激光选修

材料激光加工技术

结课论文

姓名孔筱英

学号 10310129

班级10级建筑学1班激光表面改性技术的研究与应用

姓名孔筱英学号 10310129 班级 10级建筑学1班

摘要：激光本身具有很大的发展潜力，产生激光束的装置在品种和效率上都有很大的发展潜力。利用激光表面改性技术能使低等级

材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能

的最佳结合，为解决整体强化和其它表面强化手段难以克服的

矛盾带来了可能性，对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、

制造产生重要的有利影响，甚至可能导致设计和制造工艺的某

些根本性变革。本文从激光表面改性的技术特点及先进制造业

的发展需求出发，论述了激光表面改性技术的特点及其在半导

体表面改性、智能制造及柔性加工等领域的研究与应用。

关键词：激光表面改性；激光熔覆；激光表面相变硬化；复合处理；柔性制造

激光表面改性技术是材料表面工程技术最新发展的领域之一。这项技术主要包括激光表面相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光熔凝、激光冲击硬化、激光非晶化及微精化等多种工艺。其中，激光相变硬化和激光熔覆是目前国内外研究和应用最多的两种工艺。

激光表面相变硬化: 与传统热处理工艺相比，激光表面相变硬化具有淬硬层组织细化、硬度高、变形小、淬硬层深精确可控、无须淬火介质等优点，可对碳钢、合金钢、铸铁、钛合金、铝合金、镁合金等材料所制备的零件表面进行硬化处理。

激光熔覆:是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光幅照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后

形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基材表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。

1、激光表面改性的技术特点

激光表面改性是当前材料工程学科的重要方向之一，被誉为光加工时代的一个标志性技术，各国（尤其是发达国家）均予以重点发展。其高效率、高效益、高增长及低消耗、无污染的特点，符合材料加工的发展需要。经过多年研究和实际应用表明，和其它传统表面处理技术相比，激光表面工程技术具有以下一些优点[1]：

（1）可在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。可大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳的能力以及制备特殊的耐腐蚀功能表层；

（2）强化层与零件本体形成最佳的冶金结合，解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键；

（3）易与其它表面处理技术复合，激光表面改性可以方便地与其它表面工程技术结合起来，产生所谓第二代表面工程技术——复合表面改性技术。可以综合传统表面改性技术与激光表面改性的优势，弥补甚至消除各自的局限性，展示了很大的潜力；

（4）由于高能量密度的激光作用，可实现工件快速加热到相变温度以上，并依靠零件本体热传导实现急冷，无须冷却介质，而冷却特性优异。形成的表面强化层硬度比常规方法处理的高15%~20%左右，添加合金元素和特殊的工艺方法，可显著提高工件的综合性能；

（5）激光束能量密度高，对非激光照射部位几乎没有影响，即热影响区小，工件热变形可由加工工艺控制到较小的程度，后续加工余量小。有些加工件经激光处理后，甚至可直接投入使用；

（6）由于是无接触加工，激光束的能量可连续调整，并且没有惯性。配合数控系统，可以实现柔性加工。另外，激光束的可控性好，只要采用光学的束操作技术来适当地引导激光束至工件的不同部位，就可以实现精确的可选择的材料局部表面改性。可处理零件的特定部位及其它方法难以处理的部位，以及表面有一定高度差的零件，可进行灵活的局部强化；

（7）无须真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气体即可有效防止氧化及元素烧损；

（8）易于实现信息化、智能化，可以引入近代计算机、机器人等高技术装备，使激光束的产生及操纵信息化、智能化，例如已推出的可实现复杂形状立体工件的多种类表面工程的五轴联动激光柔性加工中心，它作为一种新型的光、机、电一体化的工作母机，显示了很大的市场竞争能力。另外，配有计算机控制的多维空间运动工作台的现代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产；

（9）激光器本身具有很大的发展潜力，产生激光束的装置无论品种还是效率都有很大的发展潜力，例如工业激光装置已从常用的波长为10.6μm的CO2激光器发展到输出波长更短（1.06μm）的高功率Nd:YAG 激光器和当今电子工业及微电子工业使用的半导体激光器以及和大部分材料都有很好耦合的308nm波长的准分子（XeCl）激光器。CO2激光器的输出功率也已从千瓦级发展到万瓦级甚至更高；

（10）激光是一种清洁的绿色能源，生产效率高、加工质量稳定可靠、成本低、经济效益和社会效益好。

激光表面改性技术是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识综合的高新技术。利用激光表面改性技术能使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能的最佳结合，为解决整体强化和其它表面强化手段难以克服的矛盾带来了可能性，对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的有利影响，甚至可能导致设计和制造工艺的某些根本性变革。

2、半导体激光表面改性

最近十年，激光熔覆技术已被用来修复各种零件的破损部分。然而YAG和CO2激光器产生的与材料尤其是金属材料耦合不够理想的激光束和成本高的问题一直阻碍着该项技术的进一步发展。通过调整激光熔覆条件可以取得进展，但是仍然面临着热循环对基体金属会产生较大影响这一难题。半导体激光器有望解决这一难题。因此半导体激光熔覆技术将为零件破损部分的修复开辟一个全新的领域。该技术的推广有利于报废零件的循环再利用，从而可以大大节约成本。

半导体激光器体积小、重量轻、效率高、能耗小、寿命长、使用维护方便，适合于现场、野外和运载使用，而且产生的光束是非常独特的矩形形状。和YAG和CO2激光器产生的光斑相比，半导体激光器焦点的光斑面积相对来说要更大一些。因此，矩形光斑更适宜于激光熔覆。而YAG 和CO2激光器更适合用来切割或焊接零件。高效半导体激光熔覆技术的开发能够加快激光材料处理在现代工业中作为先进加工工具的发展。

和YAG和CO2激光相比，半导体激光能够制备无溅射的熔覆层。另外，熔覆层的熔道更宽，稀释度更低而且HAZ宽度也比较窄。熔道的变宽和稀释度的降低对于在零件破损部位产生良好的熔覆层是绝对必要的。Kataushige YAMADA等人[41]采用半导体激光熔覆技术在双相不锈钢表面

制备了高质量Co基合金熔覆层，以便用于零件破损部分的修复。目前，国内关于这方面的报道不是太多。

3、集成化激光智能制造及柔性加工[2-4]

激光表面改性本身就是材料科学与工程、激光、现代制造、计算机控制、智能测量等多学科或学科方向的跨学科结合的产物，因此针对重大工程应用目标，例如汽车冲压模，研制集成化的激光智能制造及柔性加工系统具有重要意义。据报道[42]，最近国内针对制约我国汽车产业进一步发展的冲压模具使用寿命短、维护费用高这一难题，利用激光与材料相互作用原理并结合智能测量技术对其表面进行强化处理，从而大幅提高大型汽车冲压模的使用寿命，并已研制成激光智能制造系统。该系统集成了数控千瓦级工业固体激光器、大范围高精度5轴框架式机器人、模具表面快速智能测量和曲面重构、模具成型工艺参数的数值和物理模拟软件、高功率激光束的空间变换和柔性传输技术、汽车模具激光表面强化技术及其物理数学模型、底层控制和CAX过程数据库等，可满足3D 激光加工和快速成型的需求，实现激光机器人制造与加工过程的智能化、柔性化和模块化，以及信息过程的数字化和控制过程的集成化，为汽车等国民经济重点产业的发展提供了关键技术支持。上述系统的研制成功必将对我国先进制造业产生重大影响，是激光表面改性的最重要发展趋势之一。再如，阀门作为流体输送的控制元件，其质量的优劣直接影响生产系统的可靠性和安全性。高参数截止阀的密封面长期在较高的温度和压力下承受介质的各种腐蚀和冲蚀，有的还承受密封面之间的擦伤磨损，因此采用堆焊或喷焊对密封面进行强化。这些工艺普遍存在组织性能不均匀，熔层缺陷多，废品率高，生产工序繁多，劳动条件差等缺点。对于口径小，密封面位置较深的截止阀阀座，还难以保证密封面的质量要求。采用激光熔覆工艺对截止阀密封面进行强化，可以克服堆焊和喷

焊工艺的缺陷，改善密封面质量，是提高截止阀使用期的可靠性和安全性、延长使用寿命的有效途径。采用激光熔覆小口径高参数阀门密封面，可发挥激光非接触柔性加工的特点，提高生产率和加工质量。激光熔覆层可达3 mm，熔层表面光整，加工余量小，可降低加工量，节约贵重合金。由于熔层与基体实现了可靠的冶金结合，基体受热影响小，基本无变形。激光熔覆层组织致密，晶粒度细小，气孔、裂纹和夹杂物等缺陷少，成品率达95 %以上。测试与生产应用说明，激光熔覆的阀门密封面在恶劣工况下具有更好的耐摩擦磨损、抗冲蚀气蚀、抗腐蚀疲劳和抗高温冲击疲劳等性能。

激光柔性加工是新兴的加工技术,其过程仿真的研究从一开始就可

以综合考虑几何与物理层面以进行完整仿真。以汽车覆盖件模具的激光表面硬化过程为例,综合分析影响其加工效果的各种加工因素，建立激光硬化加工工艺力学模型，并嵌入到虚拟激光柔性加工平台中，在虚拟环境中进行完整的过程仿真。

激光柔性加工是由计算机控制系统实现对不同批量、不同种类的产品采取不同激光加工方式(切割、焊接、表面处理等)，进而提高设备利用率，缩短产品周期，提高对市场的响应速度和竞争能力的一种自动化加工。激光加工方式不同，即与材料的作用机理不同,因此不可能建立一个可以囊括所有机理的物理模型,但虚拟加工平台是针对柔性设备而建，故可以建立一个统一的虚拟激光加工平台、统一的体系结构。将不同激光加工方式的物理模型嵌入虚拟平台中就可以进行完整过程仿真。激光柔性加工过程是加工机器人将激光加工头带到需要加工的加工区,加工头以一定方向输出激光来加工材料(切割、焊接、表面处理等)。

结束语:当今工业上可资利用的高能密度的激光已开拓了一系列新

的材料表面处理工艺和技术。光能是最易引导和成形的能量形式之一。

这种能量传递的信号噪声很小，可以从一个独特的窗口进入自动化和智能的操作，激光束还包含有材料加工工程师至今尚未利用的相干性和单色性的特性，它已经影响到材料加工。激光束很纯的频率和多光子作用将使热力学上本来不可能实现的化学加工成为可能。随着我国制造业的崛起和发展，激光表面改性的市场需求正在快速增长，反过来又强有力地促进激光表面改性领域的研究与开发，因此激光表面改性将得到明显的发展。

参考文献

[1] 马春印. 激光表面工程技术及应用 [J]. 四川兵工学报, 2003, 24(2): 25-41.

[2]陈华. 破解汽车冲压模具技术难题. 北京: 科技日报（产经月刊）, 2004, 22(6):9.

[3]傅戈雁, 石世宏. 截止阀密封面激光熔覆强化 [J]. 阀门, 1999,

(3):24-25.

[4]张桃红, 虞钢. 虚拟激光柔性加工的完整过程仿真模型研究-覆盖件模具的激光硬化 [J]. 中国机械工程, 2005,16(7):574-577.