激光表面處理是采用大功率密度的激光束，以非接觸性的方式加熱材料表面．借助于材料表面本身傳導(dǎo)冷卻，來(lái)實(shí)現(xiàn)其表面改性的工藝技術(shù)。它在改善材料表面的力學(xué)性能和物理性能，以及提高零件的耐磨、耐蝕、耐疲勞性能方面大有裨益。近年來(lái)，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(lái)了廣闊的應(yīng)用前景。
01 激光清洗
激光清洗是目前快速發(fā)展的新型表面清潔技術(shù)，其采用高能脈沖激光束照射工件表面，使表面的污物、顆?；蛲繉铀查g蒸發(fā)或膨脹剝離，從而達(dá)到潔凈化的工藝過(guò)程。激光清洗主要分為除銹、除油、除漆、除涂層等工藝；主要應(yīng)用于金屬類清洗，文物類清洗，建筑類清洗等?；谄涔δ苋?、加工精準(zhǔn)靈活、高效節(jié)能、綠色環(huán)保、對(duì)基材無(wú)損傷、智能、清洗質(zhì)量好、安全、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，它在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域愈發(fā)受青睞。與機(jī)械摩擦清洗、化學(xué)腐蝕清洗、液體固體強(qiáng)力沖擊清洗、高頻超聲清洗等傳統(tǒng)清洗方法相比，激光清洗具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。02 激光淬火
激光淬火采用高能量激光作為熱源，使金屬表面快熱快冷，瞬間完成淬火過(guò)程，得到高硬度、超細(xì)的馬氏體組織，提高金屬表面的硬度和耐磨性，并且在表面形成壓應(yīng)力，提高抗疲勞能力。這項(xiàng)工藝的核心優(yōu)勢(shì)包括熱影響區(qū)小、變形量小、自動(dòng)化程度高、選區(qū)淬火柔性好、細(xì)化晶粒硬度高和智能環(huán)保。譬如激光光斑可調(diào)，能夠?qū)θ我鈱挾鹊奈恢眠M(jìn)行淬火；其次，激光頭配合多軸機(jī)器人聯(lián)動(dòng)，可對(duì)復(fù)雜零件的指定區(qū)域進(jìn)行淬火。又如，激光淬火極熱速冷，淬火應(yīng)力及變形小。激光淬火前后工件的變形幾乎可以忽略，因此特別適合高精度要求的零件表面處理。當(dāng)前，激光淬火已成功應(yīng)用于汽車行業(yè)、模具行業(yè)、五金工具、機(jī)械行業(yè)中易損件的表面強(qiáng)化，尤其是在提高齒輪、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、自激冷卻，不需要爐膛保溫和冷卻液淬火，是一種無(wú)污染綠色環(huán)保熱處理工藝，可以很容易實(shí)行對(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，又是表面掃描加熱淬火，即瞬間局部加熱淬火，所以被處理的模具變形很??；3）由于激光束發(fā)散角很小，具有很好的指向性，能夠通過(guò)導(dǎo)光系統(tǒng)對(duì)模具表面進(jìn)行精確的局部淬火；4）激光表面淬火的硬化層深度一般為0.3～1.5mm。03 激光退火
激光退火是指利用激光加熱材料表面，將材料曝露于高溫一段很長(zhǎng)時(shí)間后，然后再慢慢冷卻的熱處理制程。該工藝主要目的是釋放應(yīng)力、增加材料延展性和韌性、產(chǎn)生特殊顯微結(jié)構(gòu)等。其特點(diǎn)是能夠調(diào)整基體組織、降低硬度、細(xì)化晶粒和消除內(nèi)應(yīng)力。近年來(lái)，激光退火技術(shù)也成為半導(dǎo)體加工行業(yè)的一種新工藝，可大幅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)生的等離子沖擊波，提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術(shù)。它具有無(wú)熱影響區(qū)、能量高效利用、超高應(yīng)變率、可控性強(qiáng)以及強(qiáng)化效果顯著等突出優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，激光沖擊強(qiáng)化具有更深的殘余壓應(yīng)力、更好的微觀組織和表面完整性、更好的熱穩(wěn)定性以及更長(zhǎng)的壽命等特點(diǎn)。近年來(lái)該技術(shù)獲得了迅速發(fā)展，在航空航天和國(guó)防軍工等領(lǐng)域大有用武之地。另外，使用涂層的作用主要是保護(hù)工件不被激光灼傷并增強(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等。激光噴丸（LP），又稱激光沖擊強(qiáng)化（LSP），是一種應(yīng)用于表面工程領(lǐng)域的工藝，即利用脈沖高功率激光束在材料中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，以提升材料表面的耐損性（如耐磨性和抗疲勞性），或提高材料薄截面強(qiáng)度，以加強(qiáng)材料表面硬度。與多數(shù)材料加工應(yīng)用不同，LSP并非利用激光功率進(jìn)行熱處理以達(dá)到預(yù)期效果，而是利用光束沖擊進(jìn)行機(jī)械加工。高功率激光束用高功率短脈沖沖擊目標(biāo)工件表面。光束沖擊金屬工件，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)在工件上附加薄層不透明覆面材料，用于代替金屬蒸發(fā)。為了增壓，利用其他透明覆面材料或慣性干擾層捕捉等離子體（通常為水）。等離子體產(chǎn)生沖擊波效應(yīng)，在撞擊點(diǎn)重塑工件表面微觀結(jié)構(gòu)，繼而產(chǎn)生金屬擴(kuò)膨脹和壓縮的連鎖反應(yīng)。該反應(yīng)產(chǎn)生的深層壓縮應(yīng)力可延長(zhǎng)部件壽命。05 激光合金化
激光合金化是一種新型的表面改性技術(shù)，可針對(duì)航空材料不同的服役條件，利用高能密度激光束加熱冷凝速率快等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)件表面制備非晶一納米晶增強(qiáng)金屬陶瓷復(fù)合涂層，達(dá)到航空材料表面改性的目的。激光熔覆技術(shù)相對(duì)激光合金化技術(shù)具有基材對(duì)熔池的稀釋率小、熱影響區(qū)小、工件受熱形變小及激光熔覆處理后工件報(bào)廢率小等特點(diǎn)。激光熔覆可顯著改善材料的表面性能，可針對(duì)磨損失效材料進(jìn)行修復(fù)，具有效率高、速度快、綠色環(huán)保無(wú)污染及處理后工件性能好等特點(diǎn)。
06 激光熔覆
激光熔覆技術(shù)也是代表表面工程發(fā)展方向和水平的表面改性新技術(shù)之一。激光熔覆技術(shù)因無(wú)污染且制備出的涂層與基材呈冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)已成為當(dāng)代鈦合金表面改性的研究熱點(diǎn)。采用激光熔覆陶瓷涂層或陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料涂層是提高鈦合金表面附磨性的有效途徑。根據(jù)實(shí)際工況要求選擇合適的材料體系，采用激光熔覆技術(shù)可達(dá)最佳的工藝要求。激光熔覆技術(shù)可以修復(fù)各種失效零部件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等。激光表面合金化與激光表面熔覆不同之處在于，激光表面合金化是使添加的合金元素和基材表層在液態(tài)下充分混合而形成合金化層；而激光表面熔覆則是使預(yù)涂層全部熔化而基材表層微熔，從而使熔覆層與基材材料形成冶金結(jié)合而保持熔覆層的成分基本不變。激光合金化和激光熔覆技術(shù)主要用來(lái)提高鈦合金的表面耐磨、耐蝕和抗級(jí)化等性能。目前，激光熔覆技術(shù)已廣泛應(yīng)用于金屬表面的修復(fù)改性，但傳統(tǒng)激光熔覆雖然有柔性加工、異形修復(fù)、自定義增材等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，但工作效率偏低，對(duì)于部分生產(chǎn)領(lǐng)域中所要求的大規(guī)?？焖偕a(chǎn)加工需求，仍無(wú)法滿足。為了滿足大批量高速生產(chǎn)需求，提高熔覆工作效率，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(wú)缺陷的熔覆層，熔覆層表面質(zhì)量致密，與基材呈冶金結(jié)合，無(wú)開口性缺陷，表面光滑平整。不僅能夠在回轉(zhuǎn)體上進(jìn)行加工，也能在平面和復(fù)雜曲面上進(jìn)行加工。通過(guò)持續(xù)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、民用家電、汽車、船舶、石油、航空航天行業(yè)，成為可替代傳統(tǒng)電鍍技術(shù)的一種綠色再制造工藝。07 激光雕刻
激光雕刻加工是利用數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，將高能量的激光束投射到材料表面，利用激光產(chǎn)生的熱效應(yīng)，在材料表面產(chǎn)生清晰圖案的激光加工過(guò)程。加工材料在激光雕刻照射下瞬間的熔化和氣化的物理變性，能使激光雕刻實(shí)現(xiàn)加工目的。激光雕刻就是運(yùn)用激光在物件上面刻寫文字，這種技術(shù)刻出來(lái)的字無(wú)刻痕，物體表面光滑平整，字跡亦不會(huì)磨損。其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)涵蓋：安全可靠；精確細(xì)致、精度可達(dá)到0.02mm；節(jié)約環(huán)保、加工節(jié)省材料；高速快捷、可根據(jù)輸出的圖樣高速雕刻；成本低廉、不受加工數(shù)量限制等。
08 激光3D打印
該工藝采用激光熔覆技術(shù)，使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，在激光束離開后，合金液體快速凝固，實(shí)現(xiàn)合金快速成型。目前，已在工業(yè)造型、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)、雕刻、首飾等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
09 激光表面處理及再制造典型行業(yè)應(yīng)用
當(dāng)前，激光表面處理及增材制造技術(shù)、工藝和裝備被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山機(jī)械、模具、石油電力、五金工具、軌交、航空航天、機(jī)械等行業(yè)。
10 激光電鍍技術(shù)的應(yīng)用
激光電鍍是新興的高能束流電鍍技術(shù)，它對(duì)微電子器件和大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和修補(bǔ)具有重大意義。目前，雖然激光電鍍?cè)?、激光消融、等離子激光沉積和激光噴射等方面還在研究之中，但其技術(shù)已在實(shí)用。當(dāng)一種連續(xù)激光或脈沖激光照射在電鍍池中的陰極表面時(shí)，不僅能大大提高金屬的沉積速度，而且可用計(jì)算機(jī)控制激光束的運(yùn)動(dòng)軌跡而得到預(yù)期的復(fù)雜幾何圖形的無(wú)屏蔽鍍層。激光電鍍應(yīng)用于實(shí)際主要基于以下兩種特征：①在激光照射區(qū)域的速度比在本體的電鍍速度高得多（約103倍）；②激光的控制能力強(qiáng)，可使材料的必要部分析出所需的金屬量。普通電鍍發(fā)生在整個(gè)電極基體上，電鍍速度慢，難以形成復(fù)雜和精細(xì)的圖案。采用激光電鍍可把激光束調(diào)節(jié)到微米大小，在微米尺寸上進(jìn)行無(wú)屏蔽描圖。對(duì)于電路設(shè)計(jì)、電路修復(fù)和在微電子連接器部件上的局部沉積，這類型的高速描圖愈來(lái)愈有實(shí)際意義。 與普通電鍍相比，其優(yōu)點(diǎn)是：
（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)50μm/s；
（2）金屬沉積僅發(fā)生在激光照射區(qū)域，無(wú)需采用屏蔽措施便可得到局部沉積鍍層，從而簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝；
（3）鍍層結(jié)合力大大提高；
（4）容易實(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)一種連續(xù)激光或沖激光照射在電鍍池中的陰極表面時(shí)，不僅能大大提高金屬的沉積速且可用計(jì)算機(jī)控制激光束的運(yùn)動(dòng)軌跡而得到預(yù)期的復(fù)雜幾何圖形的無(wú)屏蔽鍍層。目前的激光噴射強(qiáng)化電鍍的新技術(shù)，將激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)與電鍍液噴射結(jié)合起來(lái)，使激光與鍍液同步射向陰極表面，其傳質(zhì)速度大大超過(guò)激光照射所引起的微觀攪拌的傳質(zhì)速度，從而達(dá)到很高沉積速度。
11 未來(lái)發(fā)展與創(chuàng)新
展望未來(lái)，激光表面處理及增材制造設(shè)備發(fā)展方向可歸納為以下幾點(diǎn)：· 高效率——加工效率高，滿足現(xiàn)代工業(yè)快速生產(chǎn)節(jié)奏；· 高性能——設(shè)備功能多樣化，性能穩(wěn)定，適用不同工況；· 高智能——智能化水平不斷提升，人工干預(yù)少；· 低成本——設(shè)備成本可控，耗材成本降低；· 定制化——設(shè)備個(gè)性化定制，精準(zhǔn)售后服務(wù)，· 以及復(fù)合化——激光技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合。
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