激光表面處理是利用高功率密度激光束以非接觸方式加熱材料表面，通過材料表面本身的傳導(dǎo)冷卻實(shí)現(xiàn)其表面改性的技術(shù)。對(duì)提高材料表面的機(jī)械和物理性能，以及零件的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性有很大的好處。近年來，激光清洗、激光淬火、激光合金化、激光沖擊強(qiáng)化、激光退火等激光表面處理技術(shù)以及激光熔覆、激光3D打印、激光電鍍等激光增材制造技術(shù)迎來了廣闊的應(yīng)用前景。
01激光清潔
激光清洗是目前正在迅速發(fā)展的一種新型表面清洗技術(shù)。它利用高能脈沖激光束照射工件表面，使表面的污垢、顆?；蛲繉铀查g蒸發(fā)或膨脹、剝落，從而達(dá)到清潔的過程。激光清洗主要分為除銹、除油、脫漆、去涂層。主要用于金屬清洗、文物清洗、建筑清洗等。它以其功能全面、加工精確靈活、高效節(jié)能、環(huán)保、不損傷基材、智能化、清洗質(zhì)量好、安全、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，越來越受到各工業(yè)領(lǐng)域的青睞。
與機(jī)械摩擦清洗、化學(xué)腐蝕清洗、液體和固體的強(qiáng)沖擊清洗、高頻超聲波清洗等傳統(tǒng)清洗方法相比，激光清洗具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
02激光淬火
激光淬火以高能激光為熱源，使金屬表面快速加熱和冷卻，從而瞬間完成淬火過程，獲得高硬度和超細(xì)馬氏體組織，提高金屬表面的硬度和耐磨性，在表面形成壓應(yīng)力，提高抗疲勞能力。該工藝的核心優(yōu)勢(shì)包括熱影響區(qū)小、變形小、自動(dòng)化程度高、選擇性淬火靈活性好、細(xì)化晶粒硬度高、智能環(huán)保。比如激光光斑可調(diào)，可以淬火任意寬度位置；其次，多軸機(jī)器人聯(lián)動(dòng)的激光頭可以對(duì)復(fù)雜零件的指定區(qū)域進(jìn)行淬火。再比如激光淬火溫度極高，冷卻迅速，淬火應(yīng)力和變形小。激光淬火前后工件的變形幾乎可以忽略不計(jì)，因此特別適合精度要求高的零件表面處理。
目前，激光淬火已成功應(yīng)用于汽車工業(yè)、模具工業(yè)、五金工具和機(jī)械工業(yè)的易損件表面強(qiáng)化，特別是在延長(zhǎng)齒輪、軸面、導(dǎo)軌、鉗口、模具等易損件的使用壽命方面，效果顯著。激光淬火的特點(diǎn)如下:
1)激光淬火是快速加熱和自激冷卻，不需要爐內(nèi)保溫和冷卻液淬火。它是一種無污染、環(huán)保的熱處理工藝，可以很容易地對(duì)大型模具表面進(jìn)行均勻淬火；
2)由于激光加熱速度快，熱影響區(qū)小，而且是表面掃描加熱淬火，即瞬時(shí)局部加熱淬火，所以加工的模具變形很??；
3)由于激光束的發(fā)散角很小，具有很好的方向性，通過導(dǎo)光系統(tǒng)可以對(duì)模具表面進(jìn)行精確的局部淬火；
4)激光表面淬火硬化層深度一般為0.3 ~ 1.5毫米..
03激光退火
激光退火是指用激光加熱材料表面，使材料長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下，然后緩慢冷卻的熱處理過程。這個(gè)過程的主要目的是釋放應(yīng)力，增加材料的延展性和韌性，產(chǎn)生特殊的顯微組織。其特點(diǎn)是調(diào)整基體結(jié)構(gòu)，降低硬度，細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力。近年來，激光退火技術(shù)也成為半導(dǎo)體加工行業(yè)的一項(xiàng)新技術(shù)，可以大大提高集成電路的集成度。
04激光沖擊強(qiáng)化
激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是利用強(qiáng)激光束產(chǎn)生的等離子體沖擊波來提高金屬材料的抗疲勞性、耐磨性和耐腐蝕性的高新技術(shù)。它具有無熱影響區(qū)、高能效、超高應(yīng)變速率、可控性強(qiáng)、強(qiáng)化效果顯著的突出優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，激光沖擊強(qiáng)化具有殘余壓應(yīng)力更深、顯微組織和表面完整性更好、熱穩(wěn)定性更好、使用壽命更長(zhǎng)的特點(diǎn)。近年來，這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅速，在航空航天、國(guó)防、軍工等領(lǐng)域潛力巨大。此外，涂層主要用于保護(hù)工件免受激光灼傷，增強(qiáng)對(duì)激光能量的吸收。目前常用的涂層材料有黑漆和鋁箔。
激光噴丸(LP)又稱激光沖擊噴丸(LSP)，是一種應(yīng)用于表面工程領(lǐng)域的技術(shù)，即利用脈沖大功率激光束在材料內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，以提高材料表面的抗損傷能力(如耐磨性、抗疲勞性)，或提高材料的薄斷面強(qiáng)度，從而強(qiáng)化材料的表面硬度。
與大多數(shù)材料加工應(yīng)用不同，LSP不使用激光功率進(jìn)行熱處理以達(dá)到所需的效果，而是使用光束沖擊進(jìn)行機(jī)械加工。高功率激光束以高功率短脈沖撞擊目標(biāo)工件表面。
光束撞擊金屬工件，立即將工件蒸發(fā)成薄層等離子體狀態(tài)，并對(duì)工件施加沖擊波壓力。有時(shí)會(huì)在工件上附著一層薄薄的不透明涂層材料來代替金屬蒸發(fā)。為了提高壓力，使用其他透明涂層材料或慣性干涉層來捕獲等離子體(通常是水)。
等離子體產(chǎn)生沖擊波效應(yīng)，在沖擊點(diǎn)重塑工件表面的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn)生金屬膨脹和壓縮的連鎖反應(yīng)。這種反應(yīng)產(chǎn)生的深層壓應(yīng)力可以延長(zhǎng)部件的使用壽命。
05激光合金化
激光合金化是一種新型的表面改性技術(shù)，可根據(jù)航空材料的不同服役條件，利用高能量密度激光束加熱快、凝結(jié)速度快等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)件表面制備非晶-納米晶增強(qiáng)金屬陶瓷復(fù)合涂層，從而達(dá)到航空材料表面改性的目的。與激光合金化技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有基材對(duì)熔池的稀釋率小、熱影響區(qū)小、工件受熱變形小、激光熔覆處理后工件廢品率小等特點(diǎn)。激光熔覆能顯著改善材料表面性能，修復(fù)磨損材料，具有高效、高速、環(huán)保無污染、處理工件性能好等特點(diǎn)。
06激光熔覆
激光熔覆技術(shù)也是代表表面工程發(fā)展方向和水平的新型表面改性技術(shù)之一。激光熔覆技術(shù)因其無污染且制備的涂層與基體之間為冶金結(jié)合，已成為鈦合金表面改性的研究熱點(diǎn)。激光熔覆陶瓷涂層或陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層是提高鈦合金表面結(jié)合力的有效途徑。根據(jù)實(shí)際工作條件，選擇合適的材料體系，采用激光熔覆技術(shù)，可以達(dá)到最佳的工藝要求。激光熔覆技術(shù)可以修復(fù)各種失效零件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。
激光表面合金化與激光表面熔覆的區(qū)別在于，激光表面合金化是將添加的合金元素與液態(tài)的基體表層充分混合，形成合金層。而激光表面熔覆是將所有的預(yù)涂層熔化，將基材表層稍微熔化，使熔覆層與基材形成冶金結(jié)合，保持熔覆層成分基本不變。激光合金化和激光熔覆技術(shù)主要用于提高鈦合金的表面耐磨性、耐腐蝕性和抗分級(jí)性。
目前，激光熔覆技術(shù)已廣泛應(yīng)用于金屬表面的修復(fù)和改性。然而，傳統(tǒng)的激光熔覆雖然具有加工靈活、異形修復(fù)、自定義添加等優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。，其工作效率較低，在一些生產(chǎn)領(lǐng)域仍不能滿足大規(guī)模、快速生產(chǎn)加工的要求。為了滿足高速大批量生產(chǎn)的需求，提高熔覆效率，高速激光熔覆技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
高速激光熔覆技術(shù)可實(shí)現(xiàn)致密無缺陷的熔覆層，表面質(zhì)量致密，與基材呈冶金結(jié)合，無開放性缺陷，表面光滑平整。不僅可以在回轉(zhuǎn)體上加工，也可以在平面和復(fù)雜曲面上加工。通過不斷的技術(shù)優(yōu)化，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于煤炭、冶金、海洋平臺(tái)、造紙、家電、汽車、船舶、石油、航空航天等行業(yè)，成為可替代傳統(tǒng)電鍍技術(shù)的綠色再制造工藝。
07激光雕刻
激光雕刻是一種基于數(shù)控技術(shù)的激光加工工藝，將高能激光束投射到材料表面，利用激光的熱效應(yīng)在材料表面產(chǎn)生清晰的圖案。被加工材料在激光雕刻的照射下熔化氣化的物理變性，可以使激光雕刻達(dá)到加工目的。激光雕刻是利用激光在物體上雕刻字符。用這種技術(shù)雕刻出來的文字沒有刻痕，物體表面光滑平整，不會(huì)磨損文字。其特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)包括:安全可靠；細(xì)致，精度可達(dá)0.02mm；節(jié)約環(huán)保和加工材料；根據(jù)輸出圖案高速、高速雕刻；成本低，加工數(shù)量不受限制等。
08激光3D打印
該工藝采用激光熔覆技術(shù)，用激光照射噴嘴輸送的粉末流，直接熔化單質(zhì)或合金粉末。激光束離開后，合金液快速凝固，實(shí)現(xiàn)合金的快速成型。目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)建模、機(jī)械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕塑、珠寶等領(lǐng)域。
09激光表面處理和再制造的典型工業(yè)應(yīng)用
目前，激光表面處理和增材制造技術(shù)、工藝和設(shè)備廣泛應(yīng)用于冶金、礦山機(jī)械、模具、石油電力、五金工具、軌道交通、航空航天、機(jī)械等行業(yè)。
10激光電鍍技術(shù)的應(yīng)用
激光電鍍是一種新型高能束流電鍍技術(shù)，對(duì)微電子器件和大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和修復(fù)具有重要意義。目前，雖然激光電鍍、激光燒蝕、等離子激光沉積和激光噴涂的原理還在研究中，但其技術(shù)已經(jīng)在實(shí)踐中。當(dāng)連續(xù)激光或脈沖激光照射在電鍍槽中的陰極表面上時(shí)，可以大大提高金屬的沉積速率，并且可以通過計(jì)算機(jī)控制激光束的軌跡來獲得所需的具有復(fù)雜幾何形狀的未屏蔽涂層。
激光電鍍?cè)趯?shí)踐中的應(yīng)用主要基于以下兩個(gè)特征:
①在激光照射區(qū)的速度遠(yuǎn)高于在體內(nèi)的速度(約103倍)；
②激光控制能力強(qiáng)，能使材料的必要部分析出所需量的金屬。普通電鍍發(fā)生在整個(gè)電極基板上，電鍍速度慢，難以形成復(fù)雜精細(xì)的圖案。激光電鍍可以將激光束調(diào)整到微米尺寸，并在微米尺寸上進(jìn)行無屏蔽跟蹤。這種類型的高速跟蹤對(duì)于電路設(shè)計(jì)、電路修復(fù)和微電子連接器部件上的局部沉積越來越實(shí)用。
與普通電鍍相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)沉積速度快，如激光鍍金可達(dá)1μm/s，激光鍍銅可達(dá)10μm/s，激光噴射鍍金可達(dá)12μm/s，激光噴射鍍銅可達(dá)50微米/s；
(2)金屬沉積僅發(fā)生在激光照射區(qū)域，無需屏蔽措施即可獲得局部沉積涂層，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝；
(3)涂層的結(jié)合力大大提高；
(4)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；
(5)節(jié)約貴金屬；
(6)節(jié)省設(shè)備投資和加工時(shí)間。
當(dāng)連續(xù)激光或脈沖激光照射在電鍍槽中的陰極表面上時(shí)，可以大大提高金屬的沉積速率，并且可以通過計(jì)算機(jī)控制激光束的軌跡來獲得所需的具有復(fù)雜幾何形狀的未屏蔽涂層。目前激光噴射強(qiáng)化電鍍新技術(shù)將激光噴射強(qiáng)化電鍍技術(shù)與電鍍液噴射相結(jié)合，使激光和電鍍液同時(shí)射向陰極表面，其傳質(zhì)速率大大超過激光照射引起的微攪拌，從而達(dá)到極高的沉積速率。
1未來的發(fā)展和創(chuàng)新
展望未來，激光表面處理和增材制造裝備的發(fā)展方向可以概括為:
高效率——加工效率高，滿足現(xiàn)代工業(yè)的快生產(chǎn)節(jié)奏；
高性能——設(shè)備功能多樣，性能穩(wěn)定，適用于不同工況；
高智能——智能水平不斷提高，人工干預(yù)較少；
成本低——設(shè)備成本可控，耗材成本降低；
定制——設(shè)備的個(gè)性化定制，精準(zhǔn)的售后服務(wù)，
復(fù)合——將激光技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合。