工程材料基础 激光热处理

2024年3月29日发(作者：日湖公园)

激光热处理：

缩写LHT。也称激光淬火或激光相变硬化，是以高能量激光束快速扫描工件，使被照射的金属或合金表面温度以极

快速度升高到相变点以上，激光束离开被照射部位时，由于热传导作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷

淬火，得到较细小的硬化层组织，硬度一般高于常规淬火硬度。

处理过程中工件变形极小，适用于其他淬火技术不能完成或难以实现的某些工件或工件局部部位的表面强化。激光

热处理自动化程度较高，硬化层深度和硬化面积可控性好。该技术主要用于强化汽车零部件或工模具的表面，提高

其表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能等，如汽车发动机缸孔、曲轴、冲压模具、铸造型板等的激光热

处理。激光热处理工艺流程为：预处理（表面清理及预置吸光涂层）激光淬火（确定硬化模型及淬火工艺参数）- 质

量检测（宏观及微观检测）。

中文名

激光热处理

外文名

lar heat treating

说明

是一种表面热处理技术

特点

具有极高的功率密度

应用

摇臂、铝活塞环槽等汽车零件加工

预处理

激光热处理的金属表面一般都经过机械加工，表面粗糙度较小，其对激光的反射率很高。在激光热处理前，应对淬

火表面进行预处理，以提高其吸光率。对处理表面进行除油、除锈、清洗、干燥之后，在表面预置吸光涂层（黑化），

其方法有磷化、喷（刷）涂料、提高表面粗糙度、氧化、镀膜等；涂层要薄，厚度均匀，对激光吸收率高（90%以

上），有良好的热传导性能，与金属附着性好，在一定温度下不分解、不蒸发，淬火后易清洗去除或不需去除就能使

用。

激光淬火

通过分析淬火零件的材料特性、使用条件、服役工况等因素，明确技术条件、产品质量要求，进而选择激光淬火硬

化模型及确定激光淬火工艺参数。同时，也应考虑工艺的可操作性，生产效率及经济效益等。激光束模式分为多模

光束、低阶模光束、基模光束，一般采用多模光束进行激光热处理。

根据单条激光淬火带宽度，激光淬火带形式有窄带和宽带之分；激光淬火带分布类型有直条型、螺旋型、正弦波型、

交叉网格型、圆环型等，可根据需要选择一种或多种复合分布类型进行激光淬火。同时，应确定激光淬火带在淬火

表面的分布位置以及硬化面积比率（激光淬火带总表面积与整个工作面表面积之比）。

激光淬火工艺参数是激光热处理的关键环节。工艺参数主要是激光功率、激光光束扫描速度、聚焦镜焦距、离焦量

（淬火表面与光束焦点的距离）。淬火表面吸收的能量取决于激光功率；激光束对淬火表面的作用时间取决于扫描

速度；光斑尺寸取决于聚焦镜焦距和离焦量；激光功率密度取决于激光功率和光斑尺寸。一般激光功率增加，淬火

层深度增加；扫描速度增加，淬火层深度减少；离焦量增加，光斑尺寸增加，在一定范围内，淬火层宽度增加。

激光淬火质量检测

激光热处理过程中，激光束停止扫描后，随时用肉眼或低倍放大镜观察激光淬火带表面状态，宏观判断淬火带表面

质量。微观分析应取淬火带横截面为观察面，用金相显微镜，在放大100倍下检测淬火硬化层深度（mm）和宽度

（mm）。激光淬火硬化层深度一般在1mm以下。钢铁材料激光淬火金相组织主要为马氏体。应采用显微硬度法检

测淬火层硬度，根据样品的性质、厚度及淬火层深度选择负荷值。

技术特点

激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法，它可以对金属实现相变硬化（或称作表面淬火、

表面非晶化、表面重熔粹火）、表面合金化等表面改性处理，产生用其大表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的

改变。经激光处理后，铸铁表面硬度可以达到HRC60度以上，中碳及高碳的碳钢，表面硬度可达HRC70度以上,从

而提高起抗磨性,抗疲劳,耐腐蚀,抗氧化等性能,延长其使用寿命.激光热处理技术与其它热处理如高频淬火,渗碳,渗氮

等传统工艺相比,具有以下特点:

1.无需使用外加材料,仅改变被处理材料表面的组织结构.处理后的改性层具有足够的厚度,可根据需要调整深浅

一般可达0.1-0.8mm .

2.处理层和基体结合强度高.激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合,而且处理层表面是致密

的冶金组织,具有较高的硬度和耐磨性.

3.被处理件变形极小，由于激光功率密度高，与零件的作用时间很短（10-2-10秒），故零件的热变形区和整体

变化都很小。故适合于高精度零件处理，作为材料和零件的最后处理工序。

4．加工柔性好，适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部分，从而可方便地处理深孔、内孔、

盲孔和凹槽等，可进行选择性的局部处理。

激光热处理的应用

由于激光热处理有相当明显的优点，解决了传统金属热处理不能解决或不容易解决的技术难题，在国内外受到高度

重视，激光热处理得到迅速的发展。大功率CO2激光器从70年代起发展很快，先进的工业国家大功率CO2激光器

已产品化、系列化。我国从“七五”以后相继研制成功了千瓦级万瓦级大功率CO2多模激光器。随着大功率激光器

的发展，用激光就可以实现各种形式的表面处理。它是引起材料组织结构变化的冶金过程，其加热时间在10-3s~10-

7s的范围内，功率密度为每平方毫米大于0.1kw。它的应用极为广泛，几乎一切金属表面热处理都可以应用。应用

比较多的有汽车、冶金、石油、重型机械、农业机械等存在严重磨损的机器行业，以及航天、航空等高技术产品。

激光热处理在汽车行业应用极为广泛，在许多汽车关键件上，如：缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、派启发、阀座、摇

臂、铝活塞环槽等几乎都可以采用激光热处理。例如：美国通用汽车公司用十几台千瓦级CO2激光器，对换向器壳

内壁局部硬化，日产3万套，提高工效四倍。我国采用大功率CO2激光器对汽车发动机进行缸孔强化处理，可延长

发动机大修里程到15万公里以上，一台汽缸等于三台不经处理的汽缸。

技术的发展

激光热处理在大型机车制造业已被采用，大大提高了机车寿命，主要是机车大型曲轴的激光热处理和机车柴油机缸

套和机车主簧片的激光热处理。它们的模具制造工艺复杂，精度要求高，形状各异，应用广泛，但往往因模具的寿

命短而加大了成本，返修也很困难。用激光对模具表面进行热处理，已逐渐被认识和被采用，可成倍的提高模具的

寿命，又不受形状和尺寸的限制。激光热处理过的曲轴由于激光热处理越来越显示其优越性，各种大功率CO2激光

热处理不断问世。有些大型企业不惜代价引进国外先进设备，如大连机车车辆厂引进德国6000W CO2激光器由于大

型曲轴热处理生产线等。与此同时，国产大功率CO2激光热处理设备销售每年也成倍增长，激光热处理生产线在各

地相继发展起来。比较成功的例子有大连机车车辆厂由于机车曲轴、缸套、立簧片的激光热处理生产线；西安内燃

机厂柴油机缸套激光热处理生产线；北京内燃机及首都汽车公司的汽车发动机缸套激光热处理生产线；长春第一汽

车制造厂激光热处理生产线。同时全国各地建立了不同规模的激光加工中心。