1、1第第7 7章章 激光加工技術激光加工技術27.1 7.1 激光原理與特點激光原理與特點 7.1.1 7.1.1 激光的產生激光的產生 激光最初被譯作激光最初被譯作“萊塞萊塞”，即英語，即英語“Laser”Laser”，是是“Light amplification by stimulated emission of Light amplification by stimulated emission of radiation”(radiation”(意為意為“輻射的受激發射光放大輻射的受激發射光放大”) )的縮的縮寫。后來在寫。后來在2020世紀世紀6060年代初期，由錢學森建議，年代初期，由

2、錢學森建議，把光受激發射器改稱為把光受激發射器改稱為“激光激光”或或“激光器激光器”。37.1 7.1 激光原理與特點激光原理與特點 7.1.1 7.1.1 激光的產生激光的產生 世界上第一臺紅寶石激光器由美國科學家梅世界上第一臺紅寶石激光器由美國科學家梅曼于曼于19601960年發明成功，隨后各種激光器不斷涌現，年發明成功，隨后各種激光器不斷涌現，我國科學家王之江也于我國科學家王之江也于19611961年在長春光機所研究年在長春光機所研究成功我國第一臺激光器。激光器作為成功我國第一臺激光器。激光器作為2020世紀四大世紀四大發明之一，它為人們科學研究、生產提供一個新發明之一，它為人們科學研究

3、、生產提供一個新的方法，也給人類的生活提供了很大方便，特別的方法，也給人類的生活提供了很大方便，特別在是進入在是進入2020世紀世紀8080年代以來，激光加工技術在工年代以來，激光加工技術在工業上獲得廣泛的應用，成為工業上不可缺少的一業上獲得廣泛的應用，成為工業上不可缺少的一種方法。種方法。4 1. 1. 光的自發輻射光的自發輻射 由于電子在原子外層的不同分布，具有不同由于電子在原子外層的不同分布，具有不同的內部能量，從而形成所謂的能級。若原子處于的內部能量，從而形成所謂的能級。若原子處于內部能量最低的狀態，則稱原子處于基態。其他內部能量最低的狀態，則稱原子處于基態。其他比基態能量高的狀態，都

4、稱激發態。在熱平衡情比基態能量高的狀態，都稱激發態。在熱平衡情況下，絕大多數原子都處于基態。處于基態的原況下，絕大多數原子都處于基態。處于基態的原子，從外界吸收能量以后，將躍遷到能量較高的子，從外界吸收能量以后，將躍遷到能量較高的激發態。激發態。5 2. 2. 光的受激吸收光的受激吸收 當原子受到外來的能量為當原子受到外來的能量為hh2121的光子作用的光子作用( (激激勵勵) )下，處于低能級下，處于低能級E E1 1上的原子由于吸收一個能上的原子由于吸收一個能量為量為hh2121的光子而受到激發，躍遷到高能級的光子而受到激發，躍遷到高能級E E2 2上上去，這種過程稱為光的受激吸收。去，這

5、種過程稱為光的受激吸收。 6 3. 3. 光的受激輻射光的受激輻射 當原子受到外來的能量為當原子受到外來的能量為hh的光子作用的光子作用( (激勵激勵) )時，處在高能級時，處在高能級E E2 2上的原子也會在能量為上的原子也會在能量為hh的光的光子誘發下，從高能級子誘發下，從高能級E E2 2躍遷到低能級躍遷到低能級E E1 1，這時原，這時原子發射一個與外來光子一模一樣的光子，這種過子發射一個與外來光子一模一樣的光子，這種過程稱為光的受激輻射。程稱為光的受激輻射。77.1.2 7.1.2 激光特性激光特性 激光器具有與普通光源很不相同的特性，一激光器具有與普通光源很不相同的特性，一般稱為激

6、光的四性：方向性好、單色性好、相干般稱為激光的四性：方向性好、單色性好、相干性好以及高亮度。激光的這些特性不是彼此獨立性好以及高亮度。激光的這些特性不是彼此獨立的，它們相互之間有聯系。實際上，正是由于激的，它們相互之間有聯系。實際上，正是由于激光的受激輻射本質決定了它是一個相干光源，因光的受激輻射本質決定了它是一個相干光源，因此其單色性和方向性好，能量集中。此其單色性和方向性好，能量集中。87.1.3 7.1.3 激光加工工作原理及特點激光加工工作原理及特點 1. 1. 激光加工工作原理激光加工工作原理 激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來

7、切除、熔化材料以及改變物體表激光的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面性能。由于激光加工是無接觸式加工，工具不面性能。由于激光加工是無接觸式加工，工具不會與工件的表面直接磨察產生阻力，所以激光加會與工件的表面直接磨察產生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對象受熱影響的范圍較小而工的速度極快、加工對象受熱影響的范圍較小而且不會產生噪音。由于激光束的能量和光束的移且不會產生噪音。由于激光束的能量和光束的移動速度均可調節，因此激光加工可應用到不同層動速度均可調節，因此激光加工可應用到不同層面和范圍上。面和范圍上。 97.1.3 7.1.3 激光加工工作原理及特點激光加工工作原理及特點電源107.1

8、.3 7.1.3 激光加工工作原理及特點激光加工工作原理及特點 2. 2. 激光加工特點激光加工特點 激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領域存在激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領域存在的優勢：的優勢： 非接觸加工，無工具磨損，不需要中途更換工非接觸加工，無工具磨損，不需要中途更換工具，并且高能量激光束的能量及其移動速度均可具，并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調，因此可以實現多種加工的目的；調，因此可以實現多種加工的目的； 激光束能量密度高，加工速度快，工件變形小、激光束能量密度高，加工速度快，工件變形小、熱影響區小，后續加工量小；熱影響區小，后續加工量小；117.1.3 7.1.3 激

9、光加工工作原理及特點激光加工工作原理及特點 它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性及高熔點材料，可加工材料加工高硬度、高脆性及高熔點材料，可加工材料范圍廣泛；范圍廣泛； 激光束易于導向、聚焦，實現作各方向變換，激光束易于導向、聚焦，實現作各方向變換，極易與數控系統配合對復雜工件進行加工；極易與數控系統配合對復雜工件進行加工； 易與傳統生產工藝組合，形成生產線，是一種易與傳統生產工藝組合，形成生產線，是一種極為靈活的加工技術。極為靈活的加工技術。 使用激光加工，生產效率高，質量可靠，經濟使用激光加工，生產效率高，質量可靠，經濟效益好效益

10、好。127.2 7.2 材料加工用激光器簡介材料加工用激光器簡介7.2.1 7.2.1 激光加工常用激光器激光加工常用激光器 激光器種類比較多，但在工業上最常用材激光器種類比較多，但在工業上最常用材料加工的激光器是料加工的激光器是CO2CO2激光器。激光器。CO2CO2激光器產生激光器產生的激光波長為的激光波長為10.610.6，電光轉換效率為，電光轉換效率為10%15%10%15%。 137.2.2 7.2.2 激光加工基本設備的組成激光加工基本設備的組成激光加工的基本設備包括激光器、電源、光學系統激光加工的基本設備包括激光器、電源、光學系統及機械系統等四大部分。及機械系統等四大部分。(1)

11、 (1) 激光器：是激光加工的核心設備，它是把電能轉激光器：是激光加工的核心設備，它是把電能轉換成光能，產生激光束。換成光能，產生激光束。(2) (2) 激光器電源：為激光器提供電能以及實現激光器激光器電源：為激光器提供電能以及實現激光器和機械系統自動控制。和機械系統自動控制。(3) (3) 光學系統：主要包括聚焦系統和觀察瞄準系統。光學系統：主要包括聚焦系統和觀察瞄準系統。(4) (4) 機械系統：包括床身、數控工作臺和數控系統等。機械系統：包括床身、數控工作臺和數控系統等。147.3 7.3 激光切割和打孔技術激光切割和打孔技術7.3.1 7.3.1 激光切割激光切割與傳統的機械切割方式和

12、其他切割方式與傳統的機械切割方式和其他切割方式( (如等離子切如等離子切割、水切割、氧溶劑電弧切割、沖裁等割、水切割、氧溶劑電弧切割、沖裁等) )相比，激相比，激光切割具有如下優點。光切割具有如下優點。(1) (1) 切縫細小，可以實現幾乎任意輪廓線的切割。切縫細小，可以實現幾乎任意輪廓線的切割。(2) (2) 切割速度高。切割速度高。(3) (3) 切口的垂直度和平行度好，表面粗糙度好。切口的垂直度和平行度好，表面粗糙度好。(4) (4) 熱影響區非常小，工件變形小。熱影響區非常小，工件變形小。(5) (5) 幾乎沒有氧化層。幾乎沒有氧化層。157.3 7.3 激光切割和打孔技術激光切割和打

13、孔技術(6) (6) 幾乎不受切割材料的限制，能切割易碎的脆性材幾乎不受切割材料的限制，能切割易碎的脆性材料和極軟、極硬的材料，既可以切割金屬，也可料和極軟、極硬的材料，既可以切割金屬，也可以切割非金屬如玻璃、陶瓷以及木材、布料、紙以切割非金屬如玻璃、陶瓷以及木材、布料、紙張等。張等。(7) (7) 無力接觸式加工，沒有無力接觸式加工，沒有“刀具刀具”磨損，也不會破磨損，也不會破壞精密工件的表面。壞精密工件的表面。(8) (8) 具有高度的適應性、加工柔性高，可以實現小批具有高度的適應性、加工柔性高，可以實現小批量、多品種的高效自動化加工。量、多品種的高效自動化加工。(9) (9) 噪聲小，無

14、公害。噪聲小，無公害。 167.3.2 7.3.2 激光打孔激光打孔 1. 1. 激光打孔的原理和方式激光打孔的原理和方式 在所有的打孔技術中激光打孔是最新的無屑在所有的打孔技術中激光打孔是最新的無屑加工技術。在工業用脈沖激光器中，光泵浦的加工技術。在工業用脈沖激光器中，光泵浦的NdNd：YAGYAG固體激光器調制后輸出的脈沖峰值功率是比固體激光器調制后輸出的脈沖峰值功率是比較高的。聚焦后焦點處的功率密度達到較高的。聚焦后焦點處的功率密度達到107W/cm2107W/cm2的量級。如此高的能量密度足以汽化的量級。如此高的能量密度足以汽化任何已知的材料。激光打孔分為五個階段：表面任何已知的材料。

15、激光打孔分為五個階段：表面加熱、表面熔化、汽化、氣態物質噴射和液態物加熱、表面熔化、汽化、氣態物質噴射和液態物質噴射。質噴射。 17 2. 2. 激光打孔的特點及應用激光打孔的特點及應用 激光打孔的特點是速度快、效率高，現在最快每秒可激光打孔的特點是速度快、效率高，現在最快每秒可以實現打以實現打100100孔；打孔的孔徑可以從幾微米到任意孔徑；孔；打孔的孔徑可以從幾微米到任意孔徑；可以實現在任何材料上打孔，如寶石、金剛石、陶瓷、可以實現在任何材料上打孔，如寶石、金剛石、陶瓷、金屬、半導體、聚合物和紙等；不需要工具，也就不存金屬、半導體、聚合物和紙等；不需要工具，也就不存在工具磨損和更換工具，因

16、此特別適合自動化打孔。另在工具磨損和更換工具，因此特別適合自動化打孔。另外，激光還可以打斜孔，如航空發動機上大量的斜孔加外，激光還可以打斜孔，如航空發動機上大量的斜孔加工。與其他高能束打孔相比，激光打孔不需要抽真空，工。與其他高能束打孔相比，激光打孔不需要抽真空，能夠在大氣中進行打孔。能夠在大氣中進行打孔。187.4 7.4 激光焊接技術激光焊接技術 7.4.1 7.4.1 激光焊接技術的興起及發展激光焊接技術的興起及發展 在激光出現不久就有人開始了激光焊接技術的研究，在激光出現不久就有人開始了激光焊接技術的研究，激光焊接技術是激光在工業應用的一個重要方面。激光激光焊接技術是激光在工業應用的一

17、個重要方面。激光焊接技術從小功率薄板焊接到大功率厚件焊接，由單工焊接技術從小功率薄板焊接到大功率厚件焊接，由單工件加工向多工作臺多工件同時焊接發展，以及由簡單焊件加工向多工作臺多工件同時焊接發展，以及由簡單焊縫向復雜焊縫發展，激光焊接的應用也在不斷發展。在縫向復雜焊縫發展，激光焊接的應用也在不斷發展。在航空工業以及其他許多應用中，激光焊接能夠實現很多航空工業以及其他許多應用中，激光焊接能夠實現很多類型材料的連接，而且激光焊接通常具有許多其他熔焊類型材料的連接，而且激光焊接通常具有許多其他熔焊工藝所無法比擬的優越性，尤其是激光焊接能夠連接航工藝所無法比擬的優越性，尤其是激光焊接能夠連接航空與汽車

18、工業中比較難焊的薄板合金材料，如鋁合金等，空與汽車工業中比較難焊的薄板合金材料，如鋁合金等，并且構件的變形小，接頭質量高，重現性好。并且構件的變形小，接頭質量高，重現性好。 197.4.2 7.4.2 激光焊接的原理及特點激光焊接的原理及特點 1. 1. 激光焊接原理激光焊接原理 (1) (1) 熱傳導熱焊接。采用的激光光斑功率密度小熱傳導熱焊接。采用的激光光斑功率密度小于于105W/cm2105W/cm2時，激光將金屬表面加熱到熔點和時，激光將金屬表面加熱到熔點和沸點之間。焊接時，金屬材料表面將所吸收的激沸點之間。焊接時，金屬材料表面將所吸收的激光能轉變為熱能，使金屬表面溫度升高而熔化，光能

19、轉變為熱能，使金屬表面溫度升高而熔化，然后通過熱傳導方式把熱能傳向金屬內部，使熔然后通過熱傳導方式把熱能傳向金屬內部，使熔化區逐漸擴大，凝固后形成焊點或焊縫，這種焊化區逐漸擴大，凝固后形成焊點或焊縫，這種焊接機理稱為熱傳導熱焊。接機理稱為熱傳導熱焊。20 (2) (2) 激光深熔焊接。當激光光斑上的功率密度大于激光深熔焊接。當激光光斑上的功率密度大于106W/cm2106W/cm2時，金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面時，金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時間內升高到沸點，使金屬熔化或汽化，溫度在極短的時間內升高到沸點，使金屬熔化或汽化，產生的金屬蒸氣以一定速度離開熔池，逸出的

20、蒸氣對熔產生的金屬蒸氣以一定速度離開熔池，逸出的蒸氣對熔化液態金屬產生一個附加壓力，使熔池金屬表面向下凹化液態金屬產生一個附加壓力，使熔池金屬表面向下凹陷，在激光光斑下產生一個小凹坑。當光束在小孔底部陷，在激光光斑下產生一個小凹坑。當光束在小孔底部繼續加熱時，所產生的金屬蒸氣一方面壓迫坑底的液態繼續加熱時，所產生的金屬蒸氣一方面壓迫坑底的液態金屬使小坑進一步加深；另一方面，坑外飛出的蒸氣將金屬使小坑進一步加深；另一方面，坑外飛出的蒸氣將熔化的金屬擠向熔池四周，此過程連續進行下去，便在熔化的金屬擠向熔池四周，此過程連續進行下去，便在液態金屬中形成一個細長的孔洞而進行焊接，因此稱之液態金屬中形成一

21、個細長的孔洞而進行焊接，因此稱之為激光深熔焊。為激光深熔焊。212. 2. 激光焊接的特點激光焊接的特點(1) (1) 激光加熱范圍小，在同等功率和焊接厚度條件下，激光加熱范圍小，在同等功率和焊接厚度條件下，焊接速度高，熱輸入小，熱影響區小，焊接應力焊接速度高，熱輸入小，熱影響區小，焊接應力和變形小。和變形小。(2) (2) 激光可通過光導纖維、棱鏡等光學方法彎曲傳輸、激光可通過光導纖維、棱鏡等光學方法彎曲傳輸、偏轉、聚焦，特別適合于微型零件和遠距離或一偏轉、聚焦，特別適合于微型零件和遠距離或一些難以接近的部位的焊接。些難以接近的部位的焊接。(3) (3) 一臺激光器可供多個工作臺進行不同的工

22、作，既一臺激光器可供多個工作臺進行不同的工作，既可用于焊接，又可用于切割、合金化和熱處理，可用于焊接，又可用于切割、合金化和熱處理，一機多用。一機多用。22(4) (4) 激光在大氣中損耗不大，可以穿過玻璃等透明物體，適激光在大氣中損耗不大，可以穿過玻璃等透明物體，適用于在玻璃制成的密封容器里焊接能對人體產生副作用用于在玻璃制成的密封容器里焊接能對人體產生副作用的材料；激光不受電磁場影響，不存在的材料；激光不受電磁場影響，不存在X X射線防護，也不射線防護，也不需要真空保護。需要真空保護。(5) (5) 可以焊一般焊接方法難以焊接的材料，如高熔點金屬等，可以焊一般焊接方法難以焊接的材料，如高熔

23、點金屬等，甚至可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷、有機玻璃；焊甚至可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷、有機玻璃；焊后無需熱處理，適合于某些對熱輸入敏感的材料的焊接。后無需熱處理，適合于某些對熱輸入敏感的材料的焊接。(6) (6) 屬于非接觸焊接；由于激光焊接的焊接接頭沒有嚴重的屬于非接觸焊接；由于激光焊接的焊接接頭沒有嚴重的應力集中，表現出良好的抗疲勞性能和高的抗拉強度。應力集中，表現出良好的抗疲勞性能和高的抗拉強度。237.4.3 7.4.3 激光焊接的形式與質量激光焊接的形式與質量1. 1. 激光焊接的接頭形式激光焊接的接頭形式242. 2. 影響焊接質量的工藝參數影響焊接質量的工藝參數(1) (

24、1) 脈沖能量脈沖能量E E和功率密度。和功率密度。 (2) (2) 激光脈沖寬度。激光脈沖寬度。 (3) (3) 離焦量離焦量( (焦點離作用物質間的距離焦點離作用物質間的距離) )。 (4) (4) 光束直徑。光束直徑。(5) (5) 焊接速度。焊接速度。隨著焊接速度增大，焊縫熔寬降低，熔深隨著焊接速度增大，焊縫熔寬降低，熔深及余高也有一定減少。焊接速度過快會引起焊縫兩側咬及余高也有一定減少。焊接速度過快會引起焊縫兩側咬肉。焊接速度太慢則容易產生燒穿和焊縫組織粗大等缺肉。焊接速度太慢則容易產生燒穿和焊縫組織粗大等缺陷。陷。(6) (6) 保護氣體。保護氣體。 253. 3. 采用填充材料的

25、激光焊接采用填充材料的激光焊接 焊接大厚度板或接頭存在較大間隙時，可以焊接大厚度板或接頭存在較大間隙時，可以采用填充焊絲或粉末來填補縫隙，熔化的焊絲材采用填充焊絲或粉末來填補縫隙，熔化的焊絲材料填滿間隙而獲得均勻連續的焊縫。高強鋁合金料填滿間隙而獲得均勻連續的焊縫。高強鋁合金焊接時，也需要采用填充焊絲來調節焊縫成分以焊接時，也需要采用填充焊絲來調節焊縫成分以消除焊接熱裂紋。消除焊接熱裂紋。26277.5 7.5 激光表面技術激光表面技術 7.5.1 7.5.1 激光表面技術分類激光表面技術分類 采用激光高能束流集中作用在金屬表面，通采用激光高能束流集中作用在金屬表面，通過表面掃描或伴隨有附加填

26、充材料的加熱，使金過表面掃描或伴隨有附加填充材料的加熱，使金屬表面由于加熱、熔化、汽化而產生冶金的、物屬表面由于加熱、熔化、汽化而產生冶金的、物理的、化學的或相結構的轉變，達到了金屬表面理的、化學的或相結構的轉變，達到了金屬表面改性的目的，這種加工技術稱為激光表面技術。改性的目的，這種加工技術稱為激光表面技術。據激光加熱和處理工藝方法的特征，激光表面處據激光加熱和處理工藝方法的特征，激光表面處理的種類很多，理的種類很多，如下圖列出了幾種典型工藝。如下圖列出了幾種典型工藝。28激光表面技術的分類圖激光表面技術的分類圖 297.5.2 7.5.2 激光相變硬化激光相變硬化 1. 1. 激光相變硬化

27、的原理激光相變硬化的原理 激光相變硬化也稱為激光淬火，是利于激光激光相變硬化也稱為激光淬火，是利于激光輻照的能量把金屬材料表面快速加熱至相變溫度輻照的能量把金屬材料表面快速加熱至相變溫度與熔點溫度之間，然后利用材料本身對加熱表面與熔點溫度之間，然后利用材料本身對加熱表面進行快速冷卻使其發生固態相變產生硬化層的一進行快速冷卻使其發生固態相變產生硬化層的一種工藝方法。種工藝方法。 302. 2. 激光相變硬化的特點激光相變硬化的特點激光束硬化與傳統的硬化方法相比，主要的特點有：激光束硬化與傳統的硬化方法相比，主要的特點有：(1) (1) 加熱冷卻速度快，處理效率高。加熱冷卻速度快，處理效率高。(2

28、) (2) 激光能量、光斑大小和形狀以及激光作用時間可以精確激光能量、光斑大小和形狀以及激光作用時間可以精確控制，處理效果好。控制，處理效果好。(3) (3) 只在需要的部位進行處理。只在需要的部位進行處理。(4) (4) 工件熱變形小甚至基本無變形。工件熱變形小甚至基本無變形。(5) (5) 激光束易于傳輸和導向，因此可以對復雜零件表面進行激光束易于傳輸和導向，因此可以對復雜零件表面進行處理，如深孔和溝槽表面。處理，如深孔和溝槽表面。(6) (6) 易于實現自動化控制，勞動生產率高。易于實現自動化控制，勞動生產率高。(7) (7) 節省能源，不產生環境污染。節省能源，不產生環境污染。31 3

29、. 3. 激光相變硬化的應用激光相變硬化的應用 激光相變硬化的應用很多，如平面類零件，導軌、激光相變硬化的應用很多，如平面類零件，導軌、刀片、葉片以及板狀零件；刀片、葉片以及板狀零件； 圓環類零件，活塞環、汽缸圓環類零件，活塞環、汽缸漲圈、汽室漲圈、油封座、進氣門、排氣門、缸蓋座口、漲圈、汽室漲圈、油封座、進氣門、排氣門、缸蓋座口、各類軸承環等，以提高硬度和耐磨性為目的；套筒類零各類軸承環等，以提高硬度和耐磨性為目的；套筒類零件，有汽車、拖拉機、船舶等發動機缸套或缸體、汽閥件，有汽車、拖拉機、船舶等發動機缸套或缸體、汽閥導管、電錘套簡、各類襯套和泵筒等；各種軸類、長桿導管、電錘套簡、各類襯套和

30、泵筒等；各種軸類、長桿導柱等，異型類零件，如齒輪、模具、針布、鐘表的擒導柱等，異型類零件，如齒輪、模具、針布、鐘表的擒縱叉、發動機飛錘、刀具、離合器連接件、花鍵套等。縱叉、發動機飛錘、刀具、離合器連接件、花鍵套等。327.6 7.6 激激 光光 重重 熔熔 1. 1. 激光表面重熔的原理和特點激光表面重熔的原理和特點 激光重熔是在激光作用下使材料表面局部區激光重熔是在激光作用下使材料表面局部區域快速加熱至熔化，隨后借助于冷態的金屬基體域快速加熱至熔化，隨后借助于冷態的金屬基體的熱傳導作用，使熔化區域快速凝固，形成結構的熱傳導作用，使熔化區域快速凝固，形成結構極其細小的非平衡鑄態組織的工藝技術。

31、經激光極其細小的非平衡鑄態組織的工藝技術。經激光重熔的零件表面硬度高，耐磨抗蝕性好。重熔的零件表面硬度高，耐磨抗蝕性好。 重熔的主要目的是改善材料的原始組織，特重熔的主要目的是改善材料的原始組織，特別是獲得彌散細化效應。別是獲得彌散細化效應。 33 2. 2. 激光表面重熔的應用激光表面重熔的應用 激光重熔硬化在含有鉻的碳鋼、工具鋼、包激光重熔硬化在含有鉻的碳鋼、工具鋼、包括高速鋼以及結構不銹鋼和軸承鋼的應用上具有括高速鋼以及結構不銹鋼和軸承鋼的應用上具有明顯的優越性。激光重熔硬化對改善材料性能具明顯的優越性。激光重熔硬化對改善材料性能具有明顯的效果，工作壽命可相應延長數倍。有明顯的效果，工作

32、壽命可相應延長數倍。 鋁合金的激光重熔硬化主要應用于鑄態鋁合鋁合金的激光重熔硬化主要應用于鑄態鋁合金組織細化。金組織細化。 347.7 7.7 激光合金化激光合金化 1. 1. 激光合金化的原理和特點激光合金化的原理和特點 激光合金化是在激光重熔的基礎上通過向熔激光合金化是在激光重熔的基礎上通過向熔化區內添加一些合金元素，熔化的基體材料和添化區內添加一些合金元素，熔化的基體材料和添加的合金元素由于激光熔池的運動而得到混合，加的合金元素由于激光熔池的運動而得到混合，凝固后形成以基體成分為基礎而又不同于基體成凝固后形成以基體成分為基礎而又不同于基體成分的新的合金層，以達到所要求的使用性能的工分的新

33、的合金層，以達到所要求的使用性能的工藝技術。藝技術。 35 2. 2. 激光合金化的應用激光合金化的應用 有資料表明，為了提高中碳低合金鋼的耐腐蝕性能，有資料表明，為了提高中碳低合金鋼的耐腐蝕性能，可以采用可以采用Cr-MoCr-Mo粉末進行激光合金化處理。將粉末進行激光合金化處理。將CrCr粉與粉與MoMo粉粉按按Cr:Mo=4:1Cr:Mo=4:1比例混合，用等離子噴涂在基材表面，形成比例混合，用等離子噴涂在基材表面，形成約約200200厚的預置涂層。采用厚的預置涂層。采用2kW CO22kW CO2橫流激光器，光斑直橫流激光器，光斑直徑徑1.75mm1.75mm，功率密度，功率密度6.2

34、56.25104W/cm2104W/cm2，掃描速度，掃描速度545mm/s545mm/s，進行多道搭接掃描。鈦和鈦合金的激光氣體，進行多道搭接掃描。鈦和鈦合金的激光氣體表面氮化是一種提高材料耐腐蝕性能的常用技術。采用表面氮化是一種提高材料耐腐蝕性能的常用技術。采用5 5 kWkW橫流橫流CO2CO2激光器，同軸送激光器，同軸送N2N2合金化氣并加合金化氣并加N2N2保護激光保護激光熔池。激光合金化層厚度達熔池。激光合金化層厚度達0.5mm0.5mm，合金層的組織為富氮，合金層的組織為富氮的基體，并分布的基體，并分布TiNTiN枝晶。枝晶。367.8 7.8 激激 光光 熔熔 覆覆 1. 1.

35、 激光熔覆的原理激光熔覆的原理 激光熔覆是利用高能密度激光束將具有不激光熔覆是利用高能密度激光束將具有不同成分、性能的合金與基材表面快速熔化，在基同成分、性能的合金與基材表面快速熔化，在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層的工藝技術，是材料表面改性技術的一種重金層的工藝技術，是材料表面改性技術的一種重要方法。要方法。 377.8 7.8 激激 光光 熔熔 覆覆 2. 2. 激光熔覆的特點與應用激光熔覆的特點與應用 激光熔覆的主要目的是在廉價金屬材料表面形成高激光熔覆的主要目的是在廉價金屬材料表面形成高性能的合金層，達到降低成本、提高零件表面

36、耐磨、耐性能的合金層，達到降低成本、提高零件表面耐磨、耐蝕及耐高溫抗氧化等的綜合性能。激光熔覆的合金材料蝕及耐高溫抗氧化等的綜合性能。激光熔覆的合金材料包括自熔性合金材料、炭化物彌散或復合材料、陶瓷材包括自熔性合金材料、炭化物彌散或復合材料、陶瓷材料等。這類材料具有優異的耐磨、耐蝕等性能，通常以料等。這類材料具有優異的耐磨、耐蝕等性能，通常以粉末的形式使用。在激光熔覆工藝中還有單道、多道、粉末的形式使用。在激光熔覆工藝中還有單道、多道、單層、多層等多種形式。通過多道搭界和多層疊加，可單層、多層等多種形式。通過多道搭界和多層疊加，可以實現寬度和厚度的增加。激光熔覆時常出現氣孔和裂以實現寬度和厚度

37、的增加。激光熔覆時常出現氣孔和裂紋等現象，應盡量防止。紋等現象，應盡量防止。 387.9 7.9 其他激光加工簡介其他激光加工簡介 7.9.1 7.9.1 激光銑削技術與應用激光銑削技術與應用 當聚焦的高能激光束作用于物體微小區域，當聚焦的高能激光束作用于物體微小區域，瞬間可使任何材料熔化或者蒸發，激光銑削就是瞬間可使任何材料熔化或者蒸發，激光銑削就是利用激光束按規定的圖案，一層一層掃描剝離利用激光束按規定的圖案，一層一層掃描剝離( (或或稱燒蝕稱燒蝕) )材料，就像機械銑削過程一樣對材料進行材料，就像機械銑削過程一樣對材料進行成形加工，這類似機械銑削加工，可以形象地把成形加工，這類似機械銑削

38、加工，可以形象地把它稱為激光銑削。利用激光銑削加工可以直接進它稱為激光銑削。利用激光銑削加工可以直接進行零件的成形加工，激光銑削加工具有很大的柔行零件的成形加工，激光銑削加工具有很大的柔性，特別適合單件小批量生產。性，特別適合單件小批量生產。 3940當激光束照射到工件表面時，光能被吸收，轉當激光束照射到工件表面時，光能被吸收，轉化成熱能，使照射斑點處溫度迅速升高、熔化、化成熱能，使照射斑點處溫度迅速升高、熔化、氣化而形成小坑，由于熱擴散，使斑點周圍金氣化而形成小坑，由于熱擴散，使斑點周圍金屬屬熔化，小坑內金屬蒸氣迅速膨脹，產生微型熔化，小坑內金屬蒸氣迅速膨脹，產生微型爆炸，將熔融物高速噴出并產生一個方向性很爆炸，將熔融物高速噴出并產生一個方向性很強的反沖擊波，于是在被加工表面上打出一個強的反沖擊波，于是在被加工表面上打出一個上大下小的孔。上大下小的孔。417.9.2 7.9.2 激光快速成形技