激光是二十世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。激光是具有高亮度、高方向性、高單色性的相干光束，這種神奇的光束可以達(dá)到任何其它已知光束所不能達(dá)到的聚焦精度，并且聚焦后可以將巨大的能量集中在非常小的范圍內(nèi)。所以激光剛一問世即引起了材料科學(xué)家的高度重視。

    激光加工技術(shù)已被譽(yù)為“未來制造業(yè)的共同加工手段”。幾個(gè)世紀(jì)以來，材料加工領(lǐng)域由手工加工時(shí)代過渡到火焰加工時(shí)代，又由火焰加工時(shí)代過渡到電加工時(shí)代。激光加工的出現(xiàn)正促使目前的電加工時(shí)代向光加工時(shí)代轉(zhuǎn)變。

    激光加工代表著當(dāng)前材料加工業(yè)的發(fā)展方向。世界各國都把激光加工技術(shù)作為提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及具有國際競爭力的重要手段。其中，激光表面強(qiáng)化技術(shù)在近20年里，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

    激光加工技術(shù)的基本特點(diǎn)

無接觸加工，無工具磨損，不需要中途更換工具；
激光束易于導(dǎo)向、聚焦實(shí)現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工；
可對(duì)高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)及軟質(zhì)材料進(jìn)行加工；
激光束能量密度高，加工速度快，工件變形小、熱影響區(qū)小，后續(xù)加工量??；
易于與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝組合，形成生產(chǎn)線。
    激光加工技術(shù)分類

    1) 激光表面強(qiáng)化與修復(fù)

激光相變淬火
激光熔凝淬火
激光合金化
激光熔覆
    2) 激光直接加工

激光毛化
激光焊接
激光切割
激光打孔
激光刻蝕
激光打標(biāo)
激光拋光
    3) 激光快速制造模具原型

選區(qū)激光燒結(jié)法
激光分層切割制造法
激光加工主要應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)
汽車、鋼鐵、航空與航天、建筑、船舶、機(jī)械、電子與電工、其它
    激光毛化冷軋輥技術(shù)

    激光毛化冷軋輥技術(shù)是八十年代在世界上才發(fā)展起來的生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)冷軋薄鋼板新技術(shù)。由于激光毛化技術(shù)在加工方法上、在提高成型性能和涂鍍后光亮度以及綜合生產(chǎn)成 本方面都比其它毛化方法具有更大優(yōu)越性，因此激光毛化技術(shù)一問世便受到鋼鐵企業(yè)和使用部門的高度重視，優(yōu)質(zhì)冷軋薄板和薄帶不僅需要優(yōu)良的材質(zhì)，而且對(duì)薄板表面質(zhì)量（如表面粗糙度和形貌）有嚴(yán)格的要求，才能確保薄板優(yōu)良的成形性能和表面涂鍍性能。激光毛化汽車板由于涂漆后反射映像光澤度高，在國外被稱為“鏡面鋼板”，是生產(chǎn)高級(jí)轎車面板的優(yōu)質(zhì)板材。因此，激光毛化冷軋薄板（帶）是汽車、家電、電子和輕工業(yè)生產(chǎn)需求的重要原材料。

    激光毛化技術(shù)基本原理

    其特點(diǎn)是利用經(jīng)過特殊調(diào)制的高能量密度（104~106W/cm2）、高重復(fù)頻率（每秒數(shù)千至上萬）的脈沖激光束在聚焦后入射到軋輥表面實(shí)施預(yù)熱和強(qiáng)化，在聚焦點(diǎn)處軋輥表面形成微小溶池，同時(shí)由側(cè)吹裝置對(duì)微小溶池施以設(shè)定壓力、流量、方向的輔助氣體，使溶池中的溶融物按指定要求盡量堆積到溶池邊緣形成圓弧形凸臺(tái)。這些預(yù)熱區(qū)、微坑、凸臺(tái)在軋輥?zhàn)詫?dǎo)熱的作用下迅速冷卻形成硬度強(qiáng)化區(qū)。然后在薄板軋制或平整過程中，軋輥表面上的凸臺(tái)在板面上再形成若干變形硬化質(zhì)點(diǎn)（微坑），以形成激光毛化板。這種新型表面結(jié)構(gòu)是在不降低原材質(zhì)表面韌性的情況下，由無數(shù)微小均布的強(qiáng)化點(diǎn)對(duì)表面實(shí)行針軋，從而在輥、板表面實(shí)現(xiàn)剛?cè)岵?jì)的表面結(jié)構(gòu)。這種表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：

    1) 激光毛化在軋輥表面形成均勻分布的圓弧形凸臺(tái)，其硬度、強(qiáng)度都明顯高于其它毛化方式。并能有效的避免軋輥殘余應(yīng)力集中、韌性降低等現(xiàn)象，延長軋輥使用壽命。

    2) 在軋制過程中，改善輥與板間摩擦（增加摩擦力）和接觸條件以有利于軋制工藝順利進(jìn)行（可增大軋機(jī)壓下量和軋制速度），減少擦傷和粘連，改善板型，提高板面質(zhì)量。

    3) 在板材成型過程中，板面微坑有儲(chǔ)油和冷卻作用，改善板與磨具間的摩擦和接觸條件（減小摩擦、增加潤滑），以利于材料流動(dòng)，使成型工藝易于進(jìn)行。同時(shí)，板面微坑可容納成型過程中產(chǎn)生的金屬屑，減少成型表明劃傷，提高工件質(zhì)量。可增強(qiáng)板面對(duì)涂層的附著力和提高成形件表面涂漆光亮度，增加產(chǎn)品的附加值。

    激光表面熱處理技術(shù)簡介

    激光熱處理是快速表面局部淬火工藝的一種高新技術(shù)。這種方法主要用于強(qiáng)化零件的表面，可以提高金屬材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及強(qiáng)度和高溫性能；同時(shí)可使零件心部仍保持較好的韌性，使零件的機(jī)械性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強(qiáng)度高的特點(diǎn)。運(yùn)用激光熱處理技術(shù)可以大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量，成倍延長產(chǎn)品的使用壽命，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，已廣泛應(yīng)用于汽車、冶金、軍工、船舶、石化、模具、輕工等行業(yè)。

    激光與材料相互作用的物理過程中會(huì)發(fā)生的幾個(gè)效應(yīng)：

能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)
物態(tài)變化效應(yīng)
表面效應(yīng)
內(nèi)部效應(yīng)
    激光熱處理技術(shù)的分類：

激光淬火（相變）技術(shù)
激光熔凝技術(shù)
激光合金化技術(shù)
激光熔覆技術(shù)
    它們共同的理論基礎(chǔ)是激光與材料相互作用的規(guī)律。四種工藝各自的特點(diǎn)主要是作用于材料上的激光能量密度不同，時(shí)間不同及不同成份的合金粉末。

    激光（相變）淬火和激光熔凝淬火

    激光（相變）淬火技術(shù)是利用聚焦后的激光束入射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升高到相變點(diǎn)以上，當(dāng)激光移開后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導(dǎo)熱作用，使受熱表層快速冷卻到馬氏體相變點(diǎn)以下，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件的表面相變硬化。激光淬火原理與感應(yīng)淬火、火焰淬火技術(shù)相同。但是其技術(shù)特點(diǎn)是，所使用的能量密度更高，加熱速度更快，不需要淬火介質(zhì)，工件變形小，加熱層深度和加熱軌跡易于控制，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此可以在很多工業(yè)領(lǐng)域中逐步取代感應(yīng)淬火和化學(xué)熱處理等傳統(tǒng)工藝。激光淬火可以使工件表層0.1～2.0mm范圍內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生明顯變化。

    激光熔凝淬火則是采用激光熔融金屬表面，激光束移開后，熔融的金屬直接從液態(tài)淬硬為固態(tài)，形成表面硬化層的工藝。由于激光熔凝淬火允許金屬表面熔化，實(shí)際操作時(shí)可以使用比激光淬火更加高的功率密度和更加慢的掃描速度，因此激光熔凝淬硬層深度比前者更深。

    在激光輸出功率為3.5kw時(shí)，大型軋輥表面激光熔凝淬火的最大淬硬層深度可以達(dá)到 2毫米以上。激光熔凝淬火的不足之處在于，激光加工后的表面粗糙度有所降低，其降低的幅度取決于激光加工的工藝參數(shù)，而激光表面淬火可以基本保持工件表面粗糙度不變。

    激光淬火與熔凝處理的共同特點(diǎn)是，不需要改變材料的成分，主要利用軋輥材料自身的特性，發(fā)生馬氏體相變來強(qiáng)化軋輥表面。進(jìn)行激光淬火與熔凝淬火前，需要預(yù)先涂覆一層吸光涂料來增強(qiáng)軋輥表面對(duì)激光的吸收率。對(duì)于激光熔凝處理來說，所使用的涂料還應(yīng)該起到使激光熔池流平與造渣的作用。因此，涂料的配方對(duì)于激光工藝的順利實(shí)施以及硬面層組織與性能的影響至關(guān)重要。華工激光經(jīng)過多年的探索，研究開發(fā)出激光淬火與熔凝淬火的系列吸光涂料，使各類材質(zhì)激光淬火時(shí)淬硬層分布均勻。特別是激光熔凝淬火涂料中，添加有吸光及熔池流平的物質(zhì)，熔凝淬火后淬硬層光滑、平整，只要少量加工，就可以獲得平整的表面。因此，特別適合各種軋輥的激光表面強(qiáng)化處理。

    應(yīng)用案例－華工激光生產(chǎn)的雙懸臂多功能數(shù)控激光加工機(jī)床

    該激光加工機(jī)床可以滿足冶金行業(yè)各種型號(hào)軋輥（包括帶鋼軋輥、型材軋輥、棒線材軋輥等）不同部位的表面強(qiáng)化與修復(fù)處理。還可以滿足剪刃、圓盤鋸、導(dǎo)位等易損件零件的表面強(qiáng)化與修復(fù)要求。

    激光熔覆與合金化

    激光熔覆技術(shù)是采用激光束在選定工件表面熔覆一層特殊性能的材料, 以改善工件表面性能的工藝。與傳統(tǒng)的噴焊或者堆焊工藝相比，激光熔覆技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

    （1） 激光束的能量密度高，只要注入較少的能量就可以完成激光熔覆。零件熱影響區(qū)小，變形小，因此適合強(qiáng)化或者修復(fù)一些高精度零件或者對(duì)變形要求嚴(yán)格的零件，如精軋輥的表面強(qiáng)化處理。 

    （2） 激光熔覆層稀釋率低，且可以精確控制，熔覆層的成分與性能主要取決于熔覆材料的成分。因此，可以采用各種性能優(yōu)良的材料對(duì)基材表面進(jìn)行改性。特別是可以采用激光熔覆技術(shù)修復(fù)一些常規(guī)堆焊工藝無法實(shí)現(xiàn)的工件，如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、軋輥的主軸、電機(jī)主軸等。 

    （3）激光熔覆層組織致密，微觀缺陷少，熔覆層與基材為冶金結(jié)合，強(qiáng)度高，因此可以用于一些重載條件下零件的表面強(qiáng)化與修復(fù)，如大型軋輥、大型齒輪、大型曲軸等零件的表面強(qiáng)化與修復(fù)。

    （4）激光熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制，設(shè)計(jì)專門的導(dǎo)光系統(tǒng)，可對(duì)深孔、內(nèi)孔、凹槽、盲孔等部位激光處理，采用一些特殊的導(dǎo)光系統(tǒng)如寬帶掃描系統(tǒng)，可以使單道激光熔覆層寬度達(dá)到 20 ~30 mm，每次熔覆的最大厚度可達(dá) 3mm 以上。通過多道搭接可以實(shí)現(xiàn)工件表面的大面積和大厚度激光熔覆，滿足不同形狀、尺寸的軋輥等典型易損件的激光表面強(qiáng)化與修復(fù)的要求。

    激光熔覆工藝依據(jù)材料的添加方式不同，分為預(yù)置涂層法和同步送料法。一般通過添加合金粉末完成激光熔覆。激光表面合金化與激光熔覆工藝過程類似，也是通過添加合金元素改變工件表面的成分、組織與性能。但激光表面合金化與激光熔覆工藝的最大差別在于，前者添加的合金元素與基材充分混合，兩者一起共同決定表面層的性能。而激光熔覆則主要利用所添加合金粉末的性能，基材對(duì)表面合金化層性能的貢獻(xiàn)很小。對(duì)于冶金行業(yè)軋輥、導(dǎo)位、輸送輥、夾送輥、剪刃等大量易損件來說，激光熔覆與合金化技術(shù)的最大好處是，將軋輥的整體合金化變成表面合金化或者熔覆，使軋輥等易損件的使用壽命大幅度提高的同時(shí)，生產(chǎn)成本增加有限。顯然，合金粉末的設(shè)計(jì)、選擇與使用正確與否是該項(xiàng)技術(shù)能否成功的關(guān)鍵。

    激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。其原理是將高強(qiáng)度的激光輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功地應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。高功率CO2及高功率YAG激光器的出現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領(lǐng)域，獲得了以小孔效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的深熔焊接，在機(jī)械、汽車、鋼鐵等工業(yè)部門獲得了日益廣泛的應(yīng)用。

    與其它焊接技術(shù)比較，激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是：

激光焊接速度快、深度大、變形小。
能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會(huì)偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M(jìn)行焊接。
激光聚焦后，功率密度高，在用高功率激光器焊接工件時(shí)，深寬比可達(dá) 5:1, 最高可達(dá) 10:1。
可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對(duì)異性材料施焊，效果良好。例如，金剛石鋸片，用激光將基材（65Mn）和高強(qiáng)超硬的人造金鋼石焊接，使這種鋸片壽命、價(jià)值倍增。
可進(jìn)行微型焊接。激光束經(jīng)聚焦后可獲得很小的光斑，且能精密定位，可應(yīng)用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的微、小型元件的組焊中。例如，集成電路引線、鐘表游絲、顯像管電子槍組裝、手機(jī)電池的封焊等由于采用了激光焊，不僅生產(chǎn)效率大大提高，且熱影響區(qū)小，焊點(diǎn)無污染，大大提高了焊接的質(zhì)量。
可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠(yuǎn)距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來，在YAG激光加工技術(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù)，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣與應(yīng)用。
激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時(shí)間與空間分光，能進(jìn)行多光束同時(shí)加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。
    目前我國鋼鐵行業(yè)處于主導(dǎo)地位得典型冷軋工藝路線是：轉(zhuǎn)爐冶煉－爐外精煉－初軋開坯－熱連軋－酸洗－冷軋－退火－平整－鍍鋅（錫）－成產(chǎn)品。在此典型的冷軋工藝中，帶材焊接設(shè)備必不可少。在運(yùn)行過程中，先行鋼帶與后行鋼帶必需進(jìn)行焊接，才能保證生產(chǎn)線的連續(xù)作業(yè)。硅鋼板帶在線運(yùn)行時(shí)，需經(jīng)多次“S”型彎曲變形和承受一定的運(yùn)行張力，從而對(duì)焊縫的性能和質(zhì)量有很高要求。