激光淬火技術在立式真空泵上的應用

宋彬，張勛，王翔（蘭州石化設備維修公司，甘肅 蘭州 730060）

朱寧寧（蘭州理工大學計算機與通信學院，甘肅 蘭州 730050）

1 概述

蘭州石化公司PSA裝置立式真空泵是輸送催化尾氣的關鍵設備，共有10臺。它們的具體參數見表1：

立式真空泵的工作介質為催化尾氣（由催化裂化裝置生產），其主要成分為乙烯和乙烷，它們是重要的化工原料。因為氣體純度不高，含有大量雜質，造成真空泵故障頻發，其中活塞桿易于磨損就是其典型故障。為解決這一問題，作者將深入討論各種硬化技術，并重點介紹激光淬火技術在此類泵上的成功應用。

2 表面硬化處理技術分析

立式真空泵活塞桿材料一般為3Cr13，為了能提高其耐磨性，通常會對其表面進行硬化處理。常用的表面硬化處理方法有滲碳處理、氮化處理、高頻淬火、激光熔覆[1]、離子注入等，這些方法通常需要對工件進行加熱，會造成活塞桿變形，并且硬化層不均勻，不適合立式真空泵活塞桿的表面硬化處理。

激光淬火的表面處理方法可以克服活塞桿變形和硬化層不均勻的問題，并且最高硬度可達60HRC。激光淬火可以在瞬間讓工件表面達到極高溫度，其溫升速度為100-1500℃/S。因加熱區域為工件表面，當激光束離開表面后，處于冷態的工件會將表面高溫迅速傳遞給中心，其溫降速度為100-1000℃/S。這種瞬間完成的激光淬火[2]可以使工件表面獲得很高的硬度，但工件內部沒有發生任何相變硬化，保證了活塞桿內部優良的金屬韌性；并且激光淬火得到的硬化層非常均勻，不會出現活塞桿彎曲變形等情況，所以激光淬火是立式真空泵活塞桿表面硬化的優良方法，如圖1所示。

圖1 激光淬火技術處理活塞桿

3 激光淬火技術的具體應用

3.1 淬火前的表面預處理

激光淬火的效率取決于工件表面對于激光能量的吸收。對于一般加工零件，因為其表面粗糙度較小，對激光的反射率較高，無法直接進行激光淬火。為解決這一問題，在進行激光淬火前，首先需要對工件表面進行黑化處理，其方法有氧化法、表面粗糙法、噴（刷）涂法、磷化法等。考慮到加工效率和成本，一般磷化法和噴（刷）涂法使用較多。其中磷化法需要借助復雜的工藝和昂貴的設備，并且對環境有一定污染，所以檢維修企業一般并不使用。而噴（刷）涂法使用簡單，可應用于少量工件的處理，并且無需增加成套設備，對環境沒有污染。根據這一優點，在此次立式真空泵活塞桿改造中，檢修單位決定采用刷涂法。涂料選用青島某公司研發的炭黑溶劑，使用效果良好，保證了工件對激光的吸收率。

3.2 掃描方式的設定

激光淬火的掃描方式[3]分為軸向螺旋掃描和網格掃描兩種方式，它們可通過激光熱處理成套設備的數控軟件來控制。螺旋掃描得到的淬火帶和非淬火帶以螺旋線的形式緊密纏繞在工件上，網格掃描得到的淬火帶交織形成菱形網格，這種淬火紋路有利于形成均勻的油膜，并且可以避免局部磨損過大。考慮到這一優點，檢修單位采用網格掃描的方式對活塞桿進行激光淬火，達到了預期目標，如圖2所示。

圖2 網格掃描后的活塞桿表面

3.3 工藝參數的選定

3.3.1 技術難點

在對工件進行激光淬火處理前，首先要對激光熱處理成套設備進行參數調整，其中影響淬火效果的參數有：輸出功率、光斑直徑和掃描速度。在對工件進行激光淬火處理時，保證淬火品質的前提下，應讓淬火效率達到最大。理論上，掃描速度越快、光斑直徑越大則淬火效率越高，但實際上掃描速度和光斑直徑的大小會受到輸出功率的制約，因為激光熱處理成套設備最大輸出功率在設備選定后已經被確定，不能無限增大。

在輸出功率選定的情況下，掃描速度越快，則工件表面溫升時間就會越短，表面所能達到的最高溫度就會越低，造成淬火層變淺，甚至出現無法淬火；并且光斑直徑的大小也會影響到工件表面溫升速度的快慢。由此可知激光淬火技術的難點在于工件表面溫度的控制，溫度的變化由輸出功率、光斑直徑和掃描速度三個參數共同決定。此次設備改造中，檢修人員將采用“控制變量法”進行實驗，找到合適的激光淬火參數組合。

3.3.2 光斑直徑對表面淬火硬度的影響

在實驗中，首先在3Cr13材料制成的短軸上標記出0.5m的直線掃描軌跡。將掃描速度定為8mm/s，激光器功率定為1.8kW。激光頭與工件表面的正常工作距離為250-300mm，改變兩者間距離可以改變光斑的直徑，使單位面積上獲得的激光能量發生改變，從而影響工件表面的溫升速度。為了研究光斑大小對表面淬火硬度的影響，將激光頭與工件表面之間的工作距離，由250mm按照步長5mm逐漸增加進行掃描。掃描完成后，使用顯微硬度計測量相關測量點（共11點）的硬度，具體數據見表2。

表2 不同工作距離下的表面淬火硬度

根據以上實驗數據得圖3：

圖3 工作距離對淬火硬度的影響

由圖3可知，改變激光頭與工件表面的距離會對工件表面的激光淬火硬度造成一定影響。當激光頭與工件表面距離在275mm時，工件表面可以得到最大淬火硬度。

3.3.3 掃描速度對表面淬火硬度的影響

在實驗中，將激光器功率定為1.8kW，激光頭與工件表面的工作距離定為275mm。設備正常的掃描速度為7-12mm/s，將速度由7mm/s按照步長0.5mm/s逐漸增加進行掃描。掃描完成后，使用顯微硬度計測量相關點（共11點）的硬度，具體數據見表3。

表3 不同掃描速度下的表面淬火硬度

根據以上實驗數據得到如圖4所示曲線。由圖4可知，激光掃描速度可影響工件表面的淬火硬度。當掃描速度控制在8mm/s時，工件表面可以得到最大淬火硬度；當掃描速度大于9.5mm/s時，工件表面硬度迅速下降，無法正常完成淬火處理。

3.3.4 實驗參數選定

通過以上實驗可知激光頭與工件表面距離控制在275mm左右，掃描速度控制在8mm/s左右時，工件表面容易達到較高淬火硬度，于是可選擇附近相鄰參數進行“組合實驗”。之后再使用線切割將工件切成小塊，通過顯微硬度計測量淬火層厚度及表層硬度，將相關測量數據制表，根據表格可以選出最佳的激光淬火參數，對于平時生產有較大指導意義，見表4。）

圖4 掃描速度對淬火硬度的影響

表4 實驗得激光淬火掃描相關工藝參數

3.4 輔助冷卻與制造工藝

對于體積較小、降溫速度慢的工件，可以通過輔助冷卻手段提高冷卻速度，使其達到臨界冷卻速度，確保硬化層的厚度與硬度，防止高溫回火。對于精度要求高的加工件，考慮到淬火后的微小變形，可以提前預留精加工余量。在對立式真空泵活塞桿進行淬火處理時，發現其尺寸較大，冷卻速度可以達到要求，表面輕微變形不影響工作情況，檢修單位未進行輔助冷卻和預留精加工余量。

4 總結

通過研究激光淬火技術在立式真空泵活塞桿上的應用，可以發現激光淬火技術在工件表面硬化處理上優于其它硬化處理方法，此方法已經廣泛應用在機械維修領域[4]。通過大量試驗，檢修人員積累了相關實驗數據，為新技術推廣應用奠定了基礎。

[1] 金岡 (日) ．激光加工[M]．機械工業出版社, 2005．

[2] 王云山, 張興泉等. 曲軸激光淬火工藝[J]. 中國激光. 2007, (4) : 22-27．

[3] 安代明. 用激光表面淬火提高壓縮機活塞桿耐磨性能[J]. 設備管理與維修. 2012 (8) : 28-29．

[4] 王從曾. 激光淬火技術的應用現狀及發展[J]．機械工人. 2011, (6) : 13-15.