（機械設計及理論專業(yè)論文）基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究.pdf

上海海事大學碩士學位論文 y 1 0 0 8 5 2 2 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 摘要 激光相變硬化是一個多參數(shù)綜合的工藝過程，人們難以用實驗的方法 直接測量其瞬時溫度分布，也就導致了很難對影響相變硬化層深的諸因素 做出定量的分析。隨著近代計算技術的發(fā)展，可望借助先進的計算機技術， 對影響相變硬化層深的諸因素做出定量的分析。 激光相變硬化工藝參數(shù)對硬化效果具有十分重要的影響。本文通過大 量的試驗數(shù)據(jù)和理論分析來研究工藝參數(shù)( 掃描速度和功率) 與硬化效果 ( 硬化層深和硬化層分布均勻性) 的關系。激光相變硬化層分布的均勻性 是生產(chǎn)和研究中追求的目標之一。激光相變硬化層分布不均勻性主要體現(xiàn) 在橫截面內(nèi)硬化層形貌和縱截面內(nèi)進、出端差異。在理論分析和實驗研究 的基礎上，本文提出了激光變速掃描方法，使得激光相變硬化層的均勻性 得到較好的改善；并利用m a t l a b 數(shù)值積分工具箱( n u m e r ic 8 li n t e g r a t i o i l t o o l b o x ) 和偏微分方程工具箱( p d et o o l b o x ) 開發(fā)了激光相變硬化模擬 與優(yōu)化程序。 激光相變硬化模擬與優(yōu)化程序共分為四大模塊：激光相變硬化縱截面 層深模擬程序：激光相變硬化橫截面層深模擬程序；激光相變硬化縱截面 層深優(yōu)化程序；激光相變硬化橫截面層深優(yōu)化程序。激光相變硬化模擬與 優(yōu)化程序與v b 相鏈結，通過v b 簡捷的圖形用戶界面( 9 u i ) 操作，能夠快速、 方便地進行激光相變硬化模擬與優(yōu)化計算。實驗表明：模擬與優(yōu)化計算結 果比較準確。 關鍵詞：激光，相變硬化，工藝參數(shù)，硬化層 卜海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工豈參數(shù)優(yōu)化研究 a b s t r a c t l a s e rtr a n s f or m a t i e nh a r d e n i n gi sat e c h n i c a lm u l t i - p a r a m e t er s y n t h e t i c p r o c e s s ，w h i c hi sav e r yd i f f i c u i tp r o c e s st ou s ef o rm e a s ur i n gt r a n s i e n t t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i 0 1 3d ir e c t l yb ye x p e r i m e n t a t i o n a c c o r d i n gt ot h i ss i t u a t i o n i ti sa l s ov e r yd i f f i c u l tt oq u a n t i f yt h o s ef a c t or sw h i c ha f f e c tt h el a y e rt h i c k n e s so f t h em e t a l l o gr a p h i c c h a n g e s w i t h t h ed e v e l o p m e n to fa d v a n c e dc o m p u r er t e c h n o i o g y i ti sn e wm u c he a s i e rt oq u a n t i f yt h e s ef a c t o r s p ar a m e t er so fl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh ar d e n i n gar ev er y i m p o r t a n tt ot h e i n d u r a t i o n se f f e c t i nt h i st h e s i s ，w ea t t e m p tt of i n do u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n p ar a m e t e r sa n de f f e c t i ti si m p o r t a n tt oo b t a i nau n f o r mh ar d e n e dc a s ei no ur r e s e a r c ha n dm a n u f a c t ur e ，w h i c hm a i n l yi n d i c a t e st h ed i f f er e n c eb e t w e e nt h e i n p u t - o u t p u ta r e a s b a s e do ne x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ea u t h o r p r o p o s e dt h epr o c e s s i n gm e t h o do fl a s e rs c a n n i n gw i t hc h a n g i n gs p e e db ys t a g e ， w h i c hi m p r o v e st h eh e m o g e n e i t yo ft h eh ar d e n e dl a y e r ；a n dd e v e l o p e dap r o gr a m o fl a s ert r a n s f or m a t i o nh a r d e n i n g8 i m u f a t i n ga n do p t i m i z i n gb yt h eu s eo ft h e n u m er i c a ii n t e gr a t i o nt o o l b o xa n dp d et o o l b o xo fm a t l a b t h epr o g r a mo fl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gs i m u l a t i n ga n do p t i m i z i n g i n c l u d e sf o urm o d u l e s ：l a s ert r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gs i m u l a t i n gm o d u l eo f i o n g i t u d i n a lc r o s ss e c t i o n l a s ert r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gs i m u l a t i n gm o d u i eo f i a t er a lc r o s ss e c t i o n 。l a s e rt r a n s f o r m a t i o nh ar d e n i n go p t i m i z i n gm o d u l eo f i o n g i t u d i n a lc r o s ss e c t i o n a n dl a s ert r a n s f or m a t i o nh a r d e n i n go p t i m i z i n g m o d u l eo fl a t er a lc r o s ss e c t i o n t h ep r o gr a mo fl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g s i m u l a t i n ga n do p t i m i z i n g ，c o n n e c t i n gw i t hv b ，c a nc a l c u l a t eq u i c k l ya n de a s i l y t h r o u g hg r a p h i c a lu s e ri n t er f a c eo fv b e x p e r i m e n t ss h e w e dt h a tt h e c a i c u l a t i o n sh a v ew o r k e do u tr i g h t k e y w o r d s ：l a s e r t r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g ，p r o c e s s i n gp a r a m e t e r h ar d e n e dc a s e y a nz h a n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d ir e c t e db yp r o f s o n gg u a n g m i n g 論文獨創(chuàng)性聲明 本論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。 論文中除了特, 男c l d n 以標注和致謝的地方外，不包含其他人或其他機構已 經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。其他同志對本研究的啟發(fā)和所做的貢獻均 已在論文中作了明確的聲明并表示t i l i t 意。 作者簽名：睡艇 日期：蘊： ：! 論文使用授權聲明 本人同意上海海事大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校 有權保留送交論文復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢陨暇W(wǎng)公布 論文的全部或部分內(nèi)容，也可以采用影印、縮印或者其他復印手段保留 論文。保密的論文在解密后遵守此規(guī)定。 作者簽名群導師簽名 日期：皇：蘭：竺 上海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 1 1 激光加工技術綜述 第1 章緒論 激光加工技術是通過激光束與物質(zhì)相互作用以實現(xiàn)對材料( 包括金屬 與非金屬) 進行切割、焊接、打孔、表面處理及微加工等目的的一種先進 制造技術，它涉及到光、機、電、材料及檢測控制等多門學科“”1 。 激光加工對傳統(tǒng)工業(yè)的改造發(fā)揮著越來越顯著的作用，目前它已廣泛 應用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經(jīng)濟重要部門， 對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化水平、無污染程度，減少材料消耗 等都起著重要作用。 作為二十世紀科學技術發(fā)展的主要標志和現(xiàn)代信息社會光電子技術的 支柱之一，激光技術和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進國家的高度重視，激 光產(chǎn)業(yè)必將成為二十一世紀世界工業(yè)的骨干產(chǎn)業(yè)。 1 1 1激光加工技術的應用領域 隨著激光加工技術的快速發(fā)展，其應用范圍越來越廣，加工形式多種 多樣。就其本質(zhì)來講，激光加工實質(zhì)是激光與材料的相互作用，從這個角 度出發(fā)，激光加工可分為以下幾種類型： ( 1 ) 激光相變硬化：激光相變硬化是激光束照射材料表面，表面溫度 迅速上升，材料奧氏體化，當激光束離開后，材料表面的能量迅速向內(nèi)部 傳遞，表面層急劇冷卻，從而轉(zhuǎn)變成馬氏體，形成表面硬化層。激光相變 硬化主要用于改善金屬工件表面耐磨等性能。 ( 2 ) 激光焊接：激光焊接是把激光聚焦成很細的高能量密度光束照射 到工件上，使工件受熱熔化，然后冷卻得到焊縫。激光焊接技術具有溶池 凈化效應，能純凈焊縫金屬，適用于相同和不同金屬材料問的焊接。在激 光焊接技術研究與應用方面處于世界領先水平的國家有德國、日本、瑞士 和美國等。激光焊接能夠?qū)崿F(xiàn)的材料厚度最大已達8 0 m m ，最小為0 0 5 用胛， 正朝著低成本、高質(zhì)量的方向發(fā)展。常用于汽車車身厚薄板、汽車零件、 上海海事大學碩士學位論文基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和 變形的器件，其應用范圍正在向其他行業(yè)普及。目前使用的激光器有y a g 激光器、c o 。激光器和半導體泵浦激光器。 ( 3 ) 激光合金化與激光熔覆：激光合金化與激光熔覆是激光束掃描金 屬工件表面，使一種或多種合金元素與工件材料表面一起快速熔化再凝固， 共同形成硬化層。激光合金化是材料表面局部改性的新方法，適用于航空 航天、兵器、核工業(yè)、汽車制造等需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能 的零件上。 ( 4 ) 激光切割：激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑， 將材料快速加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成小孔洞，并使光束與材料相對移動， 實現(xiàn)連續(xù)孔洞的窄切縫。與計算機控制的自動設備結合，激光束具有無限 的仿形切割能力，切割軌跡修改方便：通過預先在計算機內(nèi)設計，進行眾 多復雜零件整張板排料，可實現(xiàn)多零件同時切割，節(jié)省材料。用于各種金 屬零件和特殊材料的切割，如圓形鋸片、亞克力、彈簧墊片，2 m m 以下的 電子機件用銅板、金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、磷青銅、電木板、薄鋁臺 金、石英玻璃、硅橡膠、1 冊咀下氧化鋁陶瓷片以及航天工業(yè)使用的鈦合 金等。目前使用的激光器有y a g 激光器和c o ：軸流激光器。 ( 5 ) 激光打孔：激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、屯子儀表、 化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展主要體現(xiàn)在：打孔用y a g 激光器的平均輸 出功率已經(jīng)可以達到8 0 0 一1 0 0 0 f ，o 國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應 用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、 飛機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。目前使用的激光器多以y a g 激光器、c 0 。激光器為主，也有些準分子激光器、同位素激光器和半導體 泵浦激光器。 ( 6 ) 激光快速成型：激光快速成型是將激光加工技術和計算機數(shù)控技 術及柔性制造技術相結合而形成，多用于模具和模型行業(yè)。目前使用的激 光器多以y a 6 激光器和c o ：激光器為主。 ( 7 ) 其他激光加工：激光加工在其他領域中的應用有激光超精細加工、 激光微型機械加工、激光法制各納米粉材料、激光非晶化等。 上海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 1 1 2 激光加工的特點 激光加工是一種無接觸加工，加工速度快，無噪聲，激光的聚焦和照 射位置都比較容易控制，因此激光加工具有高效、優(yōu)質(zhì)、清潔、靈活、加 工范圍廣、經(jīng)濟效益好、易于進行自動化控制、實現(xiàn)柔性加工和智能加工 等無可爭議的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)加工相比，激光加工有很多特點： ( 1 ) 加工精度高。激光加工時，激光束只照射到工件表面的局部區(qū)域， 由于工件與激光束之間的相對移動速度快，工件表面局部區(qū)域只是瞬時吸 收很大熱量，產(chǎn)生很高溫升，該局部區(qū)域相對整個工件表面是很小的，因 此熱影響區(qū)小，工件基本無變形，加工精度高。激光加工?？梢允∪ズ罄m(xù) 加工，從而大大節(jié)省了時間和費用。 ( 2 ) 加工適應性強。幾乎對所有的材料都能加工，包括某些傳統(tǒng)方法 無法加工的各種高強度、高硬度、高熔點的材料，脆性和軟性等特殊材料。 因此、激光加工廣泛應用于汽車、電子電器、航空航天、冶金、機械制造 等行業(yè)。 ( 3 ) 加工效率高。由于激光加工過程中激光束與工件表面不直接接觸， 不會產(chǎn)生工件間的摩擦，無切削阻力，加工速度快，因而生產(chǎn)效率高，同 時無噪聲無污染，有利于環(huán)保。 ( 4 ) 加工靈活性高。激光束可以在大氣中傳播，能量損失極小，容易 實現(xiàn)遠程操作，而且其導向和聚焦性能好，可根據(jù)不同的加工要求，得到 不同的光斑尺寸和功率密度，還可借助分光鏡等光學系統(tǒng)，實現(xiàn)一機多工 位同時加工或分時異地加工。 ( 5 ) 激光加工沒有反沖力，工件安裝機構大大簡化，容易實現(xiàn)復雜形 狀零件的加工及加工的自動化。 1 1 3激光加工技術的發(fā)展 目前，激光加工在各個應用領域都得到了迅速發(fā)展”“。例如：激光 切割方面，薄金屬板的二維和三維激光切割，包括空間曲線的切割技術已 獲得應用；非金屑的激光切割已有一定發(fā)展；新的激光切割技術如水冷激 光切割、高功率c o 。激光切害0 等不斷出現(xiàn)，這些新技術有些已應用于工業(yè) 生產(chǎn)，有些則具有良好的應用前景。激光焊接在汽車工業(yè)中應用廣泛，如 上海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 車身部件及組裝采用激光焊接，逐步取代了傳統(tǒng)的電阻點焊；激光焊接在 電子工業(yè)中也得到應用，采用y a g 激光焊接顯像管電子槍已用于生產(chǎn)；另 外，激光焊接集成電路引線、繼電器、微機鍵盤字鍵等均已獲得成功。 在國外，美國、日本和德國三個國家激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展代表了當今世界 激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平。這三國在世界激光加工產(chǎn)業(yè)的市場份額分別為：美國 ( 包括北美) 占5 5 ，歐洲占2 2 ，日本和太平洋地區(qū)占2 3 。 我國在“六五”至“十五”期間對激光技術的基礎研究進行了大力的 投入，已經(jīng)在北京、上海、武漢三地形成中國激光研究、應用的三足鼎立 之勢。中國光電子協(xié)會提出的國家激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略是：以世界激光產(chǎn)業(yè) 發(fā)展趨勢和國內(nèi)外市場為導向，以國內(nèi)建設和人民生活急需的重要項目為 龍頭，集中力量，發(fā)揮優(yōu)勢，重點突破，組織和建立多種投資體制的產(chǎn)業(yè) 集團，逐步形成規(guī)模生產(chǎn)，加速激光產(chǎn)品商品化、產(chǎn)業(yè)化和國際化進程， 爭取在2 0 1 0 年國內(nèi)激光產(chǎn)品銷售額達到4 0 0 億元。中國激光產(chǎn)業(yè)應盡快進 行地區(qū)性、全國性的兼并重組，組建大激光產(chǎn)業(yè)集團，才能抵御國外激光 企業(yè)的挑戰(zhàn)。 我國目前從事激光器及激光應用設備生產(chǎn)的廠家達5 0 0 多家，其中有 5 個國家級的激光技術研究中心，1 0 多個研究機構，全國有2 1 個省、市、 地區(qū)生產(chǎn)和銷售激光產(chǎn)品，主要分布在湖北、上海、江蘇和北京。 我國科技部提出的近期激光項目設想是：把握激光技術發(fā)展中的新機 遇，利用產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整和科研體制改革帶來的有利條件，以激光加工技術 為重點，在“攻關鍵技術、抓示范應用、建推廣體系”這三個有機結合的 層次上，重點解決激光產(chǎn)業(yè)化的關鍵技術、重點制造業(yè)中急需的激光加工 集成裝備以及激光技術推廣應用的服務體系等，使我國激光加工朝高穩(wěn)定、 整體化、智能化、柔性化方向發(fā)展，從而促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術升級和激光產(chǎn) 業(yè)的發(fā)展。 由此我們可以看出：激光加工是二十一世紀最具競爭力的先進加工技 術。隨著我國對激光加工技術重視程度不斷提高、對其投資力度不斷加大， 激光加工技術在中國的發(fā)展前景將是十分廣闊的。 1 2 課題的研究背景 激光相變硬化技術是激光加工技術中起步較早、發(fā)展較為成熟的一項 上海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 高新技術，國內(nèi)外有關學者在這方面開展了大量的研究，取礙了一批重要 研究成果，并已廣泛應用于各種機械零件的表面強化。但從已有的國內(nèi)外 研究成果及其實際應用可以發(fā)現(xiàn)，該技術仍存在一些不足之處，有待于作 進一步深入研究。其中，以下兩方面的問題顯得尤為重要和迫切“2 “： 1 激光相變硬化溫度場數(shù)學模型 激光相變硬化是利用高能激光束掃描零件表面，引起零件表層材料發(fā) 生急劇溫度變化從而實現(xiàn)材料的相變硬化。零件內(nèi)溫度場分布狀況對相變 硬化結果具有決定性影響。因此，建立準確的溫度場數(shù)學模型，對激光相 變硬化結果的預測與控制具有十分重要的意義，也一直是該領域的研究熱 點。在已建立的各種數(shù)學模型中，為大多數(shù)學者所接受的是移動激光束掃 描下零件內(nèi)部三維瞬態(tài)溫度場分布模型。相對于其它數(shù)學模型，該數(shù)學模 型與實際情況比較吻合，但仍不能準確反映激光束掃描進出端邊界的實際 溫度場和硬化層分布情況，預測進出端邊界與其它部位處的硬化效果所存 在的顯著差異，從而采取切實有效的工藝方法提高硬化質(zhì)量。 2 激光相變硬化應用軟件 盡管激光相變硬化技術是一項較為成熟的高新技術，但在其推廣應用 方面，無論是深度還是廣度，都還很不夠。究其原因，除了受傳統(tǒng)熱處理 理念的束縛、激光加工設備的昂貴、技術人員的素質(zhì)要求較高、宣傳推廣 的力度不足等方面因素外，缺乏集激光相變硬化工藝、加工結果預測、工 藝參數(shù)優(yōu)化、數(shù)控技術、自動編程、通訊技術于體的通用性較強的激光 相交硬化應用軟件，以降低對加工操作人員的技能要求、減少工前試驗時 間、保證零件加工質(zhì)量、提高激光加工效率，不能不說是一個重要原因。 根據(jù)現(xiàn)有資料可知，目前國內(nèi)尚無這方面研究成果的報導。國外雖已有學 者研制出一個激光相變硬化應用軟件，但由于所采用的溫度場數(shù)學模型過 于簡單，還無法給出硬化層分布的全部參數(shù)，無法模擬相變硬化層的分布， 也無法根據(jù)給定的層深要求優(yōu)化激光工藝參數(shù)，因而在功能上比較欠缺， 實用價值不高。 1 3 課題的來源 本課題來自上海市高等學?？茖W技術發(fā)展基金項目計算機輔助激光 相變硬化預測與控制及其應用軟件的開發(fā)，該項目的主要研究內(nèi)容是：在 上海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 建立較完善的激光相變硬化溫度場數(shù)學模型和開發(fā)相應的通用性較強的應 用軟件這兩個方面開展重點研究，開發(fā)適用于激光相變硬化預測與控制的 計算機應用軟件。 該軟件具有的功能有：( 1 ) 對于常用金屬材料，建立激光相變硬化處 理數(shù)據(jù)庫，避免大量的重復實驗，保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性；( 2 ) 根 據(jù)給定的層深要求，能自動確定最佳的激光掃描參數(shù)，獲得理想的硬化效 果；( 3 ) 根據(jù)給定的掃描參數(shù)，能迅速、準確地計算硬化層相關參數(shù)，模 擬顯示硬化層分布；( 4 ) 對不同參數(shù)工件的激光相變硬化效果實現(xiàn)自動模 擬和優(yōu)化。 1 4 本文研究內(nèi)容 激光相變硬化的兩項主要指標是表面硬度和硬化層深，它們都與激光 工藝參數(shù)有著密切的關系。在實驗時，為了獲得預期的硬化效果，往往需 要不斷地對參數(shù)值進行調(diào)整，經(jīng)過嘗試多種組合以獲取一組比較合適的工 藝參數(shù)。這種方法雖然可行，但其工作量之大是顯而易見的。另外，在試 驗時對于工藝參數(shù)的選取也主要靠經(jīng)驗和主觀的推理判斷，試驗的結果受 到了除工藝參數(shù)以外的很多因素的影響。因此開發(fā)一套對工藝參數(shù)的選取 具有輔助作用和對硬化效果具有預測功能的系統(tǒng)是非常有意義的。 本文的主要工作是： ( 1 ) 研究激光相變硬化工藝參數(shù)( 激光功率和掃描速度等) 對工件橫 截面相變硬化層形狀及層深的影響規(guī)律及其優(yōu)化方法。 ( 2 ) 研究激光相變硬化工藝參數(shù)( 激光功率和掃描速度等) 對工件縱 截面相變硬化層分布均勻性及層深的影響規(guī)律及其優(yōu)化方法。 ( 3 ) 開發(fā)出基于w i n d o w s 環(huán)境下以硬化層分布均勻性為目標的激光相 變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化模型及應用軟件。 上海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 第2 章激光相變硬化 2 1 激光相變硬化原理、特點及適用范圍 2 1 1 激光相變硬化原理 激光相變硬化是激光熱處理技術中研究最多并獲得應用最多的技術， 與傳統(tǒng)熱處理相比有顯著質(zhì)量提高和經(jīng)濟效益。 當激光功率密度為1 03 1 0 6 w e 礦時，以1 03 1 06 c s 加熱速度把金 屬表面加熱到僅低于熔點的臨界轉(zhuǎn)變溫度，其表面迅速奧氏體化，然后急 速白冷淬火，冷卻速度可達1 7 1 0 4 c s ，金屬表面迅速被強化，這就是 激光相變硬化“1 。 激光加熱相變完成時間很短，同時加熱區(qū)的溫度梯度很大，因而金屬 材料中碳化物的溶解和溶入奧氏體中的碳以及合金元素擴散再分布的情 況，在激光加熱區(qū)不同部位之間有很大的差異，即導致奧氏體成分的不均 勻性。激光快速加熱相變的極大過熱度造成相變驅(qū)動力很大，使奧氏體的 形核數(shù)目增多，短時間內(nèi)完成相變又使得相變形核的臨界半徑很小，既可 在原品界和亞晶界形核，也可在相界面和其他晶體缺陷處形核。 同時，瞬間加熱后的急冷使得超細晶奧氏體來不及長大，因而激光相 變的產(chǎn)物必將獲得超細的晶粒度和相變組織。激光相變硬化后的馬氏體組 織形態(tài)一般為極細的板條馬氏體和孿晶馬氏體。其中，板條馬氏體比常規(guī) 熱處理多，這種組織中的位錯密度相當高，且隨著功率密度的增加，平均 位錯密度也增加，板條馬氏體為位錯胞狀亞結構。同樣由于快熱快冷的原 因，使得激光相變硬化后的殘余奧氏體量增加，碳在奧氏體中的含量由于 來不及擴散而滯留，隨著奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，獲得高碳馬氏體，從而 提高了硬度。 由于激光相變硬化過程中很大的過熱度和過冷度使得淬硬層的晶粒極 細、位錯密度極高且在表層形成壓應力，進而可以大大提高工件的耐磨性、 抗疲勞、抗氧化等性能，延長工件的使用壽命。 上海海事太學碩士學位論文基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 2 1 2 激光相變硬化特點 激光相變硬化后的金屬中存在的相和組織組成物與一般表面淬火相 同，馬氏體、滲碳體( 碳化物) 、殘余奧氏體n 。以鋼為例，由于激光加 熱時使各層所能達到的溫度有所不同，所以，激光作用區(qū)具有層狀結構。 通常其組織結構有兩層：第一層為相變硬化區(qū)，它的下邊界決定于加熱到 爿。溫度，由于不同點的溫度不同，所以此層中有的得到充分淬火，也有的 不能充分淬火，因此該層的特點是沿深度方向上組織很不均勻：表面處有 馬氏體和殘留奧氏體，它來自均勻奧氏體的冷卻，但靠近原始金屬基體處 其組織來自不均勻奧氏體的冷卻。因此，此處除馬氏體外，還有原始組織： 亞共析鋼中的鐵素體或過共析鋼中的滲碳體。第二層為過渡區(qū)，其加熱溫 度在a ，a 。之間，在冷卻后形成。這層組織的組成主要是馬氏體和原始 組織。 金屬材料經(jīng)激光淬火處理后可以獲得高于常規(guī)淬火2 0 的超高硬度。 近年來，國內(nèi)外眾多學者對激光相變硬化機理進行了廣泛深入研究，提出 了多種觀點，雖然目前尚無一致的見解，但是一般認為激光相變硬化所獲 得的超高硬度是由多種因素綜合強化的結果“。激光相變硬化本質(zhì)上仍為 馬氏體相變硬化，馬氏體相變硬化對高硬度的獲得起決定作用，其硬度效 應可占總的6 0 以上。馬氏體的硬度取決于馬氏體中的碳含量而和合金元 素的關系不大。由激光加熱的特點可知，其奧氏體化溫度大大高于常規(guī)淬 火，此時奧氏體碳含量將遠遠高于常規(guī)淬火時的碳含量。通過x 射線衍射 分析得出g c r l5 鋼激光淬火處理后馬氏體含碳量約為0 9 ，而常規(guī)淬火時 約為0 5 。其他強化因素如組織細化、固溶強化、殘余應力等的作用也不 容忽略。 激光相變硬化與常規(guī)硬化處理工藝比較，其發(fā)展歷史很短，但從已取 得的效果來看，激光相變硬化具有很多獨特的優(yōu)點”： ( 1 ) 由于加工速度極快，可使工件表層組織達到超細化，淬火后其硬 度、耐磨性、疲勞強度顯著高于常規(guī)淬火處理。 ( 2 ) 應力畸變極小，淬火部位及淬硬層深度均可精確控制。但是硬化 層深度較淺，一般在1 刪以下。 ( 3 ) 由于是自冷淬硬，工件表面光潔，無須再行加工。 ( 4 ) 能對工件的拐角、溝槽、盲孔底部、深孔、長孔內(nèi)壁等部位，只 上海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 要激光能夠照射到，均可進行淬火硬化。 ( 5 ) 生產(chǎn)效率高、成本低，可實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。 2 1 3 激光相變硬化適用范圍 激光相變硬化是一種局部的表面處理方法，盡管與其他一些表面處理 方法和常規(guī)處理方法比較，有其獨特的優(yōu)點，但是激光相變硬化也有其局 限性和弱點。 可進行激光相變硬化的零件按照形狀分類如下： ( 1 ) 平面類零件。這類零件主要包括各類導軌、刀片、葉片以及板狀 零件等，主要提高硬度、耐磨性、紅硬性及抗疲勞性。 ( 2 ) 圓環(huán)類零件。這類零件包括活塞環(huán)、汽缸漲圈、油封座、進氣門、 各類軸承環(huán)等，這類零件以提高硬度和耐磨性為目的。 ( 3 ) 套筒類零件。主要有汽車、拖拉機、船舶等發(fā)動機缸套或缸體、 氣閥導管、各類襯套和各類泵筒等。這類零件主要以提高內(nèi)表面的硬度和 耐磨性為目的。 ( 4 ) 軸類零件。這類零件主要是各種軸類、長桿導柱等，在其軸面或 軸肩處進行激光相變硬化處理可提高硬度和耐磨性。 ( 5 ) 異形類零件。這類零件品種較多，如齒輪、模具、刀具、離合器 連接件、花鍵套等。這類零件的處理部位多數(shù)是曲線或小局部面積，也是 以提高硬度和耐磨性為主要目的。 ， 可進行激光相變硬化的零件按照材料分類主要包括鑄鐵、碳鋼、低合 金高強度鋼、工具鋼、不銹鋼等。 2 2 激光相變硬化工藝 2 2 1 工件的預處理 激光相變硬化主要用于處理鐵基材料的工件或試樣，所以在利用激光 對金屬材料進行熱處理時，需要采取一定的措施提高工件表面對光能的吸 收率。通常采用磷化處理、覆蓋涂層處理、布儒斯特吸收和應用輔助激光 上海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 照射等方法。其中，前兩者應用較為廣泛“”，。 1 、磷化 磷化是一種通過化學或電化學反應在工件表面形成磷酸鹽化學轉(zhuǎn)化膜 的過程，所形成的磷酸鹽化學轉(zhuǎn)化膜稱之為磷化膜，這些磷化膜的組成包 括磷酸錳、磷酸鋅、磷酸鐵等。形成磷化膜的目的是提高金屬表面的能量 吸收率，可達8 0 左右。 鋼鐵的磷化處理工序為：將磷酸鹽配成一定濃度的溶液，在一定溫度 下將工件置于其中浸泡一定時間后，在工件表面就能生成一定厚度的磷化 膜。磷化層的粒度可粗可細，粒度的粗細可以通過控制溶液的濃度、溫度 和浸泡時間來達到。其工藝簡單，成本低，生產(chǎn)效率高，對零件尺寸改變 小，形成的磷化膜均勻細致，得到了相對廣泛的應用，適用于大量生產(chǎn)的 場合。但是磷化處理也會帶來一些缺陷：磷化后的工件激光處理后，在表 面會出現(xiàn)微裂紋；磷化表面經(jīng)激光處理后工件表面粗糙度增加，以增加 0 9 7 2 5 5 o n ；并且對于某些工件，由于使用環(huán)境的限制，在激光相變硬 化處理后，必須要將涂層清洗或去除干凈，但是磷化膜的去除非常困難。 2 、覆蓋涂層法 覆蓋涂層法是激光處理前在工件表面涂一層能量吸收層，來提高工件 表面的能量吸收率。近年來國內(nèi)外研究人員已經(jīng)開發(fā)研制了提高工件表面 能量吸收率的各種能量吸收層，其中比較有代表性的有黑色涂料和氧化物。 覆蓋涂層法相對于磷化處理的一個顯著優(yōu)點是可以有選擇地在工件表 面覆蓋吸收層，并且涂層的去除較為容易，因此將吸光涂料用于激光淬火 預處理是一種極有前途的方法。但用于大規(guī)模自動化生產(chǎn)需解決如下問題： 尋找合適的吸收涂層；如何使得涂層在待處理表面覆蓋均勻；如何 實現(xiàn)自動化噴涂等問題。 無論是磷化法還是覆蓋涂層法，其本質(zhì)都是在工件表面增加一層能量 吸收層，為了便于對比各吸收層的能量吸收率，表2 一l 給出了部分類型表 面層對1 0 6 p m 波長激光的能量反射率。 表2 1 鋼表面吸收層對c 0 ：激光反射率的典型值 砂紙打磨噴砂 表面層磷化處理氧化高溫油漆 石磨二硫化鉬 ( i 硎j( 5 0 腳) 反射率9 2 72 3 1 05 2 322 7l02 1 8 上海海事大學碩士學位論文基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 2 2 2 激光相變硬化工藝方法 激光相變硬化工藝方法包括以下幾方面內(nèi)容： ( 1 ) 特定零件的特定掃描工藝方法 針對特定零件的掃描工藝，是以實現(xiàn)預期硬化目標為主要目的，針對 零件具體結構、形狀和尺寸，合理制定相應工藝方法。例如齒輪激光相變 硬化的幾種工藝方法：軸向分齒掃描、周向連續(xù)掃描及偏置分段掃描等工 藝。 ( 2 ) 硬化帶形狀的合理分布 這方面的工藝方法包括：為得到表面硬度分布均勻的硬化帶，確定合 適的搭接量；為了改善潤滑效果、提高耐磨性，而合理設計硬化面積以及 硬化帶分布形式，例如螺旋型、正弦曲線型掃描軌跡等。 總之激光相變硬化工藝方法與零件類型、工作條件以及設備條件與性 能等直接相關，形式多樣，在加工時視情況而定。 2 2 3 激光相變硬化工藝參數(shù) 在激光相變硬化過程中，影響激光相變硬化效果的因素大體可歸納為 三大類即：激光器件的影響、基體材料及原始狀態(tài)的影響、硬化過程工藝 參數(shù)的影響。激光器件的影響主要包括激光束模式、模式穩(wěn)定性、光斑形 狀、光斑能量密度分布狀態(tài)、波長、輸出功率的穩(wěn)定性等?；w材料及原 始狀態(tài)的影響主要包括基體材料的化學成分、幾何形狀、幾何尺寸、表面 狀態(tài)和原始組織等。工藝參數(shù)的影響主要包括光斑尺寸、激光功率、掃描 速度、掃描方式及表面預處理狀態(tài)等。 激光相變硬化工藝參數(shù)主要是激光器輸出功率、掃描速度和作用在材 料表面上的光斑尺寸，三者的綜合作用直接反映了硬化過程的溫度及其保 溫時間。激光相變硬化層深度與三個主要參數(shù)的關系為： 激光相變硬化層深度( h ) 。c 死麗素等考 ( 2 - 1 ) 從式( 2 1 ) 可以看出：激光相變硬化層深正比于激光功率，反比于光 斑尺寸和掃描速度。作用于材料表面的功率密度和照射時問是影響激光相 變硬化質(zhì)量的決定因素，三個參數(shù)可相互補償，經(jīng)適當?shù)倪x擇和調(diào)整可獲 上海海事大學碩士學位論文基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 得相近的硬化效果。 激光功率密度取決于激光器輸出的激光作用于材料表面的有效功率和 光斑尺寸的大小”，光斑尺寸的大小是由調(diào)整聚焦鏡至材料表面的距離而 獲得的光斑面積尺寸。激光功率密度等于平均光斑面積上的激光功率，即 q o = p a ，因此在制定激光相變硬化工藝參數(shù)時，必須首先確定三個參數(shù)， 即：激光功率、光斑尺寸和掃描速度。 表2 - 2 幾種常用材料連續(xù)激光淬火工藝參數(shù)及其結果 激光功率掃描速度硬化深度硬度 材料 金相組織 各注 ( w )( m 州j )( m m )( h v ) 板條馬氏體+ 少量針狀馬涂料：碳素 2 07 0 019o 34 7 6 8 氏體墨汁 預處理：磷 4 5l o o o14 7o 4 577 0 8細針狀馬氏體 化 t l o5 0 q3 i0 6 58 4 l隱針馬氏體+ f e ，c 涂料：碳素 t l o a12 0 0l o 9o 3 89 2 6 隱晶馬氏體 墨汁 板條馬氏體和片狀馬氏體 4 0 c r1 0 0 01 80 2 8 o 6 77 0 7 7 6 混合組織 細針狀馬氏體和隱晶馬氏 4 2 c r m o1 5 266 0 2 02 16 4 2 8 3 0 體 2 0 c r m n t i1 0 0 02 50 3 2 4 0 3 94 6 2 5 35 涂料：碳索 g c r l 5 l2 0 0l g0 4 59 4 l隱晶馬氏體 墨汁 9 s i c r1 0 0 015o 1 5 6 o 2 7 6 577 9 1 5 表層粗馬氏體，底層隱針 5 0 c r v( 1 5 0 03 2 3 4 7 20 35 04 7 6 6 5 6 7 h r e 馬氏體 淬火組織，芯部原始晶粒 w 1 8 c r 4 v1 0 0 0150 5 189 27 10 0 0變?yōu)閘0 級，淬火層的晶粒 宦1 1 l2 級，馬氏體變細 ( 1 ) 激光功率。在激光相變硬化過程中，當其他條件一定時，激光功 率越大，所獲得的硬化層深就越深。 上海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 ( 2 ) 光斑大小。光斑尺寸的大小靠調(diào)整離焦量而獲得，因而在工作中 也以離焦量作為工藝參數(shù)，光斑尺寸的大小直接影響硬化層的帶寬。同時 在相同激光功率和掃描速度條件下，光斑尺寸越大，功率密度越低，硬化 層就越淺。反之，光斑尺寸越小，功率密度越高，硬化層就越深。 ( 3 ) 掃描速度。掃描速度直接反映激光束在材料表面上的作用時間， 在激光功率密度一定和其他條件相同時，掃描速度越低，激光在材料表面 上作用的時間就越長，溫度就越高，材料表面就易熔化，硬化層深就越大。 反之，掃描速度越快，硬化層就越薄。 綜合上述影響因素，在確定激光相變硬化工藝參數(shù)時，首先要分析被 加工零件的材料特性、使用條件等，以便明確技術條件、產(chǎn)品質(zhì)量要求， 從而決定硬化工藝種類和硬化層的硬度、深度、寬度，并由此考慮選用寬 帶或窄帶激光以及激光掃描的圖形和位置等。其次，根據(jù)工件的形狀、特 點，憑借經(jīng)驗預定工藝參數(shù)，通過試驗得出符合產(chǎn)品要求的最佳工藝。在 確定工藝參數(shù)時不應忽略表面預處理的影響，同時也要考慮工藝的可操作 性、生產(chǎn)效率及經(jīng)濟效益。表2 2 列出了幾種常用材料連續(xù)激光淬火工藝 參數(shù)及其結果。 2 3 激光相變硬化的基礎設備 激光表面淬火的基礎設備，主要指激光器、加工機床、導光聚焦系統(tǒng) 等。經(jīng)過三十多年的迅速發(fā)展，目前激光器種類繁多，并且還在不斷地涌 現(xiàn)新的激光器。但是，適用于激光表面淬火的激光器，當前主要還是高功 率c o ：激光器。c o ：激光器由c k n p a t e l 于1 9 6 4 年研究成功，當初它 的功率只有l(wèi) m w , 效率只有0 0 0 0 1 ，是不起眼的器件。但是它很快獲得顯 著的發(fā)展，研制了各種型號，且功率和效率都增大了?，F(xiàn)在能生產(chǎn)功率為 9 0 k y 、效率超過1 0 的c 0 。激光器。c o 。是三原子分子，其結構為中間有一 個碳原子，兩邊各有一個氧原子。這種分子當放電產(chǎn)生電子的碰撞而提供 能量時，就被激發(fā)而振動。所謂的c 0 。激光器并不是說振蕩器內(nèi)只有c o 。， 而是c o ：、n ：和h e 的混合氣體。n ：和h e 這兩種氣體，它們起的是激勵c 0 。 的作用，使得功率顯著增加。通常這三種氣體的比例為3 1 0 、l0 4 0 、 8 7 5 0 ，h e 量最多。 c o ：激光器的特點主要有： 上海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 ( 1 ) 高功率： ( 2 ) 高效率； ( 3 ) 高光束質(zhì)量。 這些特點都是激光相變硬化時所需要的。c 0 ：激光器發(fā)射出的激光波長 為1 0 6 朋，輸出方式為連續(xù)和脈沖。一般廣泛應用于材料的表面改性加 工領域，如激光相變硬化、激光表面熔覆等。 若要完成激光加工操作，必須要有激光束與被加工工件之間的相對運 動。在這一過程中不但要求光斑相對工件按要求的軌跡運動，而且要求 自始至終激光光軸垂直被加工表面。這就必須要有加工機床的存在。加工 機床按用途可分為通用加工機和專用加工機，前者用途面很廣，能完成的 各種動作較多；后者則針對某類特定加工對象而設計制造的設備。 導光聚焦系統(tǒng)簡稱導光系統(tǒng)，它是將激光束傳輸?shù)焦ぜ患庸げ课坏?設備。根據(jù)加工工件的形狀、尺寸圾性能要求，經(jīng)激光束功率測量及反饋 控制、光束傳輸、放大、整形、聚焦，通過可見光同軸瞄準系統(tǒng)，將被加 工部位找準，實現(xiàn)各種類型的激光精細加工。導光系統(tǒng)主要包括：光束質(zhì) 量監(jiān)控設備、光閘系統(tǒng)、擴束望遠鏡，可見光同軸瞄準系統(tǒng)、光傳輸轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)。 本文實驗基于上海海事大學激光應用研究室的千瓦級激光加工系統(tǒng)。 所用的激光器為h j 一2 0 0 0 型激光器，最大功率2 千瓦，配備聚焦鏡、寬帶 組合鏡及轉(zhuǎn)鏡等多種光束處理系統(tǒng)，可滿足不同的加工需要。 2 4 激光相變硬化的應用和研究現(xiàn)狀 正是由于激光相變硬化在金屬加工方面的諸多優(yōu)點，使得它成為了一 種新興材料表面處理技術，尤其是進入二十世紀8 0 年代以后，大功率工業(yè) 激光器和輔助設備的制造技術日益提高，各種激光表面處理技術逐漸成熟， 使得這種技術的工業(yè)應用和深入研究日益活躍和廣泛”“6 ” 23 。其應用涉 及交通運輸、紡織機械、重型機械、精密儀器的制造等；處理的零件種類 包括汽車、摩托車和輪船等的發(fā)動機氣缸體( 套) 內(nèi)壁、曲軸、凸輪軸、 轉(zhuǎn)向器殼體、齒輪、機床導軌，油管螺紋，刀具刃口等，在諸多的應用中， 尤以在汽車制造業(yè)內(nèi)的應用最為活躍，創(chuàng)造的經(jīng)濟價值最大。在許多汽車 關鍵件上，如缸體，缸套、曲軸、凸輪軸、排氣閥、閥座、搖臂、鋁活塞 上海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 環(huán)槽等幾乎都可以采用激光熱處理。 在國外，早在1 9 7 4 年美國通用汽車公司就開始采用激光相變硬化技術 處理汽車轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)腔( 可鍛鑄鐵) ，并且于二十世紀8 0 年代建成17 條激光表面相變處理生產(chǎn)線，日處理3 3 0 0 0 件，耐磨性較原工藝提高近1 0 倍；意大利菲亞特公司采用h p l l o 型激光器處理發(fā)動機氣缸內(nèi)壁，取消了 缸套，降低了油耗，節(jié)省了成本；德國奧格斯保一紐倫堡機械制造有限公 司所建立的激光相變硬化生產(chǎn)線，對大型發(fā)動機缸套進行激光相變硬化， 硬化帶有交叉網(wǎng)紋式、螺旋式和正弦波式，大大提高缸套耐磨性：除此以 外還有日本豐田公司、美國的福特公司等，也相繼將激光表面強化技術應 用到汽車制造業(yè)中。 激光技術在我國雖然起步較晚，但發(fā)展態(tài)勢迅猛，國內(nèi)目前將激光淬 火技術應用于汽車加工等的單位也不少，其中影響較大的有：( 1 ) 西安內(nèi) 燃機配件廠采用國產(chǎn)1 2 k wc o ：激光處理設備處理汽車與拖拉機缸套，結 果使用壽命提高約4 0 ，成本降低2 0 ，使汽車缸套大修期由1 0 1 5 萬蛔 達到3 0 萬斤用；拖拉機缸套的使用壽命達到8 0 0 0h 以上；( 2 ) 北京內(nèi)燃機 集團和大恒公司等單位合作建有年處理約數(shù)萬臺發(fā)動機缸體的c 0 。激光熱 處理生產(chǎn)線，提高了生產(chǎn)效率；( 3 ) 大連機車車輛廠于19 9 5 年10 月建成 我國的第一條c 型缸套激光處理生產(chǎn)線，該廠還擁有用于機車曲軸、缸套、 立簧片的激光熱處理生產(chǎn)線；( 4 ) 長春一汽集團建立有自己的熱處理生產(chǎn) 線，對c a l 4 1 汽車發(fā)動機氣缸體進行處理，取消了缸套、大修里程提高到 2 0 l o5 蛔；( 5 ) 青島中發(fā)激光技術有限公司采用激光網(wǎng)格工藝加工發(fā)動機 缸孔，曲軸等零件表面，壽命提高3 5 倍；( 6 ) 中國第一汽車制造廠采用 2 c o 。激光處理器處理2 3 5 1 組合機鑲鋼導軌，結果耐磨性、硬度遠高 于高頻淬火的h t 2 0 0 灰鑄鐵。 實際上國內(nèi)目前應用激光熱處理生產(chǎn)線提高本企業(yè)產(chǎn)品性能的單位遠 不止上述幾家，全國各地幾乎都有不同規(guī)模的激光加工中一t z , ，為各行業(yè)機 器零件進行激光熱處理。 就激光相變硬化的研究領域而言，其在各個方面都得到了開展，包括 激光淬火強化機理和組織的研究、溫度場及相變硬化區(qū)尺寸的計算、對激 光淬火中光熱轉(zhuǎn)換材料的研究、激光加常規(guī)復合處理、典型零件的相變硬 化工藝研究、激光淬火與計算機輔助等方面。 l 、激光相變硬化的強化機理和組織的研究。重慶大學對g e t l 5 鋼經(jīng)激 光淬火后引起高硬度的原因用光學金相、掃描和透射電鏡、x 光衍射儀、 上海海事大學碩士學位論文 基于硬化層均勻的激光相變硬化工藝參數(shù)優(yōu)化研究 俄歇分析儀及電子探針作了系統(tǒng)的試驗研究，提出g c r l5 鋼激光相變硬化 機理：以馬氏體相變強化為主，馬氏體很細，位錯密度很高；殘余奧 氏體顯著強化；晶粒超細化和碳化物細化及彌散分布；上海工程技術大 學研究了硼鑄鐵的激光熱處理，研究表明：硼鑄鐵經(jīng)激光處理后，磨損值 降低4 5 7 。激光熱處理提高硼鑄鐵耐磨性的原因是激光硬化層的高硬度 及合理的硬度梯度以及局部熔化區(qū)對石墨片割裂的封閉。 2 、激光相變硬化的溫度場及相變硬化區(qū)尺寸的計算。為了實現(xiàn)激光相 變硬化工藝的計算機控制，早日達到實際應用，需要解決兩個問題：快 速計算；減少計算與