激光淬火(激光技术在表面处理中的十大应用)

Posted 2023-06-01

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激光淬火(激光技术在表面处理中的十大应用)

激光表面处理是利用高功率密度激光束以非接触方式加热材料表面，通过材料表面本身的传导冷却实现其表面改性的技术。对提高材料表面的机械和物理性能，以及零件的耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性有很大的好处。近年来，激光清洗、激光淬火、激光合金化、激光冲击强化、激光退火等激光表面处理技术以及激光熔覆、激光3D打印、激光电镀等激光增材制造技术迎来了广阔的应用前景。

01激光清洁

激光清洗是目前正在迅速发展的一种新型表面清洗技术。它利用高能脉冲激光束照射工件表面，使表面的污垢、颗粒或涂层瞬间蒸发或膨胀、剥落，从而达到清洁的过程。激光清洗主要分为除锈、除油、脱漆、去涂层。主要用于金属清洗、文物清洗、建筑清洗等。它以其功能全面、加工精确灵活、高效节能、环保、不损伤基材、智能化、清洗质量好、安全、应用范围广等特点，越来越受到各工业领域的青睐。

与机械摩擦清洗、化学腐蚀清洗、液体和固体的强冲击清洗、高频超声波清洗等传统清洗方法相比，激光清洗具有明显的优势。

02激光淬火

激光淬火以高能激光为热源，使金属表面快速加热和冷却，从而瞬间完成淬火过程，获得高硬度和超细马氏体组织，提高金属表面的硬度和耐磨性，在表面形成压应力，提高抗疲劳能力。该工艺的核心优势包括热影响区小、变形小、自动化程度高、选择性淬火灵活性好、细化晶粒硬度高、智能环保。比如激光光斑可调，可以淬火任意宽度位置；其次，多轴机器人联动的激光头可以对复杂零件的指定区域进行淬火。再比如激光淬火温度极高，冷却迅速，淬火应力和变形小。激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略不计，因此特别适合精度要求高的零件表面处理。

目前，激光淬火已成功应用于汽车工业、模具工业、五金工具和机械工业的易损件表面强化，特别是在延长齿轮、轴面、导轨、钳口、模具等易损件的使用寿命方面，效果显著。激光淬火的特点如下:

1)激光淬火是快速加热和自激冷却，不需要炉内保温和冷却液淬火。它是一种无污染、环保的热处理工艺，可以很容易地对大型模具表面进行均匀淬火；

2)由于激光加热速度快，热影响区小，而且是表面扫描加热淬火，即瞬时局部加热淬火，所以加工的模具变形很小；

3)由于激光束的发散角很小，具有很好的方向性，通过导光系统可以对模具表面进行精确的局部淬火；

4)激光表面淬火硬化层深度一般为0.3 ~ 1.5毫米..

03激光退火

激光退火是指用激光加热材料表面，使材料长时间暴露在高温下，然后缓慢冷却的热处理过程。这个过程的主要目的是释放应力，增加材料的延展性和韧性，产生特殊的显微组织。其特点是调整基体结构，降低硬度，细化晶粒，消除内应力。近年来，激光退火技术也成为半导体加工行业的一项新技术，可以大大提高集成电路的集成度。

04激光冲击强化

激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子体冲击波来提高金属材料的抗疲劳性、耐磨性和耐腐蚀性的高新技术。它具有无热影响区、高能效、超高应变速率、可控性强、强化效果显著的突出优点。同时，激光冲击强化具有残余压应力更深、显微组织和表面完整性更好、热稳定性更好、使用寿命更长的特点。近年来，这项技术发展迅速，在航空航天、国防、军工等领域潜力巨大。此外，涂层主要用于保护工件免受激光灼伤，增强对激光能量的吸收。目前常用的涂层材料有黑漆和铝箔。

激光喷丸(LP)又称激光冲击喷丸(LSP)，是一种应用于表面工程领域的技术，即利用脉冲大功率激光束在材料内部产生残余应力，以提高材料表面的抗损伤能力(如耐磨性、抗疲劳性)，或提高材料的薄断面强度，从而强化材料的表面硬度。

与大多数材料加工应用不同，LSP不使用激光功率进行热处理以达到所需的效果，而是使用光束冲击进行机械加工。高功率激光束以高功率短脉冲撞击目标工件表面。

光束撞击金属工件，立即将工件蒸发成薄层等离子体状态，并对工件施加冲击波压力。有时会在工件上附着一层薄薄的不透明涂层材料来代替金属蒸发。为了提高压力，使用其他透明涂层材料或惯性干涉层来捕获等离子体(通常是水)。

等离子体产生冲击波效应，在冲击点重塑工件表面的微观结构，进而产生金属膨胀和压缩的连锁反应。这种反应产生的深层压应力可以延长部件的使用寿命。

05激光合金化

激光合金化是一种新型的表面改性技术，可根据航空材料的不同服役条件，利用高能量密度激光束加热快、凝结速度快等特点，在结构件表面制备非晶-纳米晶增强金属陶瓷复合涂层，从而达到航空材料表面改性的目的。与激光合金化技术相比，激光熔覆技术具有基材对熔池的稀释率小、热影响区小、工件受热变形小、激光熔覆处理后工件废品率小等特点。激光熔覆能显著改善材料表面性能，修复磨损材料，具有高效、高速、环保无污染、处理工件性能好等特点。

06激光熔覆

激光熔覆技术也是代表表面工程发展方向和水平的新型表面改性技术之一。激光熔覆技术因其无污染且制备的涂层与基体之间为冶金结合，已成为钛合金表面改性的研究热点。激光熔覆陶瓷涂层或陶瓷颗粒增强复合涂层是提高钛合金表面结合力的有效途径。根据实际工作条件，选择合适的材料体系，采用激光熔覆技术，可以达到最佳的工艺要求。激光熔覆技术可以修复各种失效零件，如航空发动机叶片。

激光表面合金化与激光表面熔覆的区别在于，激光表面合金化是将添加的合金元素与液态的基体表层充分混合，形成合金层。而激光表面熔覆是将所有的预涂层熔化，将基材表层稍微熔化，使熔覆层与基材形成冶金结合，保持熔覆层成分基本不变。激光合金化和激光熔覆技术主要用于提高钛合金的表面耐磨性、耐腐蚀性和抗分级性。

目前，激光熔覆技术已广泛应用于金属表面的修复和改性。然而，传统的激光熔覆虽然具有加工灵活、异形修复、自定义添加等优点和特点。，其工作效率较低，在一些生产领域仍不能满足大规模、快速生产加工的要求。为了满足高速大批量生产的需求，提高熔覆效率，高速激光熔覆技术应运而生。

高速激光熔覆技术可实现致密无缺陷的熔覆层，表面质量致密，与基材呈冶金结合，无开放性缺陷，表面光滑平整。不仅可以在回转体上加工，也可以在平面和复杂曲面上加工。通过不断的技术优化，该技术可广泛应用于煤炭、冶金、海洋平台、造纸、家电、汽车、船舶、石油、航空航天等行业，成为可替代传统电镀技术的绿色再制造工艺。

07激光雕刻

激光雕刻是一种基于数控技术的激光加工工艺，将高能激光束投射到材料表面，利用激光的热效应在材料表面产生清晰的图案。被加工材料在激光雕刻的照射下熔化气化的物理变性，可以使激光雕刻达到加工目的。激光雕刻是利用激光在物体上雕刻字符。用这种技术雕刻出来的文字没有刻痕，物体表面光滑平整，不会磨损文字。其特点和优点包括:安全可靠；细致，精度可达0.02mm；节约环保和加工材料；根据输出图案高速、高速雕刻；成本低，加工数量不受限制等。

08激光3D打印

该工艺采用激光熔覆技术，用激光照射喷嘴输送的粉末流，直接熔化单质或合金粉末。激光束离开后，合金液快速凝固，实现合金的快速成型。目前已广泛应用于工业建模、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕塑、珠宝等领域。

09激光表面处理和再制造的典型工业应用

目前，激光表面处理和增材制造技术、工艺和设备广泛应用于冶金、矿山机械、模具、石油电力、五金工具、轨道交通、航空航天、机械等行业。

10激光电镀技术的应用

激光电镀是一种新型高能束流电镀技术，对微电子器件和大规模集成电路的生产和修复具有重要意义。目前，虽然激光电镀、激光烧蚀、等离子激光沉积和激光喷涂的原理仍在研究中，但其技术已经在实践中。当连续激光或脉冲激光照射在电镀槽中的阴极表面上时，可以大大提高金属的沉积速率，并且可以通过计算机控制激光束的轨迹来获得所需的具有复杂几何形状的未屏蔽涂层。

激光电镀在实践中的应用主要基于以下两个特征:

①在激光照射区的速度远高于在体内的速度(约103倍)；

②激光控制能力强，能使材料的必要部分析出所需量的金属。普通电镀发生在整个电极基板上，电镀速度慢，难以形成复杂精细的图案。激光电镀可以将激光束调整到微米尺寸，并在微米尺寸上进行无屏蔽跟踪。这种类型的高速跟踪对于电路设计、电路修复和微电子连接器部件上的局部沉积越来越实用。

与普通电镀相比，具有以下优点:(1)沉积速度快，激光镀金可达1μm/s，激光镀铜可达10μm/s，激光喷射镀金可达12μm/s，激光喷射镀铜可达50微米/s；(2)金属沉积仅发生在激光照射区域，无需屏蔽措施即可获得局部沉积涂层，简化了生产工艺；(3)涂层的结合力大大提高；(4)易于实现自动控制；(5)节约贵金属；(6)节省设备投资和加工时间。

当连续激光或脉冲激光照射在电镀槽中的阴极表面上时，可以大大提高金属的沉积速率，并且可以通过计算机控制激光束的轨迹来获得所需的具有复杂几何形状的未屏蔽涂层。目前激光喷射强化电镀新技术将激光喷射强化电镀技术与电镀液喷射相结合，使激光和电镀液同时射向阴极表面，其传质速率大大超过激光照射引起的微搅拌，从而达到极高的沉积速率。

11未来的发展和创新

展望未来，激光表面处理和增材制造装备的发展方向可以概括为:

高效率——加工效率高，满足现代工业的快生产节奏；

高性能——设备功能多样，性能稳定，适用于不同工况；

高智能——智能水平不断提高，人工干预较少；

成本低——设备成本可控，耗材成本降低；

定制——设备的个性化定制，精准的售后服务，

复合——将激光技术与传统加工技术相结合。