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激光熱處理工藝中，典型光斑尺寸在0.5×0.5英寸和2×2英寸之間的激光束照射金屬部件的表面，作為向其傳遞熱量的手段。以這樣的方式輸送激光能量，以便將金屬表面和熱影響區(qū)（HAZ）的溫度升高到其冶金轉(zhuǎn)變溫度以上。當(dāng)移除激光熱源時(shí)，金屬的熱量通過傳導(dǎo)熱移除提供加熱區(qū)域的快速淬火，從而產(chǎn)生所需的硬度。可以精細(xì)調(diào)接激光束運(yùn)行的細(xì)節(jié)，以便對硬化過程的所有方面進(jìn)行精確控制。根據(jù)幾何形狀，激光熱處理還允許通過視距處理其他方式難以到達(dá)的區(qū)域。激光熱處理有時(shí)也稱為激光硬化。

與傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)如感應(yīng)、熔爐和火焰熱處理相比，激光熱處理的益處是：

一致的硬度深度  通過精確控制輸送到金屬本身的能量，包括毫秒級反饋控制，激光能量的特性意味著激光熱處理可以產(chǎn)生嚴(yán)格規(guī)格的HAZ，從而在非常嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)一致的硬度深度。

大多數(shù)汽車模具不需要硬銑削  除了前面提到的精確控制之外，激光能量本身的固有特性，意味著對任何給定的HAZ尺寸，激光熱處理可自動為處理的模具提供盡可能小的總能量。在大多數(shù)汽車模具中，該工藝的內(nèi)置功能可自動實(shí)現(xiàn)零畸變。傳統(tǒng)的熱處理方法需要在熱處理之后研磨額外的材料，與之不同，激光熱處理是在將模具切割成最終形狀之后進(jìn)行的。這樣可以避免在材料硬時(shí)額外的加工操作從而節(jié)省成本。

硬度更高  由于激光熱處理中熱處理區(qū)域的快速自淬火，在正確的工藝條件下，該工藝實(shí)現(xiàn)的典型硬度往往比火焰或感應(yīng)工藝高幾個點(diǎn)。

精確地將光束能量應(yīng)用于工作點(diǎn)  火焰或線圈需要不緊靠工作區(qū)域。激光熱處理有更大的能力僅將熱量施加到預(yù)期區(qū)域，相鄰區(qū)域的加熱最小甚至為零。

碳含量為0.2％或更高的任何鋼都是可以熱處理的（見圖2）。通常，激光熱處理模具的硬度與使用傳統(tǒng)技術(shù)獲得的相比硬度相當(dāng)或更好。

圖2：S7140合金鋼中激光熱處理模具的冶金橫截面。

一些汽車應(yīng)用的常見可激光處理材料包括：

• D6510球墨鑄鐵

• S7140合金鋼

• G2500灰鑄鐵

• G25HP灰鑄鐵

• G3500灰鑄鐵

• D4512球墨鑄鐵

• S0030非合金鋼

• S0050A合金鋼

• A2工具鋼

• D2工具鋼

• S7工具鋼

• M2工具鋼

• 4140合金鋼

• 4340合金鋼

激光熱處理在汽車模具的制造和維護(hù)中節(jié)省的成本，主要來自于免除了后硬化尺寸恢復(fù)過程。為了說明激光熱處理的潛力，請參考來自一家本地OEM模具供應(yīng)商的以下案例研究。

圖3：OEM供應(yīng)商使用的汽車裝飾模具的示例；該模具尺寸為177×95×54英寸，重93000磅。

該研究涉及汽車內(nèi)飾/成型模具的新零件制造。一家中型OEM制造商通常每年生產(chǎn)40至100個這樣的模具。模具的重量范圍從8000至95000磅（見圖3）。對于這項(xiàng)工藝，以重量約為42000磅的中型裝飾模具為例，計(jì)算產(chǎn)品加工的時(shí)間成本和每個步驟的日歷天數(shù)。圖4總結(jié)顯示了結(jié)果，并在表中進(jìn)行了詳細(xì)說明。

STEP/DESCRIPTION步驟/描述

COSTS AND TIMES成本和時(shí)間

Conventional heat treatment常規(guī)熱處理

Laser heat treatment激光熱處理

Hours小時(shí)

Days天

Step 1: Programming 第1步：編程

In this step, the various machines are programmed. 在此步驟中，對各種機(jī)器進(jìn)行編程。

Step 2: 2D base machining 第2步：二維基座加工

The base of the assembly is milled flat, a precursor for all other processes 組件的基座加工平坦，是所有其他工藝的前序。

Step 3: Rough/semi (finish) 3D machining第3步：粗/半（完成）3D加工

The 3D portions of the assemblies are machined. For laser heat treatment, this includes finish machining since this process will not cause distortion. 組件的3D部分是機(jī)加工的。對于激光熱處理，這步包括完成加工，因?yàn)樵摴に嚥粫?dǎo)致變形。

Travel to heat treating subcontractor 送至熱處理分包商處

Self-explanatory不需加以說明

Step 4: Heat treating第4步：熱處理

Return trip from heat treating subcontractor：從熱處理分包商處返回

With laser heat treating, parts go direct to assembly facility; with conventional heat treating, parts go to machining facility 采用激光熱處理，零件直接進(jìn)入組裝線；采用傳統(tǒng)熱處理，零件進(jìn)入加工線

Step 5: 2D base re-machining第5步：2D基座再加工

This operation is not required with laser heat treating 激光熱處理不需要該操作

Step 6: 3D finish re-machining第6步：3D完成再加工

Travel to OEM's assembly facility前往OEM的組裝線

This only applies to conventionally heat-treated parts這僅適用于傳統(tǒng)的熱處理部件

Step 7: Final assembly第7步：最終裝配

Totals：總計(jì)

Unit cost (UC) is computed at $50/hour單位成本（UC）以每小時(shí)50美元計(jì)算

Yearly cost (YC) is computed for 40 dies年度成本（YC）以40個模具計(jì)算

圖4還給出了模具制造中涉及的各個步驟。使用常規(guī)熱處理方法（例如感應(yīng)和火焰加熱）生產(chǎn)的模具是粗加工的，留下額外的原料達(dá)到0.020英寸，以應(yīng)對由于熱處理過程引起的變形。然后將經(jīng)過熱處理的模具硬磨至最終尺寸。切割硬質(zhì)材料需要更長的時(shí)間，并且需要昂貴得多的工具。為簡單起見，本案例研究未考慮硬銑削操作所需的額外工具支出。

圖4：該示意圖顯示了模具制造中涉及的各個步驟。

另一方面，激光熱處理避免了熱處理后加工和相關(guān)步驟，從而降低了生產(chǎn)的成本和總時(shí)間。

采用激光熱處理將該產(chǎn)品線的年成本從44.2萬美元降至32萬美元，節(jié)省了27.6％。交貨時(shí)間從17天減少到13天，凈增速為23.5％。預(yù)計(jì)通過減少工具費(fèi)用可以進(jìn)一步節(jié)省開支。總能源使用量減少，這里未計(jì)算數(shù)量，如果碳信用額成為財(cái)務(wù)領(lǐng)域的一部分，可能會有未來的節(jié)約。

來源：AMotor激光聚匯