長(zhǎng)期以來(lái)，激光技術(shù)以焊接、切割和打標(biāo)的廣泛使用為人們所知，這兩年隨著激光清洗的逐漸普及，激光表面處理的概念才越來(lái)越多地成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，出現(xiàn)在人們的腦海中。激光以非接觸方式加工，高柔性、高速無(wú)噪聲、熱影響區(qū)小無(wú)損基材，無(wú)耗材且環(huán)保低碳。

　　激光表面處理除了激光清洗之外，其實(shí)還有非常多的應(yīng)用類別，例如激光拋光、激光熔覆、激光淬火等等。這些方法被用在改變材料表面的特定物理化學(xué)性能上，比如使表面加工成具有疏水性的功能，或者用激光脈沖產(chǎn)生直徑約為10微米，深度僅為幾微米小凹陷，以此來(lái)增加粗糙度、增強(qiáng)表面附著力等等。

　　除了激光清洗，下面幾種激光表面處理方式你都知道嗎?

　　01.激光淬火

　　激光淬火是加工高應(yīng)力復(fù)雜部件的解決方案之一，可以令凸輪軸和折彎工具等磨損較高的零部件承受更高的應(yīng)力，延長(zhǎng)壽命。

　　它的原理是通過(guò)將含碳工件的表皮被加熱到略低于熔化溫度(900 -1400°C，40%的輻照功率被吸收)，使金屬晶格中的碳原子重新排列(奧氏體化)，而后激光束沿進(jìn)給方向穩(wěn)定加熱表面，隨著激光束的移動(dòng)周圍的材料快速冷卻，金屬晶格無(wú)法恢復(fù)其原始形式，從而產(chǎn)生馬氏體，使硬度顯著增加。激光硬化達(dá)成的碳鋼外層硬化深度通常為0.1-1.5mm，在某些材料上可以做到2.5mm或更大。相較于傳統(tǒng)的淬火方式它的優(yōu)點(diǎn)在于：1. 目標(biāo)熱輸入僅限于局部區(qū)域，因此在加工過(guò)程中幾乎沒(méi)有組件翹曲。返工成本減少，甚至可完全消除;2. 在復(fù)雜的幾何型面和精密的部件也能硬化，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)淬火方法無(wú)法淬火的局部受限的功能表面精確硬化;3. 無(wú)失真。傳統(tǒng)的硬化過(guò)程中由于更高的能量輸入和淬火而產(chǎn)生變形，但在激光硬化過(guò)程中，由于激光技術(shù)和溫度控制，可以精確控制熱量輸入。組件幾乎保持其原始狀態(tài);4. 可以“即時(shí)”快速更改部件的硬度幾何形狀。這意味著無(wú)需轉(zhuǎn)換光學(xué)器件/整個(gè)系統(tǒng)。

　　02.激光毛化

　　激光毛化是金屬材料表面改性的工藝手段之一。在結(jié)構(gòu)化過(guò)程中，激光在層或基材中創(chuàng)建規(guī)則排列的幾何形狀，以便有針對(duì)性地改變技術(shù)特性并開(kāi)發(fā)新功能。作用過(guò)程大致是使用激光輻射(通常是短脈沖激光)以可重復(fù)的方式在表面上生成規(guī)則排列的幾何形狀。激光束以受控方式熔化材料，并通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚬芾砉袒纱_定的結(jié)構(gòu)。

　　例如疏水性表面結(jié)構(gòu)可以讓水從表面流掉。用超短脈沖激光器在表面創(chuàng)造亞微米結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)特性，并可以通過(guò)改變激光參數(shù)對(duì)所要?jiǎng)?chuàng)造的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制。相反的效果，例如親水性表面，同樣可以實(shí)現(xiàn);

　　水滴激光通過(guò)相關(guān)工藝提高表面粗糙度

　　汽車面板要涂漆，必須讓薄板表面均勻分布“微坑”以增強(qiáng)漆料的附著力，用每秒數(shù)千至上萬(wàn)次的脈沖激光束聚焦后入射到軋輥表面，在聚焦點(diǎn)處軋輥表面形成微小溶池，同時(shí)對(duì)微小溶池側(cè)吹，讓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)，這些小凸臺(tái)和微坑既可提升材料表面的粗糙度增加漆料的附著力，又可以提高材料的表面硬度，延長(zhǎng)使用壽命。某些特性是由激光結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，如一些金屬材料的摩擦特性或?qū)щ妼?dǎo)熱性。此外，激光結(jié)構(gòu)化也增加了工件的粘合強(qiáng)度和使用壽命。

　　相較傳統(tǒng)方式，表面激光結(jié)構(gòu)化更加環(huán)保，不需要額外的噴砂劑或化學(xué)物質(zhì);可重復(fù)且精確，激光實(shí)現(xiàn)了精確到微米的受控結(jié)構(gòu)，并且非常容易復(fù)制;低維護(hù)，與快速磨損的機(jī)械工具相比，激光是非接觸式的，因此絕對(duì)無(wú)磨損;無(wú)需后處理，激光加工的部件上不會(huì)留下熔體或其他加工殘留物。

　　03.激光炫彩表面處理

　　激光回火常用在激光炫彩表面處理上，又稱做激光彩色打標(biāo)。工藝原理是激光加熱材料時(shí)，將金屬局部加熱到略低于其熔點(diǎn)，在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)下，此時(shí)柵極的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化;在工件表面會(huì)形成氧化層，這層薄膜在光的照射下，入射光干涉使各種回火色在這時(shí)出現(xiàn)，表面生成的這一層幻彩的打標(biāo)層，隨著不用的觀察角度而變化，標(biāo)記的圖案也會(huì)變幻出各種不同的顏色。

　　水滴激光發(fā)表關(guān)于超快激光炫彩表面處理的報(bào)告

　　這些顏色在高達(dá)約 200 °C 時(shí)保持溫度穩(wěn)定。溫度更高時(shí)，柵極會(huì)恢復(fù)其初始狀態(tài)—打標(biāo)消失。表面質(zhì)量將完整保留。在防偽的應(yīng)用上具有高度的安全性和可追溯性。近年來(lái)已成熟運(yùn)用于醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，除了通過(guò)超短脈沖激光器進(jìn)行全新的黑色打標(biāo)外，還非常適合進(jìn)行產(chǎn)品標(biāo)識(shí)，從而根據(jù) UDI 指令實(shí)現(xiàn)唯一可追溯性。

　　04.激光熔覆

　　是一種適合金屬和金屬陶瓷混合材料的增材制造工藝。借此可以打造或修改 3D 幾何形狀。使用該生產(chǎn)方法，激光也可以進(jìn)行修復(fù)或鍍膜。因此在航空航天領(lǐng)域，增材制造被用于修復(fù)渦輪葉片。在工具和模具制造領(lǐng)域，可以修復(fù)破裂或磨損的邊緣和造形功能表面，或者甚至是在局部加裝裝甲。為了防止磨損和腐蝕，在能源技術(shù)或石油化學(xué)領(lǐng)域，為軸承位置、滾子或液壓部件鍍膜。而且在汽車制造領(lǐng)域也使用增材制造。在此對(duì)大量部件進(jìn)行改良。在常規(guī)的激光金屬熔覆中，激光束先局部加熱工件，然后形成熔池。然后從激光加工頭的噴嘴將精細(xì)金屬粉直接噴入熔池。在高速激光金屬熔覆過(guò)程中，粉末顆粒在基底表面上方就已經(jīng)幾乎加熱到了熔化溫度。因此，熔化粉末顆粒只需要較少的時(shí)間。效果：明顯提升流程速度。由于熱效應(yīng)更小，通過(guò)高速激光金屬熔覆也可以為對(duì)熱非常敏感的材料，如鋁合金和鑄鐵合金，進(jìn)行涂層。通過(guò) HS-LMD 工藝可以在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面上形成很高的表面速率，最高達(dá) 1500 cm2/min。同時(shí)實(shí)現(xiàn)高達(dá)每分鐘數(shù)百米的進(jìn)給速度。通過(guò)激光粉末激光金屬熔覆快速、輕松地修復(fù)昂貴的部件或模具。大大小小的損傷都可以迅速修復(fù)，且?guī)缀鯚o(wú)痕。也可以更改設(shè)計(jì)。從而節(jié)省時(shí)間、能源和材料。尤其是針對(duì)昂貴的金屬，如鎳或鈦，相當(dāng)值得。典型的應(yīng)用示例有渦輪葉片、各種活塞、閥門(mén)、軸或模具。

　　05.激光熱處理

　　數(shù)千個(gè)微型激光器(VCSEL)被安裝在了單塊芯片上。每個(gè)發(fā)射器上均裝有 56 塊這樣的芯片，而 一個(gè)模塊則由若干個(gè)發(fā)射器構(gòu)成。矩形輻射區(qū)可包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)微型激光器并且可輸出數(shù)千瓦的紅外激光功率。VCSEL 通過(guò)大面積的定向矩形光束橫截面可生成輻射強(qiáng)度為100 W/cm2 的近紅外光束。原則上，這種技術(shù)適用于所有對(duì)表面和溫度控制精準(zhǔn)性要求極其嚴(yán)苛的工業(yè)流程。激光熱處理模塊尤為適合精度要求嚴(yán)苛且靈活的大面積加熱應(yīng)用場(chǎng)景。相較于傳統(tǒng)的加熱方法，這種新型加熱工藝擁有更高的靈活性、精度和成本節(jié)約性。

　　該技術(shù)可用于密封袋式電池片，防止鋁箔起皺，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命。也可用于烘干電池鋁箔、對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行光浸潤(rùn)、對(duì)特定材料(例如鋼和硅晶圓)的待加熱區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)處理等等應(yīng)用中。

　　06.激光拋光

　　激光拋光技術(shù)的機(jī)理是表面窄熔和表面過(guò)熔，依靠的是表面的重熔和激光重熔層的再凝固。當(dāng)金屬表面被足夠高能量的激光所照射時(shí)，其表面經(jīng)受一定程度的重熔，再分布和通過(guò)表面拉應(yīng)力和重力的作用下，在凝固之前實(shí)現(xiàn)了光滑表面。熔化層的整個(gè)厚度小于波谷到波峰的高度，從而讓整個(gè)熔化的金屬填充到附近的波谷中，這一填充的驅(qū)動(dòng)力是通過(guò)毛細(xì)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而較厚的熔化層則會(huì)促使液體金屬?gòu)娜鄢刂行南蛲饬鲃?dòng)，驅(qū)動(dòng)力是熱毛細(xì)效應(yīng)或馬可尼效應(yīng)，從而讓其重新分布。

　　應(yīng)用案例如輕型大型望遠(yuǎn)鏡光學(xué)部件(尤其是大尺寸和復(fù)雜形狀反射鏡)的材料碳化硅陶瓷。RB-SiC作為一種典型的高硬度、復(fù)相材料，表面精密拋光技術(shù)困難，效率較低。通過(guò)飛秒激光對(duì)預(yù)涂有Si粉的RB-SiC表面進(jìn)行改性，僅經(jīng)過(guò)4.5小時(shí)的拋光，即可得到表面粗糙度Sq 為4.45 nm的光學(xué)表面，與直接研磨拋光相比，拋光效率提高了3倍以上。激光拋光還廣泛應(yīng)用在模具、凸輪及渦輪葉片的拋光方面。

　　07.激光噴丸

　　激光沖擊強(qiáng)化也稱做激光噴丸，是將高能量密度、高聚焦、短脈沖激光(λ=1053nm)輻照金屬零件表面，表層金屬(或吸收層)在高功率密度激光的作用下瞬間形成等離子體爆炸，爆炸沖擊波在約束層的束縛下向金屬零件內(nèi)部傳遞，使表層晶粒產(chǎn)生壓縮塑性變形，在零件表層較厚范圍內(nèi)獲得殘余壓應(yīng)力、晶粒細(xì)化等表面強(qiáng)化效果。對(duì)比傳統(tǒng)的機(jī)械拋丸具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.定向性強(qiáng)：激光以可控的角度作用于金屬表面，能量轉(zhuǎn)換效率高，而機(jī)械彈丸撞擊角度隨機(jī);2.作用力大：激光噴丸等離子體爆破產(chǎn)生的瞬間壓強(qiáng)高達(dá)數(shù)GPa;功率密度大：激光沖擊峰值功率密度達(dá)到幾到幾十GW/cm2;3.表面完整性好：激光沖擊對(duì)表面幾乎無(wú)濺射效應(yīng)，而機(jī)械噴丸后，表面形貌受損產(chǎn)生應(yīng)力集中。激光沖擊后的最大壓應(yīng)力值更優(yōu)，表面殘余壓應(yīng)力提高約40%~50%，對(duì)工件的耐疲勞壽命、抗高溫和彎曲成型等相關(guān)指標(biāo)數(shù)值上都有顯著提升。目前已應(yīng)用在飛機(jī)表面處理、航空發(fā)動(dòng)機(jī)表面處理等領(lǐng)域。