激光用于热处理已有30多年的历史，但是，多种因素与成本的局限使其应用范围狭窄。如今，高功率直接二极管激光器（High-power Direct Diode Laser, HPDDL）提供了一种解决方案，可以克服以前的技术缺陷，有望大幅扩展这一市场。
传统的热处理
热处理或表面硬化常用于改进切割工具和轴承等钢质部件表面的耐磨性能并延长使用寿命。热处理时需要对部件加热，然后快速冷却（称为“淬火”），将碳渗入钢材中，使之比室温下的操作结果更硬，改变钢的晶体结构。对于工业的表面硬化，目标是使薄薄的外层硬化，大部分材料仍然保持其原始的晶体形态，挠性更大，脆性更小，延展性更大。由于硬化一般是在部件的尺寸定形之后执行的，因此，理想的状况是不使部件形状发生任何物理变形。
图1 轴的键槽硬化。
一般来说，各种传统（非激光）技术可以分为两大类，分别是扩散法和局部硬化法。在渗碳、渗氮和碳氮共渗等扩散技术中，低碳钢在接触外部的碳或其它元素时被大面积加热。这些物质渗入表层，然后在液体中对部件快速淬火。
一般，对已经含有足够单体碳的钢材执行局部硬化，以在渗入钢晶格时达到产生需要的硬度。在此情况下，一般使用火焰或电感加热部件的局部表面，以便升高加工区域的温度，之后再进行淬火。
激光技术
激光热处理是另一种局部强化技术，激光光束在被加工表面附近被吸收。这种加热仅限制于受照射区域，深入整块材料的程度受到限制。通常，整块材料担当散热器的作用，吸收从表面传来的热量，因此需要执行自淬火。
由于能够精确限定照射区域，而且能量传入材料的时间较短，这是激光热处理的主要优势。明确地讲，优势包括快速处理、精确控制硬化层深度/施加位置，以及部件变形最小。
激光表面强化技术克服了传统技术的一些缺陷。例如，火焰淬火受到重复性不良、淬火性能不佳以及环境问题的限制。因此，火焰淬火最适合于中等规格至大规格的元件。感应淬火中热量传导得更深，因此要求用水主动淬火，这两种方法都会导致人们不希望出现且不能控制的变形。另外，激光热处理工艺的设计和维护比感应淬火更简便，因为能够方便地将加热限制于照射区域，甚至是机械不能接近的位置。因此，能够随时使用激光器处理各种规格和形状的部件，不需要采用专为各种几何形状部件量身定制的特殊线圈。
图2 针对活塞环槽顶部和底部表面，采
用局部热处理方法，以提高耐磨性能。
如果具有这么多优势，那么激光器为什么不能深入热处理市场呢？目前CO2激光器已经应用在大多数的激光表面强化处理中。虽然它们应用于切割、焊接和钻孔时性能优良，但是，通常与热处理的需要配合不佳。其中一个问题是：几乎任何钢材或其它金属吸收10.6μm输出波长的性能都不佳，因而产生问题。结果，采用CO2激光器对表面做热处理时，首先必须采用吸收性涂层“涂敷”。另外，红外CO2输出不能采用光纤传输，限制了使用。nextpage
直接二极管激光器
过去几年，高功率直接二极管激光器的输出功率、可靠性和成本特征连续改进，因此使其成为激光表面强化应用的替代方案。一个重大优势在于其近红外输出（一般为808 nm或975 nm）被钢材吸收的性能比10.6μm输出更有效，不需要使用吸收性涂层，消除了相关成本和环境合规的问题。
半导体激光器的光束形状和规格具有另外一种优势。对于大多数激光表面强化应用，激光束照射的区域小于需要加工的总面积。因此，可以转换工件或光束，以覆盖所有加工面积。半导体激光器自然输出的延伸光束形状，可以在尺寸和密度分布方面与许多表面处理任务配合良好，可以随时重新定形，以符合特定任务的尺寸要求。此外，直接二极管激光器的近红外输出可以采用光纤传输，因此加工灵活性极高。
图3 直接二极管激光器结构紧凑，布置方便，能
够加工大型部件或很难接近的加工区域。图中，
正在对大型车辆轮轴上的轴承接触区域进行热处理。
半导体激光器的电转换效率（将输入电能转化为有用的光输出）大约比CO2激光器提高3-4倍，因此可以直接解释为降低运营成本。另外，半导体激光器具有即时“开”的功能，没有待机功耗。降低维护成本可以带来更大的节约，与CO2激光器相比，半导体激光器的降低成本的程度是数量级的。半导体激光器结构紧凑，比体积更大的CO2激光器的更换速度更快，维护停机时间也最低，甚至可以通过通宵快递服务运送更换件。
半导体激光器的集成相对简单。由于其尺寸小巧，可方便地集成于CNC加工设备。可在工件完成机加工之后，立即执行表面强化处理，甚至可以在同一组合机器之内操作。
应用
位于美国密苏里州圣路易斯市的Titanova公司是一家采用直接二极管激光器专业开展服务的合约制造商，提供热处理、熔覆、再制造和传导模式焊接的服务。“如果部件的特定受限表面需要做强化处理（例如齿轮齿牙顶部），或者，如果进行硬化的区域很难接近（例如位于狭窄气缸的底部）时，采用直接二极管激光器进行热处理特别有效。”Titanova公司的创始人兼总裁John Haake表示，“对于那些受到传统热处理而导致机械变形的高精密部件，这种工艺的性价比也特别高。”
后者的典型示例是各种机器使用的驱动轴。通常必须强化这些轴的各种轴承区域，以提高耐磨性能，但是，维持部件形状十分重要，否则，轴在转动时将失衡。Titanova公司已经成功地对一家轮胎平衡设备制造商的驱动轴做了局部加热处理。以前采用感应淬火完成这种工作，要求后期打磨，并使轴恢复形状。
Titanova公司还为一家建筑机械制造商修复了发动机活塞环槽。以前采用CO2激光器处理时，发现部件的黑色涂层烧熔之后，CO2光束会在部件的非处理区域反射并执行错误的热处理。使用材料吸收性更强的近红外二极管激光器就不会出现这种问题。
有几个客户要求Titanova公司对少量至中批量（每年低于50000件）的相对低价值部件进行热处理，如各种机床和发动机部件。在一些情况下，过去使用其它方法进行热处理性价比并不高，因为需要花时间准备（油漆）或开展后期处理。Haake表示：“高功率直接二极管激光器使热处理成为一种前所未有的性价比高、技术可行的工艺，因此正在扩展现有的市场。”
本文作者Keith Parker, Sr.是Coherent有限公司直接二极管激光系统部的业务拓展经理，他的联系电邮是：keith.parker@coherent.com。
