大功率低速柴油机活塞杆杆身激光淬火应用研究

胡新成，方 磊

（上海中船三井造船柴油机有限公司，上海 201306）

0 引 言

活塞杆为船用低速柴油机最重要运动部件之一，其杆身处于长时间高速往复运动工况中，因此外圆表面需要进行淬硬处理。目前国内外通常采用中频表面淬火工艺，但此工艺占用场地大，污染环境，耗能高，生产效率低。本文结合目前船舶柴油机厂加工生产条件，对各种金属表面处理技术进行筛选，寻求一种新的热处理替代方法，其中金属表面激光淬火技术成为应用研究的对象。

激光淬火是激光表面处理中技术最成熟、应用最广泛的一种方法，它具有节能、高效、精密、高性能等独特优点[1]。该方法与目前采用的中频淬火方法比较，激光淬火表面硬度比较接近，但有效硬化层深度偏低。与离子氮化方法比较，其表面硬度及有效硬化层深度比较接近，且可调整工艺参数，较少有激光淬火后零件的表面烧损，零件可在激光淬火精磨后直接使用，减少加工工序，降低生产成本。采用MAN B&W型船用大型低速柴油机S30H和S30Mn材质的活塞杆杆身作为试件，用6kW功率的激光模块进行激光淬火试验。

1 激光淬火

对于激光淬火来说，自然条件下为圆形光斑。设激光能量与同等能量密度的光斑面积的比例系数为γ[2]：

式中：P——激光能量；γ——激光光斑面积的比例系数；S——激光光斑面积。

由下面公式可以看出，同等能量的激光光斑，尺寸为圆形的扫描效率最低：

式中：R——激光光斑半径；A——矩形光斑长边；B——矩形光斑短边。

假设A = B ，则 A =B = 1.77R ＞ R。即，圆形光斑变为正方形光斑，效率将至少提高77%，而当A＞B，即变为长方形光斑时，长边A将比R更大，即可相应提高光斑扫描效率。

工业上采用积分镜，将激发的圆形光斑转变为矩形光斑，以长边为扫描宽度，尽量提高扫描效率[3]。

2 S30H激光淬火试验

2.1 试块激光淬火区域

试验采用相应积分镜，矩形光斑尺寸为15mm×2.5mm，焦距 300mm，搭接宽度（两条激光淬火路线间隔距离）12mm。试验中保持这些参数不变，通过改变激光移动速度，来观察对激光淬火性能的影响。

在一个圆环形试块内圈，均匀分布5块区域进行激光淬火试验。每块区域尺寸为80mm×36mm，见图1。试验不变量：矩形光斑尺寸15mm×2.5mm，焦距300mm，搭接宽度12mm。试验变量：光斑移动速度——扫描速度。

2.2 激光淬火各淬硬区域分布

各淬硬区域分布见图2。

图1 圆环形试块

图2 激光淬火各种淬硬区域分布

2.3 激光移动速度

激光移动速度试验结果见表1。

表1 激光移动速度对淬火性能的影响

试验结果显示，随着速度减慢，硬化层厚度增加，表面不平整加剧。金相检测显示：熔凝区硬度约550HV0.2，完全相变区硬度为 450～600HV0.2，完全相变区边缘为 351～450HV0.2，过渡区硬度为247～325HV0.2（基体硬度 175～190HV0.2），过渡区厚度约为相变区厚度的 40%～50%。所以硬度超过350HV0.2的区域为熔凝区和完全相变区。

2.4 搭接区

激光淬火最危险的区域为两条淬火带之间区域，为了研究不同的搭接宽度对搭接区（软带）淬火性能的影响，进行了如下3组试验，见表2。

表2 不同搭接宽度的淬火性能

结果显示：由于活塞杆要求淬火的面积比较大，再加上光斑限制，光斑需重复扫描才能完成活塞杆表面淬火，故扫描路径搭接区域由于重复扫描产生自回火效应，导致搭接区域产生软化带。

如：位移量15mm，无搭接，两月牙间隙硬度较低（351～247HV0.2）；位移12mm、9mm的结果显示搭接区大小对软带的宽度和硬度影响不大，宽度都为1.5mm左右、极度软点硬度：0.2mm深度、0.6mm深度都为247HV0.2、1.0mm深度为193 HV0.2（基体硬度180～190 HV0.2）。

由此可见，搭接区的表面硬度比其他区域的表面硬度低100HV左右；搭接区的有效淬硬层浅，甚至在除去表面溶化层后没有有效淬硬层。

3 S30Mn激光淬火试验

3.1 激光移动速度

激光移动速度试验结果见表3。

表3 激光移动速度对淬火性能的影响

试验结果显示随着移动速度减慢，硬化层厚度增加，表面不平整加剧。金相检测显示：

1) 激光淬火速度100mm/min的熔凝区硬度约为550HV0.2；完全相变区硬度为450～600HV0.2（距表面0.8mm区域），过渡区硬度为282.2～412.1HV0.2（距表面1.5mm区域）。

2) 激光淬火速度300mm/min的熔凝区硬度约为550HV0.2；完全相变区硬度为450～600HV0.2（距表面0.6mm区域），过渡区硬度为302.8～412.1HV0.2（距表面1.3mm区域）。

3.2 搭接区

为了研究不同的搭接宽度对搭接区（软带）的影响，进行了如下两组试验，见表4。

表4 试验数据表

初步结果显示：同样由于搭接区重复扫描，产生自回火效应，导致软带。100mm/min激光淬火的检测结果显示，位移量对搭接区大小影响不大，但对硬度略有影响。位移 12mm、9mm 的“软带”宽度都为0.7～1.0mm，极度软点硬度：0.2mm深度为351 HV0.2、0.6mm深度为282HV0.2（小于351 HV0.2的软带宽度约0.4mm）；位移12mm，极度软点硬度：0.2mm深度为302 HV0.2（低于351 HV0.2的区域小于0.4mm）、0.6mm深度为263.7HV0.2（低于351 HV0.2的软带宽度约0.8mm）；位移9mm的“软带”宽度都为1.0mm左右，极度软点硬度：0.2mm深度为325.6 HV0.2（低于351 HV0.2的小于0.4mm）、0.6mm深度为282HV0.2（低于351 HV0.2的软带宽度约0.8mm）。

4 结 语

1) 随着激光移动速度的降低，激光淬火表面硬度、淬硬层深度和表面熔化层厚度增加，同时表面不平整度也增加。

2) 激光淬火间隔宽度对搭接区（软带）宽度有影响，但是影响不大。受激光设备的限制，目前无法消除软带区域。

3) 与S30H材料相比，S30Mn材料激光淬火性能更好，淬火硬度和淬硬层深度均有部分提高。

4) 对目前船用柴油机活塞杆两种材质的试验结果表明，激光淬火两条淬火带之间均有1mm左右区域的淬火硬度与淬硬层深度较低，淬火性能差。这是激光淬火工艺本身所致，无法从根本上消除。

5) 轴类零件激光淬火时，工件表面将产生一条连续的螺旋状淬火软带区。在使用过程中，软带区容易磨损形成裂纹源，导致失效。因此采用杆身表面淬火，必须先解决激光淬火大面积淬火搭接区域软带的问题。

[1] 张辽远. 现代加工技术[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

[2] 宋威廉. 激光加工技术的发展[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

[3] 孟永刚. 激光加工技术[M]. 北京：国防工业出版社，2008.