激光表面处理技术及应用
摘 要：
表面技术具有学科的综合性，手段的多样化，广泛的功能性，很强的实用性和巨大的增效性，激光技术在表面处理上得到充分利用，发挥了巨大的作用。
关键词：
激光、表面处理、应用
前 言
激光技术是20世纪60年代最重要的科技成就之一，它的出现，几乎对整个科技领域的发展起了重大的改革和推动作用。激光以其亮度高、方向性好、单色性好、相干性好等特有的光学性能，已与多个科学相结合形成多个应用技术领域。激光加工技术是近几十年来迅速发展起来的一门高新技术，它是以高密度能源为中心，快速、局部地对机械零部件进行特种加工与处理，能够完成普通机械加工无法解决的一系列问题，尤其在零部件的表面处理方面成效更为显著。激光表面处理是使用激光束进行加热，使工件表面迅速熔化一定深度的薄层，同时采用真空蒸镀、电镀、离子注入等方法把合金元素涂覆于工件表面，在激光照射下使其与基体金属充分融合，冷凝后在模具表面获得厚度为10～1000μm具有特殊性能的合金层，冷却速度相当于激冷淬火。热处理是个很宽泛的概念，激光冲击可以说是热处理的一种形式。冲击是利用大功率短脉冲激光在极短时间内发出的冲击波对材料进行照射，将材料表面加热到汽化温度，突然汽化导致极高的应压力，使材料表面发生塑性形变，行程密集的错位、空位和空位团，从而改变材料表面的组织和力学性能。这是激光热处理的一种形式。其他还有激光淬火、激光熔凝、激光合金化、激光熔覆。激光表面优化处理技术是利用高能激光对金属、合金、陶瓷和复合材料或零部件进行表面优化处理，从而提高材料和零部件的抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀、防氧化等性能，延长其使用寿命，是近二十年来发展起来的一种新兴材料表面处理技术。
1激光表面处理设备
激光表面处理设备主要包括激光器和外围装置等。
1.1激光器
工作物质、激励源和谐振器三者结合在一起称为激光器。激光器的种类主要有固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器和化学激光器。固体激光器的输出功率高，广泛应用于工业加工方面，并且可以做到小而耐用，使用野外作业。目前工业上用来进行表面处理的激光器大多数为CO2气体激光器，它是一种依靠在光学谐振腔内发生辉光放电激励的分子激光器，是目前可输出功率最大的激光器，它以CO2为工作物质，同时加入He和N2作为辅助气体。
1.2外围装置
外围装置主要包括光学系统、机械系统和辅助系统等。在激光工艺装置中，光学系统主要包括聚焦和观察两部分，将高功率密度的激光束准确的照射在被处理部位，并且严格控制处理工程。机械系统是使激光束对工件表面进行扫描的机构和控制装置。辅助系统包括范围很广，有遮蔽连续激光工作间断式的遮光装置、防止激光造成人身伤害的屏蔽装置、吸气排气装置、冷却水加温装置、激光功率和模式的监控装置和对激光对准装置等。
2激光表面处理工艺
激光表面处理工艺主要有激光相变硬化、激光熔融及激光表面冲击三类。激光熔融又有激光表面熔融、激光表合金化和激光表面熔融。
2.1激光淬火处理
激光淬火处理也叫激光固态相变硬化。在高能激光束的作用下，一定深度的表层和基体形成很高的温度梯度，当激光离开后，由于基体材料的快速传热而使表层急冷，形成高硬度的隐晶马氏体组织。该技术对材料整体热影响很小，零件变形极小，可作为最后处理工序，而无需后续加工。
其应用对象可为铸铁、碳钢、合金钢及固熔强化的铝合金、钛合金等。处理后，不仅使材料或零件保持整体韧性和抗冲击性，还可得到高硬度、高耐磨的表层。激光淬火处理技术在目前各类激光表面优化处理中技术最成熟、应用最广泛。汽车里的许多零部件如发动机缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、挺杆、缸盖等，机床电磁离合器零件如连接件、齿环、花键套等，冷冲模具、铆压模具、各类轴承和齿轮、导轨、块规、刀具、量刃具，石油抽油泵泵筒、轧钢用冷、热轧辊，各类主轴、丝杠，机用、手用钢锯条等都可利用激光淬火处理技术提高使用寿命，效果显著。
2.2激光熔凝
激光熔凝处理是利用高能量密度的激光束扫描金属材料表层使其快速熔化．从而造成熔化表层和基体之间很大的温度梯度，待激光扫过后，熔化表层快速冷却而凝固，形成极细的亚稳相、过饱和相以至非晶相组织.这样既可减少金属表层的微孔和裂纹，提高抗腐蚀性能，又可提高表层的硬度和强度，特别对铸造零件和焊缝的改性非常有效。例如，汽车发动机的铸铁凸轮轴、摩擦飞轮等经激光熔凝处理后，耐磨性和抗腐蚀性能都有明显提高。
激光熔凝处理工艺简单、成熟、易于控制，被加工件的热影响区小，因而变形较小，但由于被加工件表面发生微熔，故平整表面的粗糙度会有所增加，需增加精磨等后续加工。
2.3激光合金化
激光合金化处理是利用激光作为热源．使外加合金元素和基体金属表层融合而形成一种新的合金层，获得基体金属所没有的新性能：激光合金化技术具有很大的自由度，可根据不同的性能设计要求而采用不同的外加合金元素．从而使廉价的基体金属得到优异的表面性能，而且原料消耗很少，是一项经济而高效的表面处理技术。
激光合金化技术常用于对性能要求比较苛刻的材料处理。如要求耐磨性很高的材料、工作在强腐蚀、强氧化、高温或其它复杂恶劣环境中的材料。因此，激光合金化技术在航空航天、兵器制造、汽车、模具；采掘机械制造等工业部门具有广阔的应用前景。
2.4激光熔覆处理
激光溶覆处理是根据工况对零件表面性能的要求，选择相应的涂敷材料(合金、陶瓷粉末或其它复合粉末)，先预涂在零件表面，然后用高能激光束进行扫描，控制激光参数使涂敷材料完全熔化而基体微熔，随后凝固形成和基体为冶金结合的涂敷层。目前更为先进的激光熔覆工艺已不采用预涂的方法，而是采用同步送粉装置，在激光束扫描基体表面使之熔化的同时，将涂敷材料的粉末喷注在激光熔池内，可以一次获得较厚的涂敷层。在实际应用中，涂敷材料多选择Co-Cr基、Ni-Cr基、Fe-Cr基合金粉末配以一定数量的陶瓷材料，如WC、TiC、Al2O3、VC、BN、ZrO2、SiC、B4C等，形成致密的超硬金属陶瓷涂层，厚度可达0.1- 十几毫米之间。
激光熔覆处理的应用主要是高耐磨、抗腐蚀、抗氧化性要求更高的零件，如汽轮机叶片、电厂排粉机叶片（表面熔覆Co-Cr-Mo合金）、石油钻头、穿孔顶头、高压阀门密封面、轧辊、阀座、阀杆、泥浆泵和抽油泵内壁。另外，激光熔覆技术对磨损报废的零件进行整体或局部修复十分有效。激光熔覆技术是一种发展潜力极大的表面处理技术。
激光表面处理技术与淬火、电镀、喷涂等常规表面热处理方法、以及与近代物理方法（PVD）、化学方法（CVD）相比，其优越性通过下表可以看出。激光束这一领域快速提高了表面温度（达 1000K/S ），薄层转换成奥氏体。通过冷热传导去除能量导致自行谇灭，由此产生快速冷却表面层和奥氏体转换为马氏体的转变过程。激光硬化的基本目标是提高耐磨性。磨损减少是基于激光硬化后的零件表面硬度高于磨损媒介的硬度。由于摩擦系数的降低，提高了抗粘磨损，同时可以提高其疲劳强度。
3激光束加工的优点
（1）不需要工具，适合于自动化连续操作。
（2）不受切削力影响，容易保证加工精度。
（3）能加工所有材料。
（4）加工速度快，效率高，热影响区小。
（5）可加工深孔和窄缝，直径或宽度可小到几微米，深度可以达到直径或宽度的10倍
以上。
（6）可透过玻璃对工件进行加工。
（7）工件可以不放在真空室中，也不需要用X射线进行防护，装置较为简单。
（8）激光束传递方便，容易控制。
4应用领域
激光表面处理技术在信息领域、制造业(电子、半导体、机械、汽车、飞机等制造行业)、军事领域、智能化识别及医疗仪器等方面都具有重要应用，特别是激光微细加工向普通的微机械加工提出了巨大的挑战。 随着激光技术的进一步发展和市场的不断扩大，激光表面处理技术将在所有制造领域内取代传统的机械制造，激光微制造技术使微精密元件成为可能，并使微系统朝着多样化和智能化方向发展，最终在汽车、医疗和环保领域得到更广泛的应用，在国民经济和工业发展中起着日益重要的作用，并正显示出越来越广泛的工业应用前景。下面对激光在表面处理技术中的典型应用的核心内容予以介绍。典型的应用领域如下：
4.1金属成型模具
金属成型模具在工业中被广泛的使用。几乎所有的与板材的接触面都容易磨损，尤其是接触圆角部位,这些区域通过火焰或电磁感应能被硬化。激光硬化适合精确与快速处理的表面硬化。最低的热能输入使扭曲度降至最低。能硬化至 5m 长， 25mm 宽， 3m 深，激光硬化的灵活性使得各种成型模具被硬化。
激光硬化金属成型模具，一个不断增长的激光束硬化应用是注塑模具，典型的模具如分段或整体成型模具重达 10 吨或更多。在生产过程中，高的注射压力（ ~100bar ）将在入口和密封面导致严重磨损，尤其是当塑料中有磨损介质时，模具的磨损会导致零件出现毛刺，并需要大量手工打磨。
4.2激光在热处理方面的应用
激光热处理技术是近二十年来发展起来的一种新形材料表面处理技术，近些 年来，大功率激光器和辅助设备的制造技术日益提高，各种表面处理技术日益成熟，使得激光热处理技术的工业应用和深入研究异常活跃。
激光热处理技术的原理基于激光的穿透能力极强，当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时，其表面迅速奥氏体化，然后急速自冷淬火，金属表面迅速被强化，即激光相变硬化。
激光热处理技术可以解决其它表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化问题。经过激光处理后，铸层表层强度可达HRC60度以上，中碳及高碳钢，合金钢的表层硬度可达HRC70度以上，从而提高其抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀、防氧化等性能，延长其使用寿命。
4.3激光在焊接方面的应用
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，该技术具有热影响区窄，焊缝小，大气压力下进行不要求保护气氛，不产生X射线，在磁场内不会出现束偏移等特点，又加之其焊速快、与工件无机械接触、可焊接磁性材料，尤其可焊高熔点的材料和异种金属，并且
不需要添加材料，因此很快在电子行业中实现了产业化。国外利用固体YAG激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平。另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击，对电路管芯无影响。日本自九十年代以来，在电子行业的精密焊接方面已实现了从点焊向激光焊接的转变。目前，激光深熔焊接在粉末冶金材料加工领域中的应用也越来越多。
总之，与普通焊接方法相比，激光深熔焊接具有焊接速度快、焊缝深宽比大、热影响区和热变形小、焊缝强度高、易于实现自动化等优点，因此在工业中得到广泛应用。
4.4激光在熔覆涂层方面的应用
激光熔覆又称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基材表面形成与冶合金结合的填料熔覆层。
由于激光熔覆可将高熔点的的材料熔覆在低熔点的基材表面，而且材料的成分亦不受通常的冶合金热力学条件的限制，因此所采用的熔覆材料的范围是相当广泛的，包括镍基、钴基、铁基合金、碳化物复合合金材料以及陶瓷材料等，其中合金材料和碳化物复合材料的激光熔覆较为成熟，并已获得实际应用。又由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程，激光熔覆对基材的热影响较小，引起的变形也较小。控制激光的输入能量，还可以将基材的稀释作用限制在极低的程度（一般为2%-8%），从而又保持了原熔覆材料的优异性能，因此该技术以提高材料表面的耐磨、耐蚀等性能为目的，主要用于大型贵重零件磨损后的修复及增强新制造的零件性能。
4.5激光在微细加工中的应用
90年代初，随着微机械制造技术和微型机电系统MEMS（Micro Electric Mechanical System）的研究与应用，激光加工的新兴分支，“激光微加工”正在蓬勃的兴起。激光微加工一般是指特征尺寸小于100μm的加工，是微机械制造的一种主要加工技术。
激光加工的实质是激光将能量传递给被加工材料，被加工材料发生物理或化学变化，使其达到加工的目的。激光微细加工工艺既能加工出较为复杂的微型结构，且所要求的条件又不像异性刻蚀和LIGA技术那么苛刻，在实验室和工厂较容易实现，又由于激光具有高时间及高空间分辨率，使之有可能在需要高精密加工的场合（如电子、半导体、通讯等行业）得到进一步推广和应用，所以激光微细加工向普通微机械加工提出了巨大的挑战。
结 论
激光表面处理技术解决了其它表面处理方法无法解决或不好解决的问题，激光在智能识别、快速成型、焊接、熔覆涂层、微加工中也得到了广泛的应用。随着激光技术的进一步发展和市场的不断扩大，激光技术必将在更宽更广的领域中得到更充分的应用。
参考文献
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