：植，应邀研究者

　　作者：《金属加工（热加工）》周刊，江苏雷射国联陈长军转发

　　目前，随着高精密加工中心（MC）、数控机床（CNC机床）、场效应加工单元（FMC滚珠轴承）等的日益应用领域，对机床零件的加工精度、体积精度保持性及使用寿命明确要求进一步提高，一流的雷射退火等技术的应用领域，可使机床零件（如护木、齿轮、切入点等）的产品质量获得很大提高。

　　雷射退火技术

　　（1）雷射退火（LHT）及其特点

　　随着20世纪70年代中期大功率雷射器的问世并投入工业生产，雷射加工技术获得迅速发展。雷射退火是其中研究最早、应用领域面最广、技术最为成熟的雷射表层助剂技术。图1为雷射退火示意。

　　图1 雷射退火示意

雷射退火，又称雷射化学反应通气，它是以发射率＜104W/cm2的雷射束辐照经后处置的钻孔，从而使钻孔表层以105~106℃/s冷却温度迅速上升至化学反应点以上，在组织机构葛氏体化、葛氏体孔隙未来得及长大的情况下，一旦雷射停止照射，通过基体的自身传热作用迅速冷却（冷却速度可达104~106℃/s），实现尚普托退火，形成表层化学反应通气层。

　　与普通退火相比，雷射退火后淬硬层组织机构细化，延展性普遍提高15%~20%，耐磨操控性提高1~10倍；退火后表层产生约4000MPa的残余压应力，使表层强度及降血脂操控性获得明显改善；由于雷射冷却、退火速度极快，通气层薄（0.3~0.5mm），热影响区小，故退火畸变微小；因自冷退火，无退火冷却介质的污染。

　　（2）雷射退火适用范围

雷射淬火一般来说是对一些不明确要求整体退火，体积精度明确要求较高，或选用其他方法难以处置，以及形状复杂或需进一步提高延展性、耐磨性等操控性的钻孔表层通气处置。

　　（3）雷射退火设备

　　一般来说包括产生雷射束的雷射器（CO2雷射器、YAG雷射器），引导雷射数据传输的导光著眼系统（光闸、可见光固定式瞄准、雷射数据传输及转向、著眼等器），承载钻孔并使其运动的雷射加工机（二维、布季夫的自动或数控加工机床等），以及其他辅助器（屏蔽器、对准器等）。

　　（4）雷射退火金属材料

　　雷射退火常用金属材料见表1。

　　表1 雷射退火常用金属材料

　　（5）表层后处置

为增强钻孔对雷射辐射能量的稀释，在雷射退火前需在其表层形成几层对雷射有较高稀释能力的粘胶，一般选用机械加工或涂布含有各种无腺物质的油漆（如发射率＜1μm细石墨粉+丙烯树脂+云母粉+丙酮；羧酸锰或羧酸锌+羧酸；碳素墨水+羧酸锰）。

　　（6）雷射退火工艺模块（见表2）。

　　表2 雷射退火工艺模块

　　项目

　　明确要求

　　雷射器功率/kW

　　0.1~10

　　光强发射率/（W·cm-2）

　　1000~10000，常用1000~6000

　　扫描速度/（mm·min-1）

　　300~750

　　雷射摆动宽度/ mm

　　5~20

　　雷射射入角度（°）

　　＜45

　　角蕨系数

　　5%~20%

　　（7）三种金属材料雷射退火工艺模块及效用（见表3）。

　　表3 三种金属材料雷射退火工艺模块及效用

　　（8）三种金属材料的雷射退火层组织机构（见表4）。

　　表4 三种金属材料的雷射退火层组织机构

　　（9）雷射退火产品质量明确要求及检测

按GB/T18683—2002《钢铁件雷射表层退火》标准执行。

　　雷射退火技术在机床零件上的应用领域

　　1.数控机床电切入点雷射退火技术应用领域

　　实例数控机床电切入点（见图2），切入点转速8~10×105r/min，金属材料为40Cr钢，一流行调质处置，雷射退火后的安装轴承二处主要表层延展性为52~56HRC。

　　图2 数控机床切入点洛佐韦

　　（1）切入点及随机附带4个待测，待测直径80mm，壁厚20mm，两端压平。在选用CO2雷射器展开雷射通气前，分别在切入点和待测表层上涂布几层特别油漆，以增加对雷射的稀释。

（2）用5kW的CO2满布式雷射器对切入点及待测展开雷射退火，其输出功率P＝1800~2000W，扫描速度v＝5mm/s，机床转速n＝30r/min，扫描宽度2~3.5mm。并选用微机控制退火机床（工作台），配备灵活通用的工装夹具，固定退火钻孔作平行移动、转动或合成运动。图3为机床切入点雷射退火示意。

　　图3 机床切入点雷射退火示意

　　（3）雷射退火化后的切入点及待测检验 淬硬层深度0.5~1.2mm；表层退火延展性60~66HRC；组织机构为最外层极细马氏体+少量残留葛氏体，过渡层马氏体+铁素体+渗碳体，内层为原始组织机构，即回火索氏体。

　　表5为40Cr钢雷射退火与常规退火后相对耐磨性比较。图4为40Cr钢雷射退火与调质处置耐磨性比较。通过结果可知，机床切入点经雷射退火后，切入点磨损量比普通的40Cr钢调质处置的磨量少77%~79%。

表5 40Cr钢雷射退火与常规退火后相对耐磨性比较

　　处置方法

　　延展性HRC

　　相对耐磨性

　　对磨金属材料

　　调质

　　54~60

　　0.98

　　铸铁

　　调质 + 雷射退火

　　60~66

　　1.78

　　铸铁

　　图4 40Cr钢雷射退火与调质处置耐磨性比较

　　2.数控机床镶钢护木的雷射退火技术应用领域

　　实例 数控机床镶钢护木，金属材料为45钢，明确要求雷射退火。

　　（1）预备退火

　　护木经锻造后，展开常规的正火及调质处置，以细化孔隙，改善组织机构结构，降低内应力，并为后续雷射退火做好组织机构准备。

　　（2）雷射退火设备及工艺模块

　　选用国产31.5kW二氧化碳雷射器及雷射加工机床，雷射输出功率P＝900W，光强直径为4mm，离焦量d＝240mm，扫描速度v＝10m/s。

经上述工艺处置后的护木，退火区淬硬层深度为0.58mm，硬化带宽为4.47mm，通气层组织机构为细针状马氏体+部分残留葛氏体，表层延展性为724~797HV0.1，相当于61~64HRC。

　　（3）磨损试验

　　磨损试验结果表明，当雷射扫描退火花纹为45°斜线（与护木棱边成45°斜线，见图5），（棱形）通气面积为40%时，护木耐磨性高。

　　图5 雷射扫描退火花纹示意

　　（4）护木畸变

　　护木选用上述雷射退火花纹、通气面积及雷射退火工艺模块，在如图6所示的机床护木的四个面均展开相同条件的雷射退火处置。雷射退火最大畸变（中间位置）－0.11mm（经低温时效），而整体退火最大畸变（中间位置）0.20mm。结果表明，护木经雷射退火后的畸变远小于整体退火或感应退火。

图6 数控机床护木示意

　　3.机床离合器联结、花键套、磁轭和齿环的雷射退火技术应用领域

　　机床离合器联结、花键套、磁轭和齿环等经雷射退火后，其产品质量明显优于普通盐浴或感应退火，解决了联结爪部工作面延展性低、卡爪内侧畸变大，花键套键侧面延展性低、内孔畸变超差、小孔处开裂，磁轭和齿环渗碳退火畸变大、发生断齿、两者啮合不良、传递力矩不足及发生打滑等缺陷。

　　实例1 电磁离合器联结（见图7），金属材料为45钢，技术明确要求：延展性≥55HRC，淬硬层深度≥0.3mm，爪部直径畸变≤0.1mm，通气面积≥80%。

　　图7 电磁离合器联结

　　（1）工艺流程

　　全部机械加工后，在数控雷射退火机上自动展开六个爪的12个侧面雷射扫描退火。

　　（2）雷射退火工艺

雷射输出功率P＝1000W，透镜焦距f＝350mm，离焦量d＝59mm，扫描速度v＝1000mm/min，生产节拍t＝45s/件。

　　（3）检验结果

　　延展性为57~60HRC，淬硬层深度0.3~0.6mm，直径畸变≤±0.03mm，爪侧面100%淬硬。

　　实例2 花键套（见图8），金属材料为45钢，技术明确要求：延展性≥55HRC，个别点允许≥50HRC，淬硬层深度≥0.3mm，内径畸变≤0.05mm，通气面积≥80%。

　　图8 花键套

　　（1）工艺流程

　　全部机械加工后，在数控雷射退火机上自动展开六个花键的12个侧面雷射扫描退火。

　　（2）雷射退火工艺

雷射输出功率P＝1000W，透镜焦距f＝350mm，离焦量d＝59mm，扫描速度v＝1200mm/min。

　　（3）检验结果

　　延展性为55~63HRC，淬硬层深度0.3~0.5mm，直径畸变为0~0.03mm。

　　实例3机床牙嵌电磁离合器上磁轭及齿环（见图9），金属材料为20、45、20CrMnTi、42CrMo钢，明确要求雷射退火。

　　图9 牙嵌式电磁离合器的磁轭和齿环

　　（1）设备

　　使用雷射退火设备是由数控雷射退火机和CO2雷射器组成。数控雷射退火机使用日本数控系统，退火全过程均由微机控制完成。退火机床最高运动速度为100m/min。

　　雷射器选用满布连续CO2雷射器。输出模式为高阶模，输出额定功率1500W，最大输出功率2000W，输出光强直径为25mm。

　　（2）工装夹具

设计牙嵌电磁离合器上磁轭和齿环工装夹具。

　　1）数控分度转台。由定位控制板、速度控制单元、直流伺服电机与立卧式回转工作台组成。整个加工过程实现了程序化、自动化。

　　2）永磁式卡盘及胎具的设计。为了便于磁轭及齿环的装卡，设计并制造永磁式卡盘。

　　（3）齿环的雷射退火

　　齿环齿高0.6mm，齿顶宽0.8mm，齿底宽0.4mm。为保证齿顶与齿底稀释雷射雷射效率保持一致性，选用冷却喷涂工艺，使齿部雷射退火专用油漆的涂层厚度保持一致。

　　选用雷射圆环形雷射技术，圆环形光强额定直径为8mm，环带额定宽度为2mm，以获得均匀的圆环层深度。

　　针对齿部设计一套环形光强退火通道，避免钻孔表层熔化，缩小齿部两侧冷却的不均匀性，保证齿间齿根部淬硬带的连贯性。

表6为三种金属材料的雷射退火工艺模块与结果。

　　表6 三种金属材料的雷射退火工艺模块与结果

　　注：扫描速度是指雷射退火时钻孔旋转时齿中心的线速度。

　　（4）典型应用领域

　　牙嵌的磁离合器，基体厚度7mm，外径116mm，齿高0.45mm，整个齿宽为8mm，在齿部中间有铜材。原选用高频退火方法，因钻孔较薄（厚度7mm），钻孔畸变较大，最大畸变量达0.5mm，齿部啮合面积仅达到30%，且齿部脆性高、打滑等现象严重，扭矩达不到技术明确要求。

　　改用雷射退火，排除了因铜材与42CrMo钢两种金属材料无腺率不同造成对退火效用的影响，雷射退火后的金相组织机构为针状马氏体和部分板条状马氏体，解决了淬硬层差、齿顶熔化、畸变大等问题，获得了良好的退火效用。

4.齿轮的雷射退火技术应用领域

　　我国从20世纪80年代就开始齿轮雷射退火的研究，同时研制出了多种雷射退火设备，通过多年的发展和成功实践，克服了传统退火的一些缺点，达到齿轮成本与表层高操控性、微畸变的最佳组合，现已成为一项实用并极有发展前景的新型表层强化技术。

　　（1）齿轮雷射设备

　　满布CO2雷射器1台，专用配套冷水机组1套，数控加工机床1台，光路系统1套。图10为齿轮雷射退火。

　　图10 齿轮雷射退火

　　（2）齿轮的雷射退火技术应用领域实例。

　　实例 齿轮，金属材料为30CrMnTi钢，齿面雷射退火后明确要求：齿面畸变小，表层光洁，不需磨齿。

　　1）齿面雷射退火工艺模块（见表7）。

　　表7 齿面雷射退火工艺模块

　　工艺模块

　　强化齿顶部

　　强化齿根部

雷射输出功率/W

　　1000

　　1020

　　光强直径/mm

　　4.2

　　4.2

　　光强移动速度/mm·s-1

　　20

　　20

　　入射角（°）

　　80

　　62

　　透镜焦距/mm

　　112

　　112

　　齿面离焦量/mm

　　8

　　8

　　雷射器真空度/kPa

　　13.33

　　13.33

　　2）检验。齿面雷射退火后，表层组织机构由索氏体转变为细密的针状马氏体，延展性在870HV左右。通气层深度约0.6~0.7mm。齿面接触疲劳极限由退火前的1024MPa提高至1323MPa，强化效用明显。