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激光束表面改性技术

导读: 激光束和电子束都可提供高能量的直接热源,并应用在许多表面改性技术中。

  激光束和电子束都可提供高能量的直接热源,并应用在许多表面改性技术中。由输入功率所决定的高能束可被用于切割与焊接、表面熔融与合金配制、以及局部热处理上。

  焊接和切割要求功率最大、激光束和电子束的聚焦能力最强,这样才可实现既深又窄的高质量焊缝或切缝。随着高强度能量源的不断问世,这项(表面改性)技术也得到极大程度的发展。

  激光表面热处理

  在各种激光和电子束表面改性技术中,局部表面热处理技术发展最快,商业应用也最广。

  辐射光子的入射与基底材料的电子结构相互作用,这是激光和电子束的加热原理。入射的能量迅速在表层下转换成热量。

  对于激光束而言,表层的深度为几十纳米左右; 对电子束而言,表层的深度约为几微米。具体深度要取决于加速电压的大小,一般在10至100千电子伏特(keV)范围内。电子束处理必须在真空中进行,而激光束则不受此限制,所以在生产操作中具有更多的灵活性。

  "激光"一词表示"受激励发射的光放大产生的辐射"之意。现已开发出三种不同的激光器:钇铝石榴石激光器(Nd:YAG)、二氧化碳激光器(CO2)和受激准分子激光器

  Nd:YAG激光器的工作波长为1.06μm,广泛应用在焊接和钻孔上。CO2激光器在商业应用上的输出功率最大,操作在红外线范围内,通常工作波长为10.6μm。而最新研制成功的受激准分子激光器工作在近紫外线范围内,其波长介于0.193 至0.351μm之间。激光能够被反射,这取决于材料的反射特性及工作波长的长短。

  因此,为了进行有效的激光加热,必须选择能够被工件吸收的波长,或者受照射的工件表面须涂上一层吸光材料。

  激光表面热处理技术通常被应用于钢件或铸铁的机械零件进行局部硬化处理。由于吸收激光能量而产生的热量在整个工件体内进行传导,工件表面局部区域获得快速冷却而转化成马氏体。若热量得到控制以阻止其散失,所以可有选择地使表面局部区域奥氏体化。

  这个处理方法有时被称作激光相变硬化以区别于激光表面熔解现象。激光表面加热处理时没有发生化学变化。激光加热除了可以实现感应淬火和火焰淬火外,还提供了一种可选择性地使铁质材料硬化的有效加工技术。

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