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激光表面处理是利用高功率密度的激光束以非接触方式加热材料表面，并通过表面本身的传导冷却实现其表面改性的技术。这对改善材料表面的力学和物理性能，以及提高零件的耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性大有裨益。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打印等激光增材制造技术迎来了广阔的应用前景。 激光表面处理及增材制造技术概述 当前，我国传统制造业面临深度转型升级，其中高附加值、高技术壁垒的高端精密加工是重要方向之一，激光表面处理是核心精密加工技术，优势明显：能量集中、热影响区小、工件变形小；可以加工复杂表面形状的工件，容易实现自动化生产线。激光表面处理可以大大提高工件产品的性能，提高其使用效率，延长其使用寿命。 01 激光清洗 激光清洗是近年来发展迅速、应用广泛的一种新型表面清洗技术。它采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，从而达到清洁工艺。激光清洗主要分为除锈、除油、脱漆、除涂层等工序；主要用于金属清洗、文物清洗、建筑清洗等。因其功能全面、加工精密灵活、高效节能、环保、不损伤基材、智能、清洗质量好、安全、适用范围广，在各工业领域越来越受到青睐。 02 激光淬火 激光淬火采用高能激光作为热源，使金属表面快速加热冷却，瞬间完成淬火过程，从而获得高硬度、超细马氏体组织，提高金属表面硬度和耐磨性，表面形成压应力，提高抗疲劳性能。该工艺的核心优势包括热影响区小、变形小、自动化程度高、选择性淬火的柔性好、细化晶粒的硬度高、智能化和环保化。比如激光光斑可调，可以淬火任意宽度位置；其次，激光头和多轴机器人可以淬火复杂零件的指定区域。在另一个例子中，激光淬火非常热并且快速冷却，并且淬火应力和变形很小。激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略不计，因此特别适用于高精度零件的表面处理。 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等易损件的表面强化，特别是提高齿轮、轴面、导轨、钳口和模具等易损件的使用寿命，效果显著。 03 激光合金化 激光合金化是以高能激光为热源，通过喷涂的方式照射预制在金属工件表面的超细金属陶瓷材料，使其在激光束的作用下快速熔融渗透，从而改变工件表面的成分，获得组织细小、耐磨性高的合金层，大大提高工件在高温腐蚀条件下的耐磨性。该技术具有成本低、无需后续加工、变形小、速度快等优点。 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、能量利用率高、超高应变率、可控性强、强化效果显著等突出优点。同时，激光冲击强化具有残余压应力更深、组织和表面完整性更好、热稳定性更好等特点 激光雕刻是基于数控技术，将高能激光束投射到材料表面，利用激光产生的热效应在材料表面产生清晰的图案。激光雕刻照射下瞬间熔化气化的材料的物理改性，可以使激光雕刻达到加工的目的。激光雕刻是用激光在物体上书写文字。这种工艺雕刻的文字没有刻痕，物体表面光滑平整，字迹不会磨损。其特点和优点包括：安全可靠；精确，精度可达0.02毫米；节约环保和加工材料；高速快速，可根据输出图案高速雕刻；成本低，不受加工数量等限制。 05 激光雕刻 激光退火是指用激光对材料表面进行加热，长时间暴露在高温下，然后缓慢冷却的热处理工艺。这种工艺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。其特点是能调整基体结构，降低硬度，细化晶粒，消除内应力。近年来，激光退火技术已经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。 06 激光退火 激光熔覆技术以高能激光为热源，金属合金粉为焊接材料。在激光和合金粉的同时作用下，金属表面快速熔化形成熔池，然后快速凝固形成致密、均匀、厚度可控的冶金结合层。熔覆层具有特殊的物理、化学或机械性能，从而达到修复工件表面尺寸、强化和延长使用寿命的效果。近年来，它已成为国内外激光表面改性研究的热点。该技术的特点和优势包括选材多样化、成型优良、光滑洁净、冶金结合强度高、环保降耗。 2020年12月，武钢华工激光公司联合苏州大学、华中科技大学申请“添加剂制造与激光制造”——“高效高精度多功能激光添加剂制造系列熔覆喷嘴研发”专项，已成功通过科技部验收。此次公司承担了“激光熔覆系列喷嘴轻外送粉的R&D与集成”课题，完成了激光深孔熔覆加工头、激光变焦熔覆头等9种激光熔覆头，其中6种已通过设备系统集成提供给用户实际应用，解决了大功率连续工况的应用。这些激光熔覆头将集成到激光熔覆设备中，用于冶金、煤炭、机械、化工、军工等行业。 07 激光熔覆 该工艺采用激光熔覆技术，通过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，实现快速合金化。目前已广泛应用于工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医药、考古、文化艺术、雕塑、珠宝等领域。 08 目前，激光表面处理和添加剂制造技术、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。 激光3D打印 激光表面处理及再制造典型行业应用 激光表面处理及再制造的常见应用领域 比如42CrMo钢轧机主动齿轮轴的激光熔覆工艺，硬度可以从HRC 22-25提高到HRC 35-42；熔覆层单面为1.2 mm，该工艺的特点是修复了承载位置，恢复了成品尺寸，耐磨性大大提高。此外，铸钢轧机机架激光修复后，日常磨损的沟槽和腐蚀坑可改为原来的机架尺寸恢复，并且 27 SiMn钢瓶激光熔覆替代传统电镀工艺，加工后硬度为HRC 50-60。通过包覆0.6-1.5毫米的单层，显著提高了基体的耐磨和耐腐蚀性能 01 冶金行业典型应用 通过激光淬火，中碳钢模具的硬度从HRC22-25提高到HRC 55-58。淬火层厚度为0.6-1.2毫米；该工艺具有局部硬化、不变形、角部不烧熔塌边的特点，有效替代了传统热处理无法处理的成形模R的选择性淬火方法。 轧机驱动齿轮轴激光熔覆 铜喷嘴激光熔覆 02 无论是车轮、钢轨的激光除锈、车身焊缝处理、钢轨氧化层去除，激光清洗技术都能具有基体不变形、环保高效、操作方便、无耗材的特点。 煤机行业典型应用 03 钛、铝及合金系列航空航天零件及原材料的激光清洗工艺采用功率50-2000瓦的设备，清洗效率为0.5-8 m2/h；精细高效，对基材无损伤，有效替代传统手工抛光和化学清洗工艺。 模具行业典型应用 中碳钢的模具激光淬火 04 轨道交通行业典型应用 据统计，我国关键基础零部件的失效每年都会造成巨大的工业损失(约占国民经济总产值的3%-5%)。其中，80%以上是由表面局部磨损、腐蚀等故障造成的，直接损失超过一万亿元。有鉴于此，推动了加工精度高、易于数字化控制、效率更高的激光增材制造和表面处理技术的进一步发展和普及。实践证明，该技术在机械制造与维修、冶金、煤矿、汽车、航空航天、石油化工等领域具有广阔的应用空间。 随着我国智能制造的不断发展和创新，加工对象、工艺方法和应用领域不断扩大。近年来，仅航空航天、轨道交通、汽车制造等高端清洁领域的中国工业清洁市场就已达到千亿元。我国金属3D打印技术的不断完善，补充了传统技术开模困难、精度低、耗时长、装配繁琐等缺点，为高端装备的制造做出了贡献。激光表面处理技术应用于模具、五金工具等行业，实现低等级材料的高性能表面改性，实现零部件制造的低成本、长寿命，具有可观的社会效益和经济效益。 诚然，激光表面处理和增材制造领域在创新上也面临诸多挑战，关键在于实现新旧工艺和理念的转换。材料方面，急需攻克新材料的研发；新材料的批量生产和材料成本。在设备方面，研究方向包括光源的稳定性；镜头的承载能力；光路配置的优化；智能控制技术；和设备小型化。同时，针对技术层面，要继续加强对激光技术的极致探索；复合技术的深入挖掘，使技术能够适应和满足更多行业的技术需求。 展望未来，激光表面处理及添加剂制造设备的发展方向可以概括为：高效——加工效率高，符合现代工业快速生产节奏；高性能——设备功能多样，性能稳定，适用于不同工况；高智能——的智能化水平不断提升，人工干预少；低成本——设备成本可控，耗材成本降低；定制——设备，个性化定制，精准售后服务，以及复合——激光技术与传统加工技术的结合。 本文选自《中国激光界》期。 |
