激光淬火技术在立式真空泵上的应用

宋彬，张勋，王翔（兰州石化设备维修公司，甘肃 兰州 730060）

朱宁宁（兰州理工大学计算机与通信学院，甘肃 兰州 730050）

1 概述

兰州石化公司PSA装置立式真空泵是输送催化尾气的关键设备，共有10台。它们的具体参数见表1：

立式真空泵的工作介质为催化尾气（由催化裂化装置生产），其主要成分为乙烯和乙烷，它们是重要的化工原料。因为气体纯度不高，含有大量杂质，造成真空泵故障频发，其中活塞杆易于磨损就是其典型故障。为解决这一问题，作者将深入讨论各种硬化技术，并重点介绍激光淬火技术在此类泵上的成功应用。

2 表面硬化处理技术分析

立式真空泵活塞杆材料一般为3Cr13，为了能提高其耐磨性，通常会对其表面进行硬化处理。常用的表面硬化处理方法有渗碳处理、氮化处理、高频淬火、激光熔覆[1]、离子注入等，这些方法通常需要对工件进行加热，会造成活塞杆变形，并且硬化层不均匀，不适合立式真空泵活塞杆的表面硬化处理。

激光淬火的表面处理方法可以克服活塞杆变形和硬化层不均匀的问题，并且最高硬度可达60HRC。激光淬火可以在瞬间让工件表面达到极高温度，其温升速度为100-1500℃/S。因加热区域为工件表面，当激光束离开表面后，处于冷态的工件会将表面高温迅速传递给中心，其温降速度为100-1000℃/S。这种瞬间完成的激光淬火[2]可以使工件表面获得很高的硬度，但工件内部没有发生任何相变硬化，保证了活塞杆内部优良的金属韧性；并且激光淬火得到的硬化层非常均匀，不会出现活塞杆弯曲变形等情况，所以激光淬火是立式真空泵活塞杆表面硬化的优良方法，如图1所示。

图1 激光淬火技术处理活塞杆

3 激光淬火技术的具体应用

3.1 淬火前的表面预处理

激光淬火的效率取决于工件表面对于激光能量的吸收。对于一般加工零件，因为其表面粗糙度较小，对激光的反射率较高，无法直接进行激光淬火。为解决这一问题，在进行激光淬火前，首先需要对工件表面进行黑化处理，其方法有氧化法、表面粗糙法、喷（刷）涂法、磷化法等。考虑到加工效率和成本，一般磷化法和喷（刷）涂法使用较多。其中磷化法需要借助复杂的工艺和昂贵的设备，并且对环境有一定污染，所以检维修企业一般并不使用。而喷（刷）涂法使用简单，可应用于少量工件的处理，并且无需增加成套设备，对环境没有污染。根据这一优点，在此次立式真空泵活塞杆改造中，检修单位决定采用刷涂法。涂料选用青岛某公司研发的炭黑溶剂，使用效果良好，保证了工件对激光的吸收率。

3.2 扫描方式的设定

激光淬火的扫描方式[3]分为轴向螺旋扫描和网格扫描两种方式，它们可通过激光热处理成套设备的数控软件来控制。螺旋扫描得到的淬火带和非淬火带以螺旋线的形式紧密缠绕在工件上，网格扫描得到的淬火带交织形成菱形网格，这种淬火纹路有利于形成均匀的油膜，并且可以避免局部磨损过大。考虑到这一优点，检修单位采用网格扫描的方式对活塞杆进行激光淬火，达到了预期目标，如图2所示。

图2 网格扫描后的活塞杆表面

3.3 工艺参数的选定

3.3.1 技术难点

在对工件进行激光淬火处理前，首先要对激光热处理成套设备进行参数调整，其中影响淬火效果的参数有：输出功率、光斑直径和扫描速度。在对工件进行激光淬火处理时，保证淬火品质的前提下，应让淬火效率达到最大。理论上，扫描速度越快、光斑直径越大则淬火效率越高，但实际上扫描速度和光斑直径的大小会受到输出功率的制约，因为激光热处理成套设备最大输出功率在设备选定后已经被确定，不能无限增大。

在输出功率选定的情况下，扫描速度越快，则工件表面温升时间就会越短，表面所能达到的最高温度就会越低，造成淬火层变浅，甚至出现无法淬火；并且光斑直径的大小也会影响到工件表面温升速度的快慢。由此可知激光淬火技术的难点在于工件表面温度的控制，温度的变化由输出功率、光斑直径和扫描速度三个参数共同决定。此次设备改造中，检修人员将采用“控制变量法”进行实验，找到合适的激光淬火参数组合。

3.3.2 光斑直径对表面淬火硬度的影响

在实验中，首先在3Cr13材料制成的短轴上标记出0.5m的直线扫描轨迹。将扫描速度定为8mm/s，激光器功率定为1.8kW。激光头与工件表面的正常工作距离为250-300mm，改变两者间距离可以改变光斑的直径，使单位面积上获得的激光能量发生改变，从而影响工件表面的温升速度。为了研究光斑大小对表面淬火硬度的影响，将激光头与工件表面之间的工作距离，由250mm按照步长5mm逐渐增加进行扫描。扫描完成后，使用显微硬度计测量相关测量点（共11点）的硬度，具体数据见表2。

表2 不同工作距离下的表面淬火硬度

根据以上实验数据得图3：

图3 工作距离对淬火硬度的影响

由图3可知，改变激光头与工件表面的距离会对工件表面的激光淬火硬度造成一定影响。当激光头与工件表面距离在275mm时，工件表面可以得到最大淬火硬度。

3.3.3 扫描速度对表面淬火硬度的影响

在实验中，将激光器功率定为1.8kW，激光头与工件表面的工作距离定为275mm。设备正常的扫描速度为7-12mm/s，将速度由7mm/s按照步长0.5mm/s逐渐增加进行扫描。扫描完成后，使用显微硬度计测量相关点（共11点）的硬度，具体数据见表3。

表3 不同扫描速度下的表面淬火硬度

根据以上实验数据得到如图4所示曲线。由图4可知，激光扫描速度可影响工件表面的淬火硬度。当扫描速度控制在8mm/s时，工件表面可以得到最大淬火硬度；当扫描速度大于9.5mm/s时，工件表面硬度迅速下降，无法正常完成淬火处理。

3.3.4 实验参数选定

通过以上实验可知激光头与工件表面距离控制在275mm左右，扫描速度控制在8mm/s左右时，工件表面容易达到较高淬火硬度，于是可选择附近相邻参数进行“组合实验”。之后再使用线切割将工件切成小块，通过显微硬度计测量淬火层厚度及表层硬度，将相关测量数据制表，根据表格可以选出最佳的激光淬火参数，对于平时生产有较大指导意义，见表4。）

图4 扫描速度对淬火硬度的影响

表4 实验得激光淬火扫描相关工艺参数

3.4 辅助冷却与制造工艺

对于体积较小、降温速度慢的工件，可以通过辅助冷却手段提高冷却速度，使其达到临界冷却速度，确保硬化层的厚度与硬度，防止高温回火。对于精度要求高的加工件，考虑到淬火后的微小变形，可以提前预留精加工余量。在对立式真空泵活塞杆进行淬火处理时，发现其尺寸较大，冷却速度可以达到要求，表面轻微变形不影响工作情况，检修单位未进行辅助冷却和预留精加工余量。

4 总结

通过研究激光淬火技术在立式真空泵活塞杆上的应用，可以发现激光淬火技术在工件表面硬化处理上优于其它硬化处理方法，此方法已经广泛应用在机械维修领域[4]。通过大量试验，检修人员积累了相关实验数据，为新技术推广应用奠定了基础。

[1] 金冈 (日) ．激光加工[M]．机械工业出版社, 2005．

[2] 王云山, 张兴泉等. 曲轴激光淬火工艺[J]. 中国激光. 2007, (4) : 22-27．

[3] 安代明. 用激光表面淬火提高压缩机活塞杆耐磨性能[J]. 设备管理与维修. 2012 (8) : 28-29．

[4] 王从曾. 激光淬火技术的应用现状及发展[J]．机械工人. 2011, (6) : 13-15.