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冷卻實現(xiàn)其表面改性的技術(shù)。對提高材料表面的機械和物理性能，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、應用范圍廣等特點，越來越受到各工業(yè)領(lǐng)域的青睞。

與機械摩擦清洗、化學腐蝕清洗、液體和固體的強沖擊清洗、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。

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，在表面形成壓應力，提高抗疲勞能力。該工藝的核心優(yōu)勢包括熱影響區(qū)小、變形小、自動化程度高、選擇性淬火靈活性好、細化晶粒硬度高、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，多軸機器人聯(lián)動的激光頭可以對復雜零件的指定區(qū)域進行淬火。再比如激光淬火溫度極高，冷卻迅速，淬火應力和變形小。激光淬火前后工件的變形幾乎可以忽略不計，因此特別適合精度要求高的零件表面處理。

目前，激光淬火已成功應用于汽車工業(yè)、模具工業(yè)、五金工具和機械工業(yè)的易損件表面強化，特別是在延長齒輪、軸面、導軌、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，可以很容易地對大型模具表面進行均勻淬火；

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，通過導光系統(tǒng)可以對模具表面進行精確的局部淬火；

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，使材料長時間暴露在高溫下，然后緩慢冷卻的熱處理過程。這個過程的主要目的是釋放應力，增加材料的延展性和韌性，產(chǎn)生特殊的顯微組織。其特點是調(diào)整基體結(jié)構(gòu)，降低硬度，細化晶粒，消除內(nèi)應力。近年來，激光退火技術(shù)也成為半導體加工行業(yè)的一項新技術(shù)，可以大大提高集成電路的集成度。

04激光沖擊強化

激光沖擊強化技術(shù)是利用強激光束產(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、超高應變速率、可控性強、強化效果顯著的突出優(yōu)點。同時，激光沖擊強化具有殘余壓應力更深、顯微組織和表面完整性更好、熱穩(wěn)定性更好、使用壽命更長的特點。近年來，這項技術(shù)發(fā)展迅速，在航空航天、國防、軍工等領(lǐng)域潛力巨大。此外，涂層主要用于保護工件免受激光灼傷，增強對激光能量的吸收。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度，從而強化材料的表面硬度。

與大多數(shù)材料加工應用不同，LSP不使用激光功率進行熱處理以達到所需的效果，而是使用光束沖擊進行機械加工。高功率激光束以高功率短脈沖撞擊目標工件表面。

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)，并對工件施加沖擊波壓力。有時會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，在沖擊點重塑工件表面的微觀結(jié)構(gòu)，進而產(chǎn)生金屬膨脹和壓縮的連鎖反應。這種反應產(chǎn)生的深層壓應力可以延長部件的使用壽命。

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，在結(jié)構(gòu)件表面制備非晶-納米晶增強金屬陶瓷復合涂層，從而達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。激光熔覆能顯著改善材料表面性能，修復磨損材料，具有高效、高速、環(huán)保無污染、處理工件性能好等特點。

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。激光熔覆陶瓷涂層或陶瓷顆粒增強復合涂層是提高鈦合金表面結(jié)合力的有效途徑。根據(jù)實際工作條件，選擇合適的材料體系，采用激光熔覆技術(shù)，可以達到最佳的工藝要求。激光熔覆技術(shù)可以修復各種失效零件，如航空發(fā)動機葉片。

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、耐腐蝕性和抗分級性。

目前，激光熔覆技術(shù)已廣泛應用于金屬表面的修復和改性。然而，傳統(tǒng)的激光熔覆雖然具有加工靈活、異形修復、自定義添加等優(yōu)點和特點。，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)應運而生。

高速激光熔覆技術(shù)可實現(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)可廣泛應用于煤炭、冶金、海洋平臺、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，不會磨損文字。其特點和優(yōu)點包括:安全可靠；細致，精度可達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，實現(xiàn)合金的快速成型。目前已廣泛應用于工業(yè)建模、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學、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)備廣泛應用于冶金、礦山機械、模具、石油電力、五金工具、軌道交通、航空航天、機械等行業(yè)。

10激光電鍍技術(shù)的應用

激光電鍍是一種新型高能束流電鍍技術(shù)，對微電子器件和大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和修復具有重要意義。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)在實踐中。當連續(xù)激光或脈沖激光照射在電鍍槽中的陰極表面上時，可以大大提高金屬的沉積速率，并且可以通過計算機控制激光束的軌跡來獲得所需的具有復雜幾何形狀的未屏蔽涂層。

激光電鍍在實踐中的應用主要基于以下兩個特征:

①在激光照射區(qū)的速度遠高于在體內(nèi)的速度(約103倍)；

②激光控制能力強，能使材料的必要部分析出所需量的金屬。普通電鍍發(fā)生在整個電極基板上，電鍍速度慢，難以形成復雜精細的圖案。激光電鍍可以將激光束調(diào)整到微米尺寸，并在微米尺寸上進行無屏蔽跟蹤。這種類型的高速跟蹤對于電路設(shè)計、電路修復和微電子連接器部件上的局部沉積越來越實用。

與普通電鍍相比，它具有以下優(yōu)點:

(1)沉積速度快，如激光鍍金可達1μm/s，激光鍍銅可達10μm/s，激光噴射鍍金可達12μm/s，激光噴射鍍銅可達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，簡化了生產(chǎn)工藝；

(3)涂層的結(jié)合力大大提高；

(4)易于實現(xiàn)自動控制；

(5)節(jié)約貴金屬；

(6)節(jié)省設(shè)備投資和加工時間。

當連續(xù)激光或脈沖激光照射在電鍍槽中的陰極表面上時，可以大大提高金屬的沉積速率，并且可以通過計算機控制激光束的軌跡來獲得所需的具有復雜幾何形狀的未屏蔽涂層。目前激光噴射強化電鍍新技術(shù)將激光噴射強化電鍍技術(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)備的個性化定制，精準的售后服務(wù)，

復合——將激光技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合。