性層和基體材料之間是致密的冶金結合,而且處理層表面是致密

的冶金組織,具有較高的硬度和耐磨性.

3.被處理件變形極小，由于激光功率密度高，與零件的作用時間很短（10-2-10秒），故零件的熱變形區和整體

變化都很小。故適合于高精度零件處理，作為材料和零件的最后處理工序。

4．加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導光系統可隨意將激光導向處理部分，從而可方便地處理深孔、內孔、

盲孔和凹槽等，可進行選擇性的局部處理。

激光熱處理的應用

由于激光熱處理有相當明顯的優點，解決了傳統金屬熱處理不能解決或不容易解決的技術難題，在國內外受到高度

重視，激光熱處理得到迅速的發展。大功率CO2激光器從70年代起發展很快，先進的工業國家大功率CO2激光器

已產品化、系列化。我國從“七五”以后相繼研制成功了千瓦級萬瓦級大功率CO2多模激光器。隨著大功率激光器

的發展，用激光就可以實現各種形式的表面處理。它是引起材料組織結構變化的冶金過程，其加熱時間在10-3s~10-

7s的范圍內，功率密度為每平方毫米大于0.1kw。它的應用極為廣泛，幾乎一切金屬表面熱處理都可以應用。應用

比較多的有汽車、冶金、石油、重型機械、農業機械等存在嚴重磨損的機器行業，以及航天、航空等高技術產品。

激光熱處理在汽車行業應用極為廣泛，在許多汽車關鍵件上，如：缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、派啟發、閥座、搖

臂、鋁活塞環槽等幾乎都可以采用激光熱處理。例如：美國通用汽車公司用十幾臺千瓦級CO2激光器，對換向器殼

內壁局部硬化，日產3萬套，提高工效四倍。我國采用大功率CO2激光器對汽車發動機進行缸孔強化處理，可延長

發動機大修里程到15萬公里以上，一臺汽缸等于三臺不經處理的汽缸。

技術的發展

激光熱處理在大型機車制造業已被采用，大大提高了機車壽命，主要是機車大型曲軸的激光熱處理和機車柴油機缸

套和機車主簧片的激光熱處理。它們的模具制造工藝復雜，精度要求高，形狀各異，應用廣泛，但往往因模具的壽

命短而加大了成本，返修也很困難。用激光對模具表面進行熱處理，已逐漸被認識和被采用，可成倍的提高模具的

壽命，又不受形狀和尺寸的限制。激光熱處理過的曲軸由于激光熱處理越來越顯示其優越性，各種大功率CO2激光

熱處理不斷問世。有些大型企業不惜代價引進國外先進設備，如大連機車車輛廠引進德國6000W CO2激光器由于大

型曲軸熱處理生產線等。與此同時，國產大功率CO2激光熱處理設備銷售每年也成倍增長，激光熱處理生產線在各

地相繼發展起來。比較成功的例子有大連機車車輛廠由于機車曲軸、缸套、立簧片的激光熱處理生產線；西安內燃

機廠柴油機缸套激光熱處理生產線；北京內燃機及首都汽車公司的汽車發動機缸套激光熱處理生產線；長春第一汽

車制造廠激光熱處理生產線。同時全國各地建立了不同規模的激光加工中心。