第25卷增 刊 辽宁工程技术大学学报 2006年6月V ol.25 Suppl. Journal of Liaoning Technical University Jun.2006
文章编号：1008-0562(2006)增刊1-0231-03
激光表面处理技术在汽车工业中的应用
迟彩芬
（辽宁工程技术大学 职业技术学院，辽宁 阜新123000）
摘 要：结合激光表面处理技术在汽车零部件表面强化中应用的大量实例，从激光表面处理技术的基本原理和工作特点出发，对其
进行总结和分类。并论述目前激光表面处理技术在国内外汽车工业中的研究、开发和应用，为进一步提高国产发动机的使用寿命提供了一个有效的途径。最后探讨了激光表面处理技术在未来工业中应用的发展趋势和广阔前景。
关键词：激光；表面处理；汽车
中图分类号： TH161 文献标识码： A
Application of laser surface treatment technology in automobile industry
CHI Cai-fen
(Vocational of Liaoning Technical University, Finxin 123000,China)
Abstract ：In the paper , in accordance with the numerous applied examples of laser surface treatment technology in surface intensifying of automobile and the spare parts fundamental principles and operating characteristics of the technology, the laser surface treatment techniques are summarized including research, exploitation,application and classification at present, supplying an effective way of further improving life of domestic engine . At last the paper discusses development tendency and prospect of application in future industry. Key words；laser ；surface treatment；automobile
加工区小，热变形很小，加工质量高；（4）效率高，0 引 言
材料省，污染少，噪音低，劳动强度低；（5）加工
激光加工是20世纪60年代初期兴起的一项新设备成套化、系列化、多功能 ，具有很大灵活性；技术 ，此后逐步应用于汽车、航空、机械、电子装备计算机数控系统，可进行二维或三维的立体加等行业，其中尤以汽车行业的应用发展速度最快。工，具有很高的加工精度。 在汽车业中的广泛使用又推动了激光加工技术的工业化[1]。70年代美国进行了两大研究 ，这就是2 激光表面处理技术的应用概况 福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接和通用
材料的激光表面处理技术是近几年来发展起来汽车公司进行的动力转向变速箱内表面的激光淬
的新技术，可实现在普通材料表面产生高性能的新火。这两项研究推动了以后的汽车制造业中的激光
材料层，在实践中显示出独特的优越性。当前，激加工技术的发展。
光表面处理在工业生产中已得到广泛应用。美国通用汽车公司用15台大功率激光器组成了汽车零部1 激光加工技术分类及特点
件的热处理加工生产线；日本丰田公司自20世纪
[2]
汽车业中的激光加工机主要有两类:CO2激光80年代中后期起，相继建立了数条汽车发动机排气加工机和YAG 激光加工机。CO 2激光加工机的主门密封面激光熔覆生产线，日产气门50~80万只；要用途是切割、焊接、表面处理、打孔等，YAG 激近年，日本三菱公司建立了两条发动机缸头激光熔光加工机主要用途是打标，但随着大功率YAG 激覆铜基合金生产线，显著提高了使用寿命。 光器的商品化 ，也用于焊接和切割。与传统方法我国虽然在此领域仍处于初级阶段，但已有成相比，激光加工具有下列特点：（1）应用范围广，功的先例。热点都集中在“表面”的研究上，既改几乎应用于所有的加工工艺；（2）加工面大，几乎变普通材料表面层的性能或者产生新的表面层。这可加工从金属到非金属所有的材料，还特别适合加种在普通材料表面上进行处理的方法简单而且经工极硬、极脆、极薄和熔点极高的难加工材料；（3）济易行。而激光正是实现这一目的的有效途径。随
收稿日期：2006-03-12
232辽宁工程技术大学学报 增 刊
表面合金化处理需用千瓦级激光器，功率密度要求在104～106 W/cm2。目前，激光表面合金化研究十分活跃其处理过程中具有效率高，耗能少，变形小等特点，在汽车制造中可改善零部件的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。因此，国内外在激光表面合金化技术上开发应用投入较大，研究重点是改善发动机轴承、气缸、活塞环、凸轮轴、曲轴、气门、气门座圈和传动构件例如，排气门及其座圈的工作条件非常恶劣，每分钟要承受1～3千次冲击，长时间处于500～800 ℃高温，且受酸性废气的冲刷腐蚀，易产生麻坑而失效。大众汽车公司在凸轮轴表面涂上C 、Cr 细粉后，用激光以48 m/s的速度扫描，获得1.3 mm厚的合金化层，其铬含量约为20%，且分布均匀，合金层硬度达HRC55，母材硬度HRC33，整个凸轮轴保持相当好的韧性，由于凸轮轴表面细枝晶组织，所以在高温下也能保持高硬度。
（4）激光非晶化
激光表面非晶化，也称激光上釉 是由美国联合技术研究中心于1975年首先提出的激光表面处理技术之一，该理论一经推出很快得到应用，其表面处理方法是用连续激光对待加工零部件表面进行均匀扫描，使零部件表面熔化并形成厚度为1～10μm 的玻璃状非晶化组织，具有很高的耐蚀耐磨和抗氧化性，而且还有独特的电磁性激光表面非晶化处理的优点是成本低，易于控制及复制。美国工艺研究中心采用激光表面熔化技术以及快速冷却工艺在发动机的涡轮盘表面上形成非晶化层，使涡轮盘的重量减少50%，成本降低目前，很多国家已在铁基、铜基、镍基等零部件表面上进行非晶化处理的试验研究，取得了一定进展.
（5）激光冲击
激光冲击是用高功率短脉冲激光与物质相互作用，产生强冲击波或应力波的技术以往为提高疏松材料的密度，或增大多孔材料的密度，人们通常采用压力法或机械锤击法。而激光冲击正是应用现代高新技术取代落后的加工方法，在其工作过程中材料表面清洁，处理均匀，易控制，不变形，处理深度可达1.5 mm，并可实现自动控制 激光冲击一般采用钕玻璃、红宝石等高功率激光装置，激光脉冲宽度为纳秒量或更小，激光功率密度一般大于109Ｗ/cm2 ，有时可达1 013Ｗ/cm2 ，瞬时高温达10 000℃ 在汽车制造工业中激光冲击是利用高压力学效应，改善零件性能 在激光冲击处理过程中，为保证被处理零件的表面不损伤，对处理零件表面
着汽车工业的发展，激光表面处理技术在汽车工业的应用越来越广泛。
3 激光表面处理应用实例简介
（1）激光相变硬化
激光相变硬化是利用激光将材料表面加热到相变点以上，随材料自身冷却，奥氏体转变成马氏体，从而硬化材料表面其特点是以激光为热源，局部加热，一旦停止照射，加热区的热量就迅速传出，急冷并硬化。福特、丰田、三菱等汽车公司均采用激光相变硬化技术对汽车零部件进行处理，取得良好效果，并已成功地用于齿轮箱、气缸、活塞环槽、气门座圈、气门导管等零件的表面硬化处理例如，对发动机中气缸激光相变硬化，发动机缸体表面淬火，可使缸体耐磨性提高3倍以上。
（2）激光表面涂覆
激光表面涂覆是在母材表面预置成分不同的材料，经激光照射后，将添加材料熔化依附在母材表面，形成与母材成分不同的组织而母材表面只有微量熔融，二者不发生合金化过程熔化的添加材料在母材表面上形成牢固结合涂覆层，以此提高表面的机械性能，这种方法也被形象地称为“光镀”[3]。激光表面涂覆适用于局部易磨、易蚀和受冲击的零件，可节省贵重金属，提高经济效益，在汽车工业上具有广泛的应用欧美一些国家在汽车发动机的气门座圈上进行表面涂覆。使其表面形成具有耐磨耐热的硬质合金涂层，熔覆表面平整，热影响区极小，不变形，无需校正。英国某发动机公司已采用微机控制的自动送粉激光表面涂覆工艺取代手工氩弧堆焊，在涡轮增压器叶片上涂覆钴基金，经照射，得到无气孔、无裂纹的高性能涂覆层，从而改善其高温耐蚀性 加工时间从14min 减到75 s，成本降低85%，提高了加工精度，省去了研磨工序，减少了50%的钴基合金的消耗[4]。俄罗斯在利用激光表面喷涂修复汽车零件方面成效突出 ，广泛应用于修复发动机曲轴、凸轮轴、气门和汽车传动轴、万向节接头等易损零件 在喷涂磁化粉末并激光后 ，零件表面硬度提高3～5倍 ，耐磨度提高8～15倍 ，使用寿命提高2～4 倍。
（3）激光表面合金化
激光表面合金化是把成分不同于母材的添加材料加到母材表面上而形成的混合成分，其性能及组织不同于母材由于一般合金的熔点较高，故激光
增 刊 迟彩芬：激光表面处理技术在汽车工业中的应用采用黑色涂料或金属箔包覆作为保护层，而且激光冲击时间极短，零件几乎不受热影响，其表面温度仅为150℃左右，热学效应可忽略不计，故将激光冲击强化处理被视为一种冷工艺 这也就构成了激光冲击与其他激光表面处理的本质差别，使得激光冲击的用途更加广泛. 随着现代汽车上增添的空调、尾气净化器等装置，使负载加重，油压增加，原有的表面处理就无法解决其变形问题，采用激光处理，在其内壁处理5个硬化条，在实测和使用中，动力转向器壳体不仅变形极小，而且耐磨性提高了10倍。
233
的研究，探索最优工艺参数组合，发展成形工艺。 4.2 前景展望
激光表面处理是新型的局部表面处理方法，是未来工业应用潜力最大的表面改性技术之一，具有很大的技术经济效益，广泛应用于机械、电器、航空、兵器、汽车等制造行业 ，利用激光表面处理技术在一些表面性能差和价格便宜的基体金属表面镀合金层，用以取代昂贵的整体合金，节约贵金属，使廉价材料获得应用 ，从而大幅度降低成本。另外，还可以用来研制新材料和代用材料，制造出在性能上与传统冶金方法根本不同的表面合金，应用在太空、高温和化学腐蚀环境条件下的机械零件上，激光表面处理技术已呈现出具有广阔的应用和发展前景。 参考文献：
[1] 潘 邻. 激光表面改性技术的现状与展望[J].科技进展,2005,5(1):5-6. [2] 谢志余, 潘钰娴. 激光热处理相变机理及应用技术[J].机械制造与研
究,2003(4):15-16.
[3] 张天佑. 激光加工技术与汽车工业[J].世界汽车,1995(6):25-27. [4] 李艳芳, 卫英慧. 金属材料表面激光热处理的研究与应用[J].太原理工
大学学报,2002,33(2):142-145.
4 存在问题和前景展望
4.1 存在问题
为了使激光表面处理技术获得到更加广泛的应用，该技术还需要加强从以下几个方向努力：（1）研制出新的激光器，将激光功率提高到20 kW或20 kW以上，同时发展辅助设备，如光束成形和制导系统，以满足处理面积更大、形状更复杂的工件的需要；（2）加强激光表面处理技术改性机理的研究，解决好温度场测定不够精确的问题，并从理论上对某些激光表面处理技术产生残余拉应力和裂纹的机理进行深入研究并提出具体解决方案；（3）加强对激光表面处理工艺参数、材料性能以及表面状况(如吸光率) 等处理后表面层性能的影响
第25卷增 刊 辽宁工程技术大学学报 2006年6月V ol.25 Suppl. Journal of Liaoning Technical University Jun.2006
文章编号：1008-0562(2006)增刊1-0231-03
激光表面处理技术在汽车工业中的应用
迟彩芬
（辽宁工程技术大学 职业技术学院，辽宁 阜新123000）
摘 要：结合激光表面处理技术在汽车零部件表面强化中应用的大量实例，从激光表面处理技术的基本原理和工作特点出发，对其
进行总结和分类。并论述目前激光表面处理技术在国内外汽车工业中的研究、开发和应用，为进一步提高国产发动机的使用寿命提供了一个有效的途径。最后探讨了激光表面处理技术在未来工业中应用的发展趋势和广阔前景。
关键词：激光；表面处理；汽车
中图分类号： TH161 文献标识码： A
Application of laser surface treatment technology in automobile industry
CHI Cai-fen
(Vocational of Liaoning Technical University, Finxin 123000,China)
Abstract ：In the paper , in accordance with the numerous applied examples of laser surface treatment technology in surface intensifying of automobile and the spare parts fundamental principles and operating characteristics of the technology, the laser surface treatment techniques are summarized including research, exploitation,application and classification at present, supplying an effective way of further improving life of domestic engine . At last the paper discusses development tendency and prospect of application in future industry. Key words；laser ；surface treatment；automobile
加工区小，热变形很小，加工质量高；（4）效率高，0 引 言
材料省，污染少，噪音低，劳动强度低；（5）加工
激光加工是20世纪60年代初期兴起的一项新设备成套化、系列化、多功能 ，具有很大灵活性；技术 ，此后逐步应用于汽车、航空、机械、电子装备计算机数控系统，可进行二维或三维的立体加等行业，其中尤以汽车行业的应用发展速度最快。工，具有很高的加工精度。 在汽车业中的广泛使用又推动了激光加工技术的工业化[1]。70年代美国进行了两大研究 ，这就是2 激光表面处理技术的应用概况 福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接和通用
材料的激光表面处理技术是近几年来发展起来汽车公司进行的动力转向变速箱内表面的激光淬
的新技术，可实现在普通材料表面产生高性能的新火。这两项研究推动了以后的汽车制造业中的激光
材料层，在实践中显示出独特的优越性。当前，激加工技术的发展。
光表面处理在工业生产中已得到广泛应用。美国通用汽车公司用15台大功率激光器组成了汽车零部1 激光加工技术分类及特点
件的热处理加工生产线；日本丰田公司自20世纪
[2]
汽车业中的激光加工机主要有两类:CO2激光80年代中后期起，相继建立了数条汽车发动机排气加工机和YAG 激光加工机。CO 2激光加工机的主门密封面激光熔覆生产线，日产气门50~80万只；要用途是切割、焊接、表面处理、打孔等，YAG 激近年，日本三菱公司建立了两条发动机缸头激光熔光加工机主要用途是打标，但随着大功率YAG 激覆铜基合金生产线，显著提高了使用寿命。 光器的商品化 ，也用于焊接和切割。与传统方法我国虽然在此领域仍处于初级阶段，但已有成相比，激光加工具有下列特点：（1）应用范围广，功的先例。热点都集中在“表面”的研究上，既改几乎应用于所有的加工工艺；（2）加工面大，几乎变普通材料表面层的性能或者产生新的表面层。这可加工从金属到非金属所有的材料，还特别适合加种在普通材料表面上进行处理的方法简单而且经工极硬、极脆、极薄和熔点极高的难加工材料；（3）济易行。而激光正是实现这一目的的有效途径。随
收稿日期：2006-03-12
232辽宁工程技术大学学报 增 刊
表面合金化处理需用千瓦级激光器，功率密度要求在104～106 W/cm2。目前，激光表面合金化研究十分活跃其处理过程中具有效率高，耗能少，变形小等特点，在汽车制造中可改善零部件的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。因此，国内外在激光表面合金化技术上开发应用投入较大，研究重点是改善发动机轴承、气缸、活塞环、凸轮轴、曲轴、气门、气门座圈和传动构件例如，排气门及其座圈的工作条件非常恶劣，每分钟要承受1～3千次冲击，长时间处于500～800 ℃高温，且受酸性废气的冲刷腐蚀，易产生麻坑而失效。大众汽车公司在凸轮轴表面涂上C 、Cr 细粉后，用激光以48 m/s的速度扫描，获得1.3 mm厚的合金化层，其铬含量约为20%，且分布均匀，合金层硬度达HRC55，母材硬度HRC33，整个凸轮轴保持相当好的韧性，由于凸轮轴表面细枝晶组织，所以在高温下也能保持高硬度。
（4）激光非晶化
激光表面非晶化，也称激光上釉 是由美国联合技术研究中心于1975年首先提出的激光表面处理技术之一，该理论一经推出很快得到应用，其表面处理方法是用连续激光对待加工零部件表面进行均匀扫描，使零部件表面熔化并形成厚度为1～10μm 的玻璃状非晶化组织，具有很高的耐蚀耐磨和抗氧化性，而且还有独特的电磁性激光表面非晶化处理的优点是成本低，易于控制及复制。美国工艺研究中心采用激光表面熔化技术以及快速冷却工艺在发动机的涡轮盘表面上形成非晶化层，使涡轮盘的重量减少50%，成本降低目前，很多国家已在铁基、铜基、镍基等零部件表面上进行非晶化处理的试验研究，取得了一定进展.
（5）激光冲击
激光冲击是用高功率短脉冲激光与物质相互作用，产生强冲击波或应力波的技术以往为提高疏松材料的密度，或增大多孔材料的密度，人们通常采用压力法或机械锤击法。而激光冲击正是应用现代高新技术取代落后的加工方法，在其工作过程中材料表面清洁，处理均匀，易控制，不变形，处理深度可达1.5 mm，并可实现自动控制 激光冲击一般采用钕玻璃、红宝石等高功率激光装置，激光脉冲宽度为纳秒量或更小，激光功率密度一般大于109Ｗ/cm2 ，有时可达1 013Ｗ/cm2 ，瞬时高温达10 000℃ 在汽车制造工业中激光冲击是利用高压力学效应，改善零件性能 在激光冲击处理过程中，为保证被处理零件的表面不损伤，对处理零件表面
着汽车工业的发展，激光表面处理技术在汽车工业的应用越来越广泛。
3 激光表面处理应用实例简介
（1）激光相变硬化
激光相变硬化是利用激光将材料表面加热到相变点以上，随材料自身冷却，奥氏体转变成马氏体，从而硬化材料表面其特点是以激光为热源，局部加热，一旦停止照射，加热区的热量就迅速传出，急冷并硬化。福特、丰田、三菱等汽车公司均采用激光相变硬化技术对汽车零部件进行处理，取得良好效果，并已成功地用于齿轮箱、气缸、活塞环槽、气门座圈、气门导管等零件的表面硬化处理例如，对发动机中气缸激光相变硬化，发动机缸体表面淬火，可使缸体耐磨性提高3倍以上。
（2）激光表面涂覆
激光表面涂覆是在母材表面预置成分不同的材料，经激光照射后，将添加材料熔化依附在母材表面，形成与母材成分不同的组织而母材表面只有微量熔融，二者不发生合金化过程熔化的添加材料在母材表面上形成牢固结合涂覆层，以此提高表面的机械性能，这种方法也被形象地称为“光镀”[3]。激光表面涂覆适用于局部易磨、易蚀和受冲击的零件，可节省贵重金属，提高经济效益，在汽车工业上具有广泛的应用欧美一些国家在汽车发动机的气门座圈上进行表面涂覆。使其表面形成具有耐磨耐热的硬质合金涂层，熔覆表面平整，热影响区极小，不变形，无需校正。英国某发动机公司已采用微机控制的自动送粉激光表面涂覆工艺取代手工氩弧堆焊，在涡轮增压器叶片上涂覆钴基金，经照射，得到无气孔、无裂纹的高性能涂覆层，从而改善其高温耐蚀性 加工时间从14min 减到75 s，成本降低85%，提高了加工精度，省去了研磨工序，减少了50%的钴基合金的消耗[4]。俄罗斯在利用激光表面喷涂修复汽车零件方面成效突出 ，广泛应用于修复发动机曲轴、凸轮轴、气门和汽车传动轴、万向节接头等易损零件 在喷涂磁化粉末并激光后 ，零件表面硬度提高3～5倍 ，耐磨度提高8～15倍 ，使用寿命提高2～4 倍。
（3）激光表面合金化
激光表面合金化是把成分不同于母材的添加材料加到母材表面上而形成的混合成分，其性能及组织不同于母材由于一般合金的熔点较高，故激光
增 刊 迟彩芬：激光表面处理技术在汽车工业中的应用采用黑色涂料或金属箔包覆作为保护层，而且激光冲击时间极短，零件几乎不受热影响，其表面温度仅为150℃左右，热学效应可忽略不计，故将激光冲击强化处理被视为一种冷工艺 这也就构成了激光冲击与其他激光表面处理的本质差别，使得激光冲击的用途更加广泛. 随着现代汽车上增添的空调、尾气净化器等装置，使负载加重，油压增加，原有的表面处理就无法解决其变形问题，采用激光处理，在其内壁处理5个硬化条，在实测和使用中，动力转向器壳体不仅变形极小，而且耐磨性提高了10倍。
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的研究，探索最优工艺参数组合，发展成形工艺。 4.2 前景展望
激光表面处理是新型的局部表面处理方法，是未来工业应用潜力最大的表面改性技术之一，具有很大的技术经济效益，广泛应用于机械、电器、航空、兵器、汽车等制造行业 ，利用激光表面处理技术在一些表面性能差和价格便宜的基体金属表面镀合金层，用以取代昂贵的整体合金，节约贵金属，使廉价材料获得应用 ，从而大幅度降低成本。另外，还可以用来研制新材料和代用材料，制造出在性能上与传统冶金方法根本不同的表面合金，应用在太空、高温和化学腐蚀环境条件下的机械零件上，激光表面处理技术已呈现出具有广阔的应用和发展前景。 参考文献：
[1] 潘 邻. 激光表面改性技术的现状与展望[J].科技进展,2005,5(1):5-6. [2] 谢志余, 潘钰娴. 激光热处理相变机理及应用技术[J].机械制造与研
究,2003(4):15-16.
[3] 张天佑. 激光加工技术与汽车工业[J].世界汽车,1995(6):25-27. [4] 李艳芳, 卫英慧. 金属材料表面激光热处理的研究与应用[J].太原理工
大学学报,2002,33(2):142-145.
4 存在问题和前景展望
4.1 存在问题
为了使激光表面处理技术获得到更加广泛的应用，该技术还需要加强从以下几个方向努力：（1）研制出新的激光器，将激光功率提高到20 kW或20 kW以上，同时发展辅助设备，如光束成形和制导系统，以满足处理面积更大、形状更复杂的工件的需要；（2）加强激光表面处理技术改性机理的研究，解决好温度场测定不够精确的问题，并从理论上对某些激光表面处理技术产生残余拉应力和裂纹的机理进行深入研究并提出具体解决方案；（3）加强对激光表面处理工艺参数、材料性能以及表面状况(如吸光率) 等处理后表面层性能的影响