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其表面改性的技術。對提高材料表面的機械和物(wù)理性能，以及零件的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性有很大(dà)的好處。近年來，激光清洗、激光淬火(huǒ)、激光合金化、激光沖擊強化、激光退火(huǒ)等激光表面處理技術以及激光熔覆、激光3D打印、激光電(diàn)鍍等激光增材制造技術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展的一(yī)種新型表面清洗技術。它利用高能脈沖激光束照射工(gōng)件表面，使表面的污垢、顆粒或塗層瞬間蒸發或膨脹、剝落，從而達到清潔的過程。激光清洗主要分(fēn)爲除鏽、除油、脫漆、去(qù)塗層。主要用于金屬清洗、文物(wù)清洗、建築清洗等。它以其功能全面、加工(gōng)精确靈活、高效節能、環保、不損傷基材、智能化、清洗質量好、安全、應用範圍廣等特點，越來越受到各工(gōng)業領域的青睐。
與機械摩擦清洗、化學腐蝕清洗、液體(tǐ)和固體(tǐ)的強沖擊清洗、高頻(pín)超聲波清洗等傳統清洗方法相比，激光清洗具有明顯的優勢。
02激光淬火(huǒ)
激光淬火(huǒ)以高能激光爲熱源，使金屬表面快速加熱和冷卻，從而瞬間完成淬火(huǒ)過程，獲得高硬度和超細馬氏體(tǐ)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(gōng)藝的核心優勢包括熱影響區小(xiǎo)、變形小(xiǎo)、自動化程度高、選擇性淬火(huǒ)靈活性好、細化晶粒硬度高、智能環保。比如激光光斑可調，可以淬火(huǒ)任意寬度位置；其次，多軸機器人聯動的激光頭可以對複雜(zá)零件的指定區域進行淬火(huǒ)。再比如激光淬火(huǒ)溫度極高，冷卻迅速，淬火(huǒ)應力和變形小(xiǎo)。激光淬火(huǒ)前後工(gōng)件的變形幾乎可以忽略不計，因此特别适合精度要求高的零件表面處理。
目前，激光淬火(huǒ)已成功應用于汽車(chē)工(gōng)業、模具工(gōng)業、五金工(gōng)具和機械工(gōng)業的易損件表面強化，特别是在延長齒輪、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(huǒ)的特點如下(xià):
1)激光淬火(huǒ)是快速加熱和自激冷卻，不需要爐内保溫和冷卻液淬火(huǒ)。它是一(yī)種無污染、環保的熱處理工(gōng)藝，可以很容易地對大(dà)型模具表面進行均勻淬火(huǒ)；
2)由于激光加熱速度快，熱影響區小(xiǎo)，而且是表面掃描加熱淬火(huǒ)，即瞬時局部加熱淬火(huǒ)，所以加工(gōng)的模具變形很小(xiǎo)；
3)由于激光束的發散角很小(xiǎo)，具有很好的方向性，通過導光系統可以對模具表面進行精确的局部淬火(huǒ)；
4)激光表面淬火(huǒ)硬化層深度一(yī)般爲0.3 ~ 1.5毫米..
03激光退火(huǒ)
激光退火(huǒ)是指用激光加熱材料表面，使材料長時間暴露在高溫下(xià)，然後緩慢(màn)冷卻的熱處理過程。這個過程的主要目的是釋放(fàng)應力，增加材料的延展性和韌性，産生(shēng)特殊的顯微組織。其特點是調整基體(tǐ)結構，降低硬度，細化晶粒，消除内應力。近年來，激光退火(huǒ)技術也成爲半導體(tǐ)加工(gōng)行業的一(yī)項新技術，可以大(dà)大(dà)提高集成電(diàn)路的集成度。
04激光沖擊強化
激光沖擊強化技術是利用強激光束産生(shēng)的等離(lí)子體(tǐ)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。它具有無熱影響區、高能效、超高應變速率、可控性強、強化效果顯著的突出優點。同時，激光沖擊強化具有殘餘壓應力更深、顯微組織和表面完整性更好、熱穩定性更好、使用壽命更長的特點。近年來，這項技術發展迅速，在航空航天、國防、軍工(gōng)等領域潛力巨大(dà)。此外(wài)，塗層主要用于保護工(gōng)件免受激光灼傷，增強對激光能量的吸收。目前常用的塗層材料有黑漆和鋁箔。
激光噴丸(LP)又(yòu)稱激光沖擊噴丸(LSP)，是一(yī)種應用于表面工(gōng)程領域的技術，即利用脈沖大(dà)功率激光束在材料内部産生(shēng)殘餘應力，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(dà)多數材料加工(gōng)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(gōng)。高功率激光束以高功率短脈沖撞擊目标工(gōng)件表面。
光束撞擊金屬工(gōng)件，立即将工(gōng)件蒸發成薄層等離(lí)子體(tǐ)狀态，并對工(gōng)件施加沖擊波壓力。有時會在工(gōng)件上附着一(yī)層薄薄的不透明塗層材料來代替金屬蒸發。爲了提高壓力，使用其他透明塗層材料或慣性幹涉層來捕獲等離(lí)子體(tǐ)(通常是水)。
等離(lí)子體(tǐ)産生(shēng)沖擊波效應，在沖擊點重塑工(gōng)件表面的微觀結構，進而産生(shēng)金屬膨脹和壓縮的連鎖反應。這種反應産生(shēng)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(yī)種新型的表面改性技術，可根據航空材料的不同服役條件，利用高能量密度激光束加熱快、凝結速度快等特點，在結構件表面制備非晶-納米晶增強金屬陶瓷複合塗層，從而達到航空材料表面改性的目的。與激光合金化技術相比，激光熔覆技術具有基材對熔池的稀釋率小(xiǎo)、熱影響區小(xiǎo)、工(gōng)件受熱變形小(xiǎo)、激光熔覆處理後工(gōng)件廢品率小(xiǎo)等特點。激光熔覆能顯著改善材料表面性能，修複磨損材料，具有高效、高速、環保無污染、處理工(gōng)件性能好等特點。
06激光熔覆
激光熔覆技術也是代表表面工(gōng)程發展方向和水平的新型表面改性技術之一(yī)。激光熔覆技術因其無污染且制備的塗層與基體(tǐ)之間爲冶金結合，已成爲钛合金表面改性的研究熱點。激光熔覆陶瓷塗層或陶瓷顆粒增強複合塗層是提高钛合金表面結合力的有效途徑。根據實際工(gōng)作條件，選擇合适的材料體(tǐ)系，采用激光熔覆技術，可以達到最佳的工(gōng)藝要求。激光熔覆技術可以修複各種失效零件，如航空發動機葉片。
激光表面合金化與激光表面熔覆的區别在于，激光表面合金化是将添加的合金元素與液态的基體(tǐ)表層充分(fēn)混合，形成合金層。而激光表面熔覆是将所有的預塗層熔化，将基材表層稍微熔化，使熔覆層與基材形成冶金結合，保持熔覆層成分(fēn)基本不變。激光合金化和激光熔覆技術主要用于提高钛合金的表面耐磨性、耐腐蝕性和抗分(fēn)級性。
目前，激光熔覆技術已廣泛應用于金屬表面的修複和改性。然而，傳統的激光熔覆雖然具有加工(gōng)靈活、異形修複、自定義添加等優點和特點。，其工(gōng)作效率較低，在一(yī)些生(shēng)産領域仍不能滿足大(dà)規模、快速生(shēng)産加工(gōng)的要求。爲了滿足高速大(dà)批量生(shēng)産的需求，提高熔覆效率，高速激光熔覆技術應運而生(shēng)。
高速激光熔覆技術可實現緻密無缺陷的熔覆層，表面質量緻密，與基材呈冶金結合，無開(kāi)放(fàng)性缺陷，表面光滑平整。不僅可以在回轉體(tǐ)上加工(gōng)，也可以在平面和複雜(zá)曲面上加工(gōng)。通過不斷的技術優化，該技術可廣泛應用于煤炭、冶金、海洋平台、造紙(zhǐ)、家電(diàn)、汽車(chē)、船舶、石油、航空航天等行業，成爲可替代傳統電(diàn)鍍技術的綠色再制造工(gōng)藝。
07激光雕刻
激光雕刻是一(yī)種基于數控技術的激光加工(gōng)工(gōng)藝，将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産生(shēng)清晰的圖案。被加工(gōng)材料在激光雕刻的照射下(xià)熔化氣化的物(wù)理變性，可以使激光雕刻達到加工(gōng)目的。激光雕刻是利用激光在物(wù)體(tǐ)上雕刻字符。用這種技術雕刻出來的文字沒有刻痕，物(wù)體(tǐ)表面光滑平整，不會磨損文字。其特點和優點包括:安全可靠；細緻，精度可達0.02mm；節約環保和加工(gōng)材料；根據輸出圖案高速、高速雕刻；成本低，加工(gōng)數量不受限制等。
08激光3D打印
該工(gōng)藝采用激光熔覆技術，用激光照射噴嘴輸送的粉末流，直接熔化單質或合金粉末。激光束離(lí)開(kāi)後，合金液快速凝固，實現合金的快速成型。目前已廣泛應用于工(gōng)業建模、機械制造、航空航天、軍事、建築、影視、家電(diàn)、輕工(gōng)、醫學、考古、文化藝術、雕塑、珠寶等領域。
09激光表面處理和再制造的典型工(gōng)業應用
目前，激光表面處理和增材制造技術、工(gōng)藝和設備廣泛應用于冶金、礦山機械、模具、石油電(diàn)力、五金工(gōng)具、軌道交通、航空航天、機械等行業。
10激光電(diàn)鍍技術的應用
激光電(diàn)鍍是一(yī)種新型高能束流電(diàn)鍍技術，對微電(diàn)子器件和大(dà)規模集成電(diàn)路的生(shēng)産和修複具有重要意義。目前，雖然激光電(diàn)鍍、激光燒蝕、等離(lí)子激光沉積和激光噴塗的原理還在研究中(zhōng)，但其技術已經在實踐中(zhōng)。當連續激光或脈沖激光照射在電(diàn)鍍槽中(zhōng)的陰極表面上時，可以大(dà)大(dà)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迹來獲得所需的具有複雜(zá)幾何形狀的未屏蔽塗層。
激光電(diàn)鍍在實踐中(zhōng)的應用主要基于以下(xià)兩個特征:
①在激光照射區的速度遠高于在體(tǐ)内的速度(約103倍)；
②激光控制能力強，能使材料的必要部分(fēn)析出所需量的金屬。普通電(diàn)鍍發生(shēng)在整個電(diàn)極基闆上，電(diàn)鍍速度慢(màn)，難以形成複雜(zá)精細的圖案。激光電(diàn)鍍可以将激光束調整到微米尺寸，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(diàn)路設計、電(diàn)路修複和微電(diàn)子連接器部件上的局部沉積越來越實用。
與普通電(diàn)鍍相比，它具有以下(xià)優點:
(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)金屬沉積僅發生(shēng)在激光照射區域，無需屏蔽措施即可獲得局部沉積塗層，簡化了生(shēng)産工(gōng)藝；
(3)塗層的結合力大(dà)大(dà)提高；
(4)易于實現自動控制；
(5)節約貴金屬；
(6)節省設備投資(zī)和加工(gōng)時間。
當連續激光或脈沖激光照射在電(diàn)鍍槽中(zhōng)的陰極表面上時，可以大(dà)大(dà)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迹來獲得所需的具有複雜(zá)幾何形狀的未屏蔽塗層。目前激光噴射強化電(diàn)鍍新技術将激光噴射強化電(diàn)鍍技術與電(diàn)鍍液噴射相結合，使激光和電(diàn)鍍液同時射向陰極表面，其傳質速率大(dà)大(dà)超過激光照射引起的微攪拌，從而達到極高的沉積速率。
1未來的發展和創新
展望未來，激光表面處理和增材制造裝備的發展方向可以概括爲:
高效率——加工(gōng)效率高，滿足現代工(gōng)業的快生(shēng)産節奏；
高性能——設備功能多樣，性能穩定，适用于不同工(gōng)況；
高智能——智能水平不斷提高，人工(gōng)幹預較少；
成本低——設備成本可控，耗材成本降低；
定制——設備的個性化定制，精準的售後服務，
複合——将激光技術與傳統加工(gōng)技術相結合。