高功率激光加工技术在冶金行业的应用

　　近二十年来，激光加工技术更是在世界各国工业发展中得到广泛应用，尤其是工业发达国家，已被人们誉为 “未来制造业的共同加工手段”。激光加工技术的出现正促使着目前“电加工时代”向“光加工时代”转变，代表着当前材料加工业的发展方向，当今世界各国都把激光加工技术作为提高生产效率和产品质量、降低成本、增加效益，提高国际竞争力的重要手段。

1 激光加工技术的特点

　　由于激光具有“四高”特性，因此激光加工技术具有其它加工方法所不可比拟的显著特点，主要有：

　　（1）无接触加工，对工件无直接冲击，无机械变形;

　　（2）无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件;

　　（3）激光束能量密度高，加工速度快;局部加工，影响热区小，工件热变形小，后续加工量小;

　　（4）加工方法灵活。激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，极易与数控系统配合、可对复杂工件进行加工;

　　（5）可加工多种金属、非金属;也可加工高硬度、高脆性、高熔点材料;

　　（6）生产效率高，加工质量稳定可靠，经济与社会效益好。

2 高功率激光加工技术及其应用范围

　　高功率激光是指激光器输出功率在2kW以上的激光加工系统，高功率激光加工技术一般包括“激光表面改性技术”和“激光绿色再制造技术”以及激光切割、激光焊接、激光打孔等，本文重点谈谈“激光表面改性技术”和“激光绿色再制造技术”在冶金企业的应用。

　　2.1 激光表面改性技术

　　主要指激光淬火、激光熔凝、激光表面合金化等。该技术主要用于强化零部件的表面，提高金属材料及零部件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和改善高温性能;同时可使零部件心部仍保持较好的韧性，使零部件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。运用激光表面改性技术可以大幅度提高零部件质量，成倍延长使用寿命，已广泛应用于冶金、汽车、军工、船舶、石化、模具、轻工等行业。

　　2.1.1 激光淬火技术：它是利用聚焦后的激光束人射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使受热表层快速冷却到马氏体相变点以下，从而实现工件表面相变硬化，激光淬火可以基本保持工件表面粗糙度不变。

　　2.1.2 激光熔凝强化：则是采用激光熔融金属表面，激光束移开后，熔融的金属直接从液态淬硬为固态，形成表面强化层的工艺。激光熔凝强化的不足之处，在于激光加工后的表面粗糙度有所降低，其降低幅度取决于激光加工工艺参数。激光淬火与熔凝处理的共同特点是不改变材料的成份。

　　2.1.3 激光表面合金化：工艺过程与激光熔覆类似，最大差别在于它添加的合金元素与基材充分混合，共同决定表面层的性能;而激光熔覆则主要利用所添加合金粉末的性能，基材对表面合金化层性能的贡献很小。对于冶金行业轧辊、导位、输送辊、夹送辊、剪刃等大量易损件来说，最大好处是将其整体合金化变成表面合金化或者熔覆，可使轧辊等易损件的使用寿命大幅度提高。

　　2.2 激光绿色再制造技术

　　指激光熔覆修复技术。它能够修复以前大量报废的大型工件，如齿轮轴、电机轴、叶片等。激光加工过程无污染、无三废、属绿色高新加工技术，产生的经济效益明显。

　　激光熔覆修复技术是采用激光束在选定工件表面熔覆一层特殊性能（如耐磨、耐腐蚀、耐疲劳、抗氧化等）的材料，以改善工件表面性能的工艺。与传统的喷焊或者堆焊工艺相比具有以下优点：

　　（1）激光束的能量密度高，只要注入较少的能量就可以完成激光熔覆。零件热影响区小，变形小，因此适合修复一些高精度零件或者对变形要求严格的零件，如风机转子轴、汽轮机转子轴等。

　　（2）激光熔覆层稀释率低，且可以精确控制，熔覆层的成分与性能主要取决于熔覆材料的成份。因此，可以采用各种性能优良的材料对基材表面进行改性;特别是可以采用激光熔覆技术修复一些常规堆焊工艺无法实现的工件，如涡轮发动机叶片、电机主轴等。

　　（3）激光熔覆层组织致密，微观缺陷少，熔覆层与基材为冶金结合，强度高，因此可以用于一些重载条件下零件的表面强化与修复，如大型轧辊扁头、大型齿轮、大型曲轴等零件的修复。