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　　：植，應邀研究者

　　作者：《金屬加工（熱加工）》周刊，江蘇雷射國聯陳長軍轉發

　　目前，隨著高精密加工中心（MC）、數控機床（CNC機床）、場效應加工單元（FMC滾珠軸承）等的日益應用領域，對機床零件的加工精度、體積精度保持性及使用壽命明確要求進一步提高，一流的雷射退火等技術的應用領域，可使機床零件（如護木、齒輪、切入點等）的產品質量獲得很大提高。

　　雷射退火技術

　　（1）雷射退火（LHT）及其特點

　　隨著20世紀70年代中期大功率雷射器的問世并投入工業生產，雷射加工技術獲得迅速發展。雷射退火是其中研究最早、應用領域面最廣、技術最為成熟的雷射表層助劑技術。圖1為雷射退火示意。

　　圖1 雷射退火示意

雷射退火，又稱雷射化學反應通氣，它是以發射率＜104W/cm2的雷射束輻照經后處置的鉆孔，從而使鉆孔表層以105~106℃/s冷卻溫度迅速上升至化學反應點以上，在組織機構葛氏體化、葛氏體孔隙未來得及長大的情況下，一旦雷射停止照射，通過基體的自身傳熱作用迅速冷卻（冷卻速度可達104~106℃/s），實現尚普托退火，形成表層化學反應通氣層。

　　與普通退火相比，雷射退火后淬硬層組織機構細化，延展性普遍提高15%~20%，耐磨操控性提高1~10倍；退火后表層產生約4000MPa的殘余壓應力，使表層強度及降血脂操控性獲得明顯改善；由于雷射冷卻、退火速度極快，通氣層薄（0.3~0.5mm），熱影響區小，故退火畸變微小；因自冷退火，無退火冷卻介質的污染。

　　（2）雷射退火適用范圍

雷射淬火一般來說是對一些不明確要求整體退火，體積精度明確要求較高，或選用其他方法難以處置，以及形狀復雜或需進一步提高延展性、耐磨性等操控性的鉆孔表層通氣處置。

　　（3）雷射退火設備

　　一般來說包括產生雷射束的雷射器（CO2雷射器、YAG雷射器），引導雷射數據傳輸的導光著眼系統（光閘、可見光固定式瞄準、雷射數據傳輸及轉向、著眼等器），承載鉆孔并使其運動的雷射加工機（二維、布季夫的自動或數控加工機床等），以及其他輔助器（屏蔽器、對準器等）。

　　（4）雷射退火金屬材料

　　雷射退火常用金屬材料見表1。

　　表1 雷射退火常用金屬材料

　　（5）表層后處置

為增強鉆孔對雷射輻射能量的稀釋，在雷射退火前需在其表層形成幾層對雷射有較高稀釋能力的粘膠，一般選用機械加工或涂布含有各種無腺物質的油漆（如發射率＜1μm細石墨粉+丙烯樹脂+云母粉+丙酮；羧酸錳或羧酸鋅+羧酸；碳素墨水+羧酸錳）。

　　（6）雷射退火工藝模塊（見表2）。

　　表2 雷射退火工藝模塊

　　項目

　　明確要求

　　雷射器功率/kW

　　0.1~10

　　光強發射率/（W·cm-2）

　　1000~10000，常用1000~6000

　　掃描速度/（mm·min-1）

　　300~750

　　雷射擺動寬度/ mm

　　5~20

　　雷射射入角度（°）

　　＜45

　　角蕨系數

　　5%~20%

　　（7）三種金屬材料雷射退火工藝模塊及效用（見表3）。

　　表3 三種金屬材料雷射退火工藝模塊及效用

　　（8）三種金屬材料的雷射退火層組織機構（見表4）。

　　表4 三種金屬材料的雷射退火層組織機構

　　（9）雷射退火產品質量明確要求及檢測

按GB/T18683—2002《鋼鐵件雷射表層退火》標準執行。

　　雷射退火技術在機床零件上的應用領域

　　1.數控機床電切入點雷射退火技術應用領域

　　實例數控機床電切入點（見圖2），切入點轉速8~10×105r/min，金屬材料為40Cr鋼，一流行調質處置，雷射退火后的安裝軸承二處主要表層延展性為52~56HRC。

　　圖2 數控機床切入點洛佐韋

　　（1）切入點及隨機附帶4個待測，待測直徑80mm，壁厚20mm，兩端壓平。在選用CO2雷射器展開雷射通氣前，分別在切入點和待測表層上涂布幾層特別油漆，以增加對雷射的稀釋。

（2）用5kW的CO2滿布式雷射器對切入點及待測展開雷射退火，其輸出功率P＝1800~2000W，掃描速度v＝5mm/s，機床轉速n＝30r/min，掃描寬度2~3.5mm。并選用微機控制退火機床（工作臺），配備靈活通用的工裝夾具，固定退火鉆孔作平行移動、轉動或合成運動。圖3為機床切入點雷射退火示意。

　　圖3 機床切入點雷射退火示意

　　（3）雷射退火化后的切入點及待測檢驗 淬硬層深度0.5~1.2mm；表層退火延展性60~66HRC；組織機構為最外層極細馬氏體+少量殘留葛氏體，過渡層馬氏體+鐵素體+滲碳體，內層為原始組織機構，即回火索氏體。

　　表5為40Cr鋼雷射退火與常規退火后相對耐磨性比較。圖4為40Cr鋼雷射退火與調質處置耐磨性比較。通過結果可知，機床切入點經雷射退火后，切入點磨損量比普通的40Cr鋼調質處置的磨量少77%~79%。

表5 40Cr鋼雷射退火與常規退火后相對耐磨性比較

　　處置方法

　　延展性HRC

　　相對耐磨性

　　對磨金屬材料

　　調質

　　54~60

　　0.98

　　鑄鐵

　　調質 + 雷射退火

　　60~66

　　1.78

　　鑄鐵

　　圖4 40Cr鋼雷射退火與調質處置耐磨性比較

　　2.數控機床鑲鋼護木的雷射退火技術應用領域

　　實例 數控機床鑲鋼護木，金屬材料為45鋼，明確要求雷射退火。

　　（1）預備退火

　　護木經鍛造后，展開常規的正火及調質處置，以細化孔隙，改善組織機構結構，降低內應力，并為后續雷射退火做好組織機構準備。

　　（2）雷射退火設備及工藝模塊

　　選用國產31.5kW二氧化碳雷射器及雷射加工機床，雷射輸出功率P＝900W，光強直徑為4mm，離焦量d＝240mm，掃描速度v＝10m/s。

經上述工藝處置后的護木，退火區淬硬層深度為0.58mm，硬化帶寬為4.47mm，通氣層組織機構為細針狀馬氏體+部分殘留葛氏體，表層延展性為724~797HV0.1，相當于61~64HRC。

　　（3）磨損試驗

　　磨損試驗結果表明，當雷射掃描退火花紋為45°斜線（與護木棱邊成45°斜線，見圖5），（棱形）通氣面積為40%時，護木耐磨性高。

　　圖5 雷射掃描退火花紋示意

　　（4）護木畸變

　　護木選用上述雷射退火花紋、通氣面積及雷射退火工藝模塊，在如圖6所示的機床護木的四個面均展開相同條件的雷射退火處置。雷射退火最大畸變（中間位置）－0.11mm（經低溫時效），而整體退火最大畸變（中間位置）0.20mm。結果表明，護木經雷射退火后的畸變遠小于整體退火或感應退火。

圖6 數控機床護木示意

　　3.機床離合器聯結、花鍵套、磁軛和齒環的雷射退火技術應用領域

　　機床離合器聯結、花鍵套、磁軛和齒環等經雷射退火后，其產品質量明顯優于普通鹽浴或感應退火，解決了聯結爪部工作面延展性低、卡爪內側畸變大，花鍵套鍵側面延展性低、內孔畸變超差、小孔處開裂，磁軛和齒環滲碳退火畸變大、發生斷齒、兩者嚙合不良、傳遞力矩不足及發生打滑等缺陷。

　　實例1 電磁離合器聯結（見圖7），金屬材料為45鋼，技術明確要求：延展性≥55HRC，淬硬層深度≥0.3mm，爪部直徑畸變≤0.1mm，通氣面積≥80%。

　　圖7 電磁離合器聯結

　　（1）工藝流程

　　全部機械加工后，在數控雷射退火機上自動展開六個爪的12個側面雷射掃描退火。

　　（2）雷射退火工藝

雷射輸出功率P＝1000W，透鏡焦距f＝350mm，離焦量d＝59mm，掃描速度v＝1000mm/min，生產節拍t＝45s/件。

　　（3）檢驗結果

　　延展性為57~60HRC，淬硬層深度0.3~0.6mm，直徑畸變≤±0.03mm，爪側面100%淬硬。

　　實例2 花鍵套（見圖8），金屬材料為45鋼，技術明確要求：延展性≥55HRC，個別點允許≥50HRC，淬硬層深度≥0.3mm，內徑畸變≤0.05mm，通氣面積≥80%。

　　圖8 花鍵套

　　（1）工藝流程

　　全部機械加工后，在數控雷射退火機上自動展開六個花鍵的12個側面雷射掃描退火。

　　（2）雷射退火工藝

雷射輸出功率P＝1000W，透鏡焦距f＝350mm，離焦量d＝59mm，掃描速度v＝1200mm/min。

　　（3）檢驗結果

　　延展性為55~63HRC，淬硬層深度0.3~0.5mm，直徑畸變為0~0.03mm。

　　實例3機床牙嵌電磁離合器上磁軛及齒環（見圖9），金屬材料為20、45、20CrMnTi、42CrMo鋼，明確要求雷射退火。

　　圖9 牙嵌式電磁離合器的磁軛和齒環

　　（1）設備

　　使用雷射退火設備是由數控雷射退火機和CO2雷射器組成。數控雷射退火機使用日本數控系統，退火全過程均由微機控制完成。退火機床最高運動速度為100m/min。

　　雷射器選用滿布連續CO2雷射器。輸出模式為高階模，輸出額定功率1500W，最大輸出功率2000W，輸出光強直徑為25mm。

　　（2）工裝夾具

設計牙嵌電磁離合器上磁軛和齒環工裝夾具。

　　1）數控分度轉臺。由定位控制板、速度控制單元、直流伺服電機與立臥式回轉工作臺組成。整個加工過程實現了程序化、自動化。

　　2）永磁式卡盤及胎具的設計。為了便于磁軛及齒環的裝卡，設計并制造永磁式卡盤。

　　（3）齒環的雷射退火

　　齒環齒高0.6mm，齒頂寬0.8mm，齒底寬0.4mm。為保證齒頂與齒底稀釋雷射雷射效率保持一致性，選用冷卻噴涂工藝，使齒部雷射退火專用油漆的涂層厚度保持一致。

　　選用雷射圓環形雷射技術，圓環形光強額定直徑為8mm，環帶額定寬度為2mm，以獲得均勻的圓環層深度。

　　針對齒部設計一套環形光強退火通道，避免鉆孔表層熔化，縮小齒部兩側冷卻的不均勻性，保證齒間齒根部淬硬帶的連貫性。

表6為三種金屬材料的雷射退火工藝模塊與結果。

　　表6 三種金屬材料的雷射退火工藝模塊與結果

　　注：掃描速度是指雷射退火時鉆孔旋轉時齒中心的線速度。

　　（4）典型應用領域

　　牙嵌的磁離合器，基體厚度7mm，外徑116mm，齒高0.45mm，整個齒寬為8mm，在齒部中間有銅材。原選用高頻退火方法，因鉆孔較薄（厚度7mm），鉆孔畸變較大，最大畸變量達0.5mm，齒部嚙合面積僅達到30%，且齒部脆性高、打滑等現象嚴重，扭矩達不到技術明確要求。

　　改用雷射退火，排除了因銅材與42CrMo鋼兩種金屬材料無腺率不同造成對退火效用的影響，雷射退火后的金相組織機構為針狀馬氏體和部分板條狀馬氏體，解決了淬硬層差、齒頂熔化、畸變大等問題，獲得了良好的退火效用。

4.齒輪的雷射退火技術應用領域

　　我國從20世紀80年代就開始齒輪雷射退火的研究，同時研制出了多種雷射退火設備，通過多年的發展和成功實踐，克服了傳統退火的一些缺點，達到齒輪成本與表層高操控性、微畸變的最佳組合，現已成為一項實用并極有發展前景的新型表層強化技術。

　　（1）齒輪雷射設備

　　滿布CO2雷射器1臺，專用配套冷水機組1套，數控加工機床1臺，光路系統1套。圖10為齒輪雷射退火。

　　圖10 齒輪雷射退火

　　（2）齒輪的雷射退火技術應用領域實例。

　　實例 齒輪，金屬材料為30CrMnTi鋼，齒面雷射退火后明確要求：齒面畸變小，表層光潔，不需磨齒。

　　1）齒面雷射退火工藝模塊（見表7）。

　　表7 齒面雷射退火工藝模塊

　　工藝模塊

　　強化齒頂部

　　強化齒根部

雷射輸出功率/W

　　1000

　　1020

　　光強直徑/mm

　　4.2

　　4.2

　　光強移動速度/mm·s-1

　　20

　　20

　　入射角（°）

　　80

　　62

　　透鏡焦距/mm

　　112

　　112

　　齒面離焦量/mm

　　8

　　8

　　雷射器真空度/kPa

　　13.33

　　13.33

　　2）檢驗。齒面雷射退火后，表層組織機構由索氏體轉變為細密的針狀馬氏體，延展性在870HV左右。通氣層深度約0.6~0.7mm。齒面接觸疲勞極限由退火前的1024MPa提高至1323MPa，強化效用明顯。