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第二节 激光热处理及其组织和性能 一、 激光热处理的特点 激光热处理是在七十年代出现了大功率激光器以后才开始研究的新技术。由于激光热处理可以获得 其它热处理技术所不能达到的效果,因而对它的研究应用日益广泛和深入。激光热处理就是以激光作为热 源的热处理。将激光束扫描至零件表面上，其红外能量被零件表面吸收而迅速形成极高的温度，可使金 属产生相变甚至熔化。随着激光束离开零件面，其表面的热量迅速向内部传递而形成极高的冷却速度， 而使零件表面硬化。 激光热处理与常规热处理比较具有以下优点： （1）加热快，工件热变形小。因激光功率密度高, 半秒钟内就可将工件表面从室温加热到淬火温度或熔 点，因而热影响区小，热变形极小。这样不仅节省能源, 并且工件表面清洁, 处理后无需修磨, 可在零 件精加工后作为最后一道工序。 （2）可对形状复杂的工件或其局部进行热处理，如盲孔、小孔、小槽、薄壁零件等。也可根据需要在同 一零件的不同部位进行相应的处理。还可对价廉的零件表面进行高级金属的局部熔覆或合金化。 （3）通用性强。由于激光焦距大，在离焦点75毫米左右的范围内功率密度基本相同。因此，激光热处理 对工件尺寸大小及表面是否平整均无严格的限制。用一台带光学系统的激光器可以处理不同形状和各种 尺寸的工件，而通常此类工件对变形非常敏感，常规热处理无法满足。 （4）生产率高，操作简单，便于实现自动化生产。生产重复性好，质量稳定可靠，并可纳入流水线。 （5）无需处理介质, 有利于环境保护。基本不产生氧化，必要时又可使零件在特殊气氛（例如真空）中 进行处理。 上述的优点是某些先进的热处理工艺难以达到的。但是激光热处理的弱点是：它只是一种表面处理 方法，无法善零件芯部性能。处理层太薄，不能用于重负荷零件，也不适用于大型零件。 激光热处理设备 激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体等几种类型： （ 1 ）固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。如：Nd:YAG激光器。Nd（钕） 是一种稀土族元素，YAG代表钇铝石榴石，晶体结构与红宝石相似。 （ 2 ）气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气体激 光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激 光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。 （ 3 ）以液体染料为工作物质的染料激光器于 1966 年问世，广泛应用于各种科学研究领域。现在已发 现的能产生激光的染料，大约在 500 种左右。这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它们 还可以包含在有机塑料中以固态出现，或升华为蒸汽，以气态形式出现。所以染料激光器也称为 “液体 激光器”。染料激光器的突出特点是波长连续可调。染料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率 可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。 （ 4 ）半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上 使用。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为 激光能。 （ 5 ）红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单 色性好、相干性好、方向性强。 （ 6 ）X 射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器中具有优势；生物学家用 X 射 线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能；用 X 射线激光拍摄分子结构的照片， 所得 到的生物分子像的对比度很高。 （ 7 ）化学激光器有些化学反应产生足够多的高能原子，就可以释放出大能量，可用来产生激光作用。 （ 8 ）自由电子激光器这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射。它的工作机制与众不同，它 从加速器中获得几千万伏高能调整电子束，经周期磁场，形成不同能态的能级，产生受激辐射。 （ 9 ）准分子激光器、光纤导波激光器等 目前用作材料加工的激光器有五个常用品种：二氧化碳（CO）、钇铝石榴石（YAG）、钕玻璃（Nd:glass）、 2 红宝石及半导体激光器。而在金属材料表面处理的试验研究和工业生产中应用的激光器主要是二氧化碳 激光器和半导体激光器。他们具有输出功率大和能量转换效率高等优点，如现有CO2激光器的最大功率为 30千瓦，能量