激光表面处理技术在设备维修中的应用
激光和光电子技术的应用发展迅速。在工业发达国家，激光材料加工的地位日益提高， 衡量一个国家工业生产效率及地位，很大程度上取决于其工业用激光器的制造及其引入生产 的程度。美国、西欧等国激光加工产业已经成型，并在迅速发展。我国激光加工业的发展有 其自身的特点，以激光表面技术为主，目前在该领域的研究处于世界领先水平。激光表面技术在设备制造与维修方面发挥着重要作用。
激光是一种新颖光源，具有一系列极为突出的特性，自1960年世界上第一台红宝石激 光器问世以来，已获得了巨大的发展。在国防工业和国民经济的各个领域得到了越来越广泛 的应用。它不仅对光学的发展是个突破，而且对其他科学领域的发展也起了重要的推动作用。
1．激光的特性
激光的发光是以受激辐射为主，发光物质中大量的发光中心基本上是有组织地、相互关 联地产生光发射的。各个发光中心发出的光波具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相 关系，亦即在全部光发射过程中，发光中心的相互关联的集体行为占主导地位。
正是出于激光这种区别普通光的基本性质，才使它具有普通光所没有的一系列特性。 (1)高亮度(高功率密度)：它比太阳表面的亮度高1010倍，聚焦后的功率密度可达1014W／cm2。焦斑中心温度可达几千度乃至几万度，因此激光就可作为材料加工和表面处理的理想热源。
(2)方向性好：光束的发散角小于0．1毫弧度，是任何其他光源无法达到的，可认为接近平行光束。这样光的传输过程中能量损失很小，可以把高功率密度的激光束导向需要加工和处理的部位，便于控制。
(3)单色性和相干性好：激光的光谱线宽可以调制到小于10—7A。根据加工需要把焦斑调节适当。当切割和焊接时，把光斑调至小于2mm以下。激光表面处理时，光斑比较大，并可以通过光镜的调制获得矩形或线形光束，根据零件的特点进行处理。
由于激光的上述特性，激光一问世就得到了材料科技工作者的普遍关注。60年代，人们利用高能密度的激光进行打孔、切割和焊接，解决了当时电真空器件和大型集成电路的焊 接、金刚石拉丝模和钟表用宝石打孔以及玻璃、陶瓷、硬质合金及稀有金属合金的切割等一 系列关键问题。
70年代，由于激光技术的发展，特别是由于千瓦级大型激光器的研制成功和实用化，人们利用激光这种特殊热源对材料或零件进行表面处理，有效地改变材料表面的化学成分和 物理结构(包括相结构和显微结构)，获得某些其他方法难以得到，并具有独特性质的过饱和固溶体、亚稳相、超细化晶体结构、陶瓷化合物和非晶态等，有效地改善材料或零件表面的机械和物理化学性质，开辟了材料表面强化的新领域，这些方法统称激光表面优化，也叫激光表面处理。
2．激光加工的特点
激光加工时，当能量密度极高的激光束照射在被加工表面时，光能被加工表面吸收，并 转换成热能，使照射斑点的局部区域温度迅速升高到熔化，以致气化并形成陷坑。同时由于 热扩散，斑点周围的金属熔化，随着光能的继续吸收，陷坑中金属蒸气迅速膨胀，相当于产生一个微型爆炸，把熔融物高速喷射出来。同时，产生一个方向性很强的反冲击波，这样工件材料就在高温熔融和冲击波的同时作用下，在工件上打出一个小孔。
(1)激光加工不需要加工工具，所以不存在工具损耗、更换调整等问题，很适宜自动化连续操作。
(2)由于激光的功率密度高，几乎能加工所有的材料，如各种金属材料、非金属材料、陶瓷、石英、玻璃、金刚石、半导体等。如果是透明材料，只要采取一些色化和打毛措施，仍可加工。
(3)加工速度快，效率高、热影响区小。
(4)适于加工深的微孔、窄缝直径可小至几个微米，深度与直径之比可达50—100以上。
(5)可透过玻璃等透明材料对工件进行打孔，因此对有些需在真空中加工的特殊零件是十分便利的。
3．激光表面处理的特点
激光表面处理技术有激光固态相变硬化、激光合金化、激光涂敷、激光表面熔凝、激光，冲击硬化和激光化学反应涂层等，工业应用上以前4种比较成熟。尽管各种具体技术的方法 和应用场合不同，但在对零件的改性处理中，它具有一些比其他表面改性技术更令人青睐的 优点：
(1)改性层有足够的厚度，适应工程需要。激光改性层厚度一般在0．10—1．0mm，激光涂敷则可根据需要增加厚度，不像离子注入或镀膜只有数千。A至数十微米的改性层，工程应用上受到限制。
(2)结合状态良好。激光处理中改性层和基体材料之间或改性层内部都是致密的冶金结合，不会发生改性层和基体之间的脱落。相比之下，CVD和PVD镀层和基体属机械或半机械结合；工艺掌握不慎就会造成镀层脱落；热喷涂涂层中有5％—15％的气孔或孔隙，影响涂层和基体的结合强度。
(3)高功率密度的激光，能量集中，适于进行局部表层处理，对零件基体热影响小，因此对一些细长的杆件，导轨和薄片的处理，热影响和热变形都很小。
(4)工艺柔性大。激光器本身作为一个独立单元，可用导光系统将激光导向需要处理零件的局部，如深孔、内孔、盲孔、凹槽等。
(5)工艺操作简单，而且灵活。激光功率、光斑大小、扫描速度可以随意调节，只要把需处理的零件置于工作台上，配以微机程控系统可以方便地实现自动化生产。
(6)多数情况下可在大气中进行，无环境污染，噪音低，无辐射，无需介质，不会造成公害，可以很大程度地改善劳动条件。
由于激光表面处理的内容很多，现就工业应用较为成熟的几种技术作简要的叙述。
1、非熔化性表面加工
（1）激光表面相变硬化
激光相变硬化是激光表面处理中最成熟，应用最多的一种。它是利用激光照射到具有固态相变的铁碳合金(包括含碳量在0．3％以上的各种碳钢、低合金钢和灰口铸铁)的表面上，使金属表面温度迅速升到奥氏体化温度以上、熔点以下，使合金表层形成奥氏体，当激光离开后，高温的表层被处于常温的内层材料所冷却，即“自淬”。使表层0．1—1．0mm范围内的组织结构和性质都发生了明显的变化。
1．组织特征
(1)超细化的隐晶马氏体：由于快速加热，过热度很大，形成奥氏体的初始温度升高，奥氏体的成核率提高，同时保温的时间很短，晶粒还来不及长大，所以奥氏体的晶粒很细，一般在12级以上(普通热处理在7—8级)，即所谓超细化，同时“自淬”后的马氏体晶体尺寸也减小，亚结构也变小，形成特殊的隐晶马氏体。
(2)成分和缺陷：由于高速加热，停留时间短，故奥氏体内的碳和合金元素来不及扩散均匀化，随后冷却所获得的也是微区成分不均匀的马氏体或残留奥氏体，但对性能影响不大。另外由于快速加热和冷却时的热应力和组织应力，激光处理区内形成极高的位错密度，如45#钢经相变硬化后位错密度增加二个数量级。而且激光相变硬化区的点阵畸变增加。
(3)残余奥氏体：激光处理的冷却速度很快，造成马氏转变点Ms的升高，有利于减少残留奥氏体。但是由于激光处理容易出现微区含碳量的不均，高碳区容易出现残留奥氏体，而且激光处理的冷却速度受工艺参数和样品环境的影响，波动范围很大，所以不同的人所得实验结果不尽一致，对残留奥氏体作用的认识也说法不一。
2．力学性能
(1)硬度：激光相变硬化处理的主要还是工业应用广泛的钢铁材料。激光相变硬化后，材料表面的硬度有显著提高，可超过普通热处理所能达到的极值20％左右。硬化深度和形状和激光处理工艺因素有关。硬度分布情况也不一样，有些最硬层在表面，有些在次表面，而在最表面0．05mm内出现软化层，对软化层尚无统一的看法。
(2)残余应力：普遍的实验和理论计算证实，经激光相变硬化处理后，表面存在较高的残余应力。
(3)耐磨和抗疲劳性质：激光处理后硬度提高，耐磨性也明显提高。许多实验研究和工程应用都证实了这一点。其相对提高量和基体材料有关。如果基体是退火状态，处理后硬度提高很多，相对耐磨性提高幅度很大；如基体属淬火和低温回火状态，硬度提高幅度小一些，耐磨损性能的变化也小一些。激光固态相变还可提高抗疲劳性能。如前所述，激光固态相变后，表层存在很大的压应力，而零件表面的疲劳开裂通常是由拉应力引起的，因此在可能发生疲劳裂纹之前，疲劳载荷首先要克服残余的压应力，所以激光固态相变后，材料的抗疲劳寿命得到提高。
（2）其他非熔化型表面加工方法
除了应用较普遍的激光相变硬化法外，最近几年非熔化型表面加工在材料成型、改变材料电磁学性能方面也有研究和应用。激光成型是一种利用局部加热使材料发生受控变形的加工方法，也叫激光弯曲成型。这种方法的具体工艺过程为，将一束聚集的激光以一定速度扫描金属表面(扫描速度要足够快，防止表面熔化)，作用区内的材料会因受热膨胀而产生压应力，一旦这一应力超过材料的屈服强度就会导致塑性流变。加热停止后，随着热量的扩散，塑性流变也停止。激光每扫描一道，金属片能够产生的弯曲虽是有限的，一般在1°—5°，具体弯曲量受工艺控制。激光弯曲成型的用途是显而易见的，如可以明显改善焊接作业时(尤其是焊接船板和车体)的配合程度；在小批量生产中用来进行无模具成型；纺织针和细轴类工件的非接触高精度校直等。激光划线能够改善材料的磁学性能，它是通过细化磁畴、松弛内应力和制约畴壁实现的。细化磁畴的工艺过程是聚集的激光束高速扫描(防止表面熔化)硅钢片。其原理在于激光划过硅钢片表面时，形成的热应力能在作用区内局部产生滑移和位错塞积，形成新的磁畴，原有磁畴因此得到细化。研究表明，此种方法可以减少交流变压器的磁滞损耗10％。由于硅钢片的市场需要量大，所以经济效益显著。
[1] [2] 下一页
本文关键字：技术 激光 维修 表面处理 常识知识，机械设备 - 常识知识
