4激光加工要點

1、4 激光加工4.1 概述光學(xué)是一門既古老又年輕的科學(xué)。人們一直在研究光的產(chǎn)生、本性和與物質(zhì)間的 相互作用，對光的認識和利用也越來越深入。隨著光的經(jīng)典理論向量子理論的過渡和 完善，人們對光的認識也從光線、光波發(fā)展到波粒二象性。光的現(xiàn)代量子理論也就是 光子學(xué)說認為：光是一種以光速c運動的光子流。激光(Laser)是指輻射的受激發(fā)射過 程中產(chǎn)生的光放大 (Light amplification by stimulated emission of radiation) 。光子理 論的發(fā)展奠定了激光的概念和理論基礎(chǔ)。建立在量子力學(xué)理論基礎(chǔ)之上的激光技術(shù)是20世紀60年代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。 1960

2、年，美國休斯公司的 T. Maiman 發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器； 從此， 人們對激光的特性和應(yīng)用進行了研究。1961年貝爾實驗室發(fā)明了第一臺氦 -氖激光器。1962年，研制出第一臺工作在液氮溫度下脈沖半導(dǎo)體激光器。接著在1964年C. Patel發(fā)明了第一臺CO2激光器，1965年貝爾實驗室又發(fā)明了第一臺 YAG激光器。1966年 Laser Focus 雜志發(fā)行，這標志著激光時代的開始。1965年前后，CO2激光器和Nd : YAG激光器相繼出現(xiàn)，而這兩種激光器都可以 產(chǎn)生相當(dāng)高的平均功率和能量，因而使激光在材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。激光加 工是利用光的能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點上達

3、到很高的能量密度靠光熱效應(yīng)來加工 材料。人們曾用透鏡將太陽光聚焦，使紙張和木材引燃。但是無法用于材料加工。這 是因為：地面上太陽光的能量密度不高；太陽光不是單色光，是多種不同波長的多色 光，聚焦后焦點不在同一個平面內(nèi)。只有激光是可控的單色光，其強度高，能量密度 大，可以在空氣介質(zhì)中高速加工各種材料。隨著激光束與物質(zhì)相互作用的研究發(fā)展，以及激光器輸出功率的提高并商品化， 使激光器走出了實驗室， 并在20世紀70年代初期變成了工業(yè)中加工材料的設(shè)備，一種嶄新的加工方法激光加工出現(xiàn)了。當(dāng)時主要用于一些微型器件的切割、焊接，以 及電子工業(yè)中電路板的焊接、 打孔和集成電路的調(diào)阻。 70年代中后期才開始廣泛

4、應(yīng)用 于金屬材料的焊接、切割和熱處理中。80年代以后，Nd:YAG激光器和CO2激光器的性能進一步提高。由于廣泛采用多 級放大的結(jié)構(gòu)，目前單棒激光器的輸出功率最大可達500W，多級放大后輸出功率可達幾千瓦。同時CO2激光器多采用快速軸流結(jié)構(gòu)，輸出功率已達幾千瓦甚至上萬瓦。 這樣的激光器已在激光表面改性處理、 激光切割與焊接中取得廣泛應(yīng)用。 到了90年代， 新的泵浦源激光二極管的發(fā)展，對固體激光器的發(fā)展開辟了嶄新的領(lǐng)域。二極管泵浦 源固體激光器體積大大減小，光束質(zhì)量高，壽命長，泵浦效率遠遠超過燈激勵等傳統(tǒng) 的激勵方式，它將在很大范圍內(nèi)代替原有的工業(yè)應(yīng)用激光器。近年來，一些新型激光 器也相應(yīng)進入激

5、光加工領(lǐng)域，其中最主要的是準分子激光器。準分子激光器工作在紫 外波段，它與材料的作用以激光化學(xué)反應(yīng)為主，其作用過程主要借助于高能密度光子 引發(fā)或控制化學(xué)反應(yīng)而進行。在我國， 1961 年研制出第一臺紅寶石激光器， 1963年研制成功激光打孔機。， 1965年正式在拉絲模和手表寶石軸承上采用激光打孔，以后相繼采用C02激光器、釹玻璃激光器、YAG激光器等對不同材料，不同零件進行打孔。1976年，長春光機所與 第一汽車制造廠等單位合作開發(fā)了 SJ-2500型500W直管式數(shù)控激光切割機，用于紅 旗轎車車身薄板的切割， 1978 年開始系統(tǒng)地進行激光熱處理研究和工業(yè)應(yīng)用。 到目前 為止，我國在激光打

6、孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光熱處理、激光打標、 激光快速三維立體成型等方面已有許多非常成功的應(yīng)用范例，激光合金化和熔覆、激 光制備新材料等都開始進入實用化階段。激光技術(shù)是 20世紀與原子能、 半導(dǎo)體及計算機齊名的四大發(fā)明之一。 激光的應(yīng)用 已滲透到加工、醫(yī)療、通訊、檢測、軍事、娛樂等眾多領(lǐng)域，取得了很好的經(jīng)濟效益 和社會效益，對國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展將發(fā)揮越來越重要的作用。激光加工對傳統(tǒng)工業(yè)的改造也將發(fā)揮越來越顯著的作用。 因為21世紀的制造技術(shù) 首先必須是可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)。 20世紀飛速發(fā)展的工業(yè)技術(shù)使人類已面臨環(huán)境污染、 生態(tài)破壞和資源短缺的危機。 因此在21世紀必須實行可持續(xù)發(fā)展

7、的策略， 推行無污染、 低消耗的綠色制造技術(shù)。激光加工過程是激光與材料相互作用的過程，不像刀具切削 加工有大量的切屑產(chǎn)生，消耗掉許多被加工材料并磨損刀具，同時產(chǎn)生較大的加工噪 聲。激光加工時激光束照射在被加工工件上與材料相互作用完成加工過程，因此是非 接觸、無磨損、無噪聲、無切屑，基本上對環(huán)境不造成污染。所以激光加工是一種非 接觸、無污染、低噪聲、節(jié)省被加工材料的綠色加工技術(shù)。它必然會成為 21 世紀的一 種先進加工技術(shù)。4.2 激光產(chǎn)生的原理和概念激光的產(chǎn)生與原子物理理論的一些基本概念有關(guān)。一、 原子的能級和躍遷原子由原子核和繞原子核轉(zhuǎn)動的電子組成。 原子的內(nèi)能就是電子繞原子核轉(zhuǎn)動的 動能和

8、電子被原子核吸引的位能之和。電子分布在離核最近的一些軌道時，原子的總 能量最低，稱為原子處于基態(tài)；由于外界作用使電子重新分布于離核較遠的外層軌道 時，原子的總能量較高，稱為原子處于激發(fā)態(tài)。只有電子在最靠近原子核的軌道上運 動才是最穩(wěn)定的。當(dāng)外界傳給原子一定的能量時，原子的內(nèi)能增加，外層電子的軌道 半徑擴大，被激發(fā)到高能態(tài)。各種不同的能量狀態(tài)稱為能級，原子可能具有的總能量 值不是連續(xù)分布的，而是一系列分離的數(shù)值，因此其能級也是分立的。圖 4-1 是氫原 子的能級，圖中最低的能級Ei是基態(tài)，其余E2、E3等都是高能態(tài)。電子在核外的分布不是一成不變的，當(dāng)原子受外界能量作用時，電子的分布就會 發(fā)生變化

9、，原子的能量也隨之變化。原子從一種能量狀態(tài)到另一種能量狀態(tài)的過程稱為“躍遷”。原子躍遷時的能量變化以光波的形式發(fā)射或吸收。能級能級能級能級基態(tài)能級Ei 圖4-1氫原子的能級圖自發(fā)輻射式中h普朗克常數(shù)（h=6.6310-34J s）當(dāng)原子從高能級躍遷回到低能級或基態(tài)時，常常會以光子的形式輻射出光能量, 所放出光的頻率 與高能態(tài)En和低能態(tài)Ei之差有如下關(guān)系(4.1)En - Ei在基態(tài)時，原子可以長時間地存在，而在激發(fā)態(tài)的各種高能級的原子停留時間一 般都較短（常在0.01左右）。但有些原子或離子的高能級或次高能級卻有較長的停 留時間，這種停留時間較長的能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級。原子從高能態(tài)自發(fā)躍遷到低

10、能態(tài)而發(fā)光的過程稱為自發(fā)輻射，日光燈等光源都是由于自發(fā)輻射而發(fā)光的。由于各個受激原子自發(fā)躍遷返回基態(tài)時在時間上有早有晚； 輻射出來的光子在方向上四面八方；而且它們的激發(fā)能級很多，自發(fā)輻射出來光的頻 率和波長大小不一，所以單色性和方向性都很差。自發(fā)輻射是普通光源的發(fā)光機理。受激吸收處于低能級的粒子，在頻率為、的入射光（滿足4.1式）誘發(fā)下，吸收入射光的 能量而躍遷到高能級的過程稱為受激吸收。四、受激輻射物質(zhì)發(fā)光除自發(fā)輻射外，還有一種是受激輻射。當(dāng)一束光入射到具有大量激發(fā)態(tài) 原子的系統(tǒng)中，若這束光的頻率 與（E? - EJ h很接近，則處于激發(fā)態(tài)能級上的原子, 在這束光的刺激下會躍遷到較低能級，同

11、時發(fā)出一束光，這束光與入射光有著完全相 同的特性，它的頻率、相位、傳播方向以及偏振方向都是完全一致的。因此相當(dāng)于把 入射光放大了，這樣的發(fā)光過程稱為受激輻射。受激吸收和受激輻射概念是由愛因斯坦首先提出的，是激光產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)。應(yīng) 當(dāng)指出，受激輻射與自發(fā)輻射是兩種本質(zhì)不同的物理過程。自發(fā)輻射的幾率只與原子本身有關(guān)，而受激輻射的幾率不僅與原子性質(zhì)有關(guān)還與入射光頻率、光強等因素有關(guān),而且它們發(fā)出的光性質(zhì)也不相同，這便是激光區(qū)別于普通光的根本原因。五、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通常情況下，物質(zhì)體系處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，受激吸收和受激輻射同時存在，其在平衡態(tài)下任意兩個高低能級上的圖4-2粒子數(shù)按能級的玻爾茲曼分吸收和輻射

12、的總幾率取決于高低能級上的粒子數(shù)。 粒子數(shù)分布服從玻爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律：e ,E2-Ei)/kT式中ni、Ei 低能級上的粒子數(shù)和該能級的能量； n2、E2 高能級上的粒子數(shù)和該能級的能量；T平衡態(tài)時的絕對溫度k玻爾茲曼常數(shù)顯然，高能級能量大于低能級能量，因而在熱平 衡狀態(tài)下，體系高能級上的粒子數(shù)恒小于低能級上的 粒子數(shù)(如圖4-2所示)。所以，在熱平衡狀態(tài)時，對 于入射到粒子體系的相應(yīng)頻率的外界光，體系受激吸 收的幾率恒大于受激輻射的幾率，體系對光的吸收總是大于發(fā)射，對光起衰減作用。 吸收了外界光子而躍遷到高能級的粒子再以自發(fā)輻射的形式將能量消耗掉。因此，通 常情況下，我們只見到原子的光吸收現(xiàn)象

13、，而看不到光的受激輻射現(xiàn)象。激光器中利用輝光放電、光輻射等手段激勵粒子體系，使其突破通常的熱平衡狀 態(tài)，即將基態(tài)上的粒子有選擇的激發(fā)到某一個或幾個高能級上去，使這些高能級上的 粒子數(shù)大大增多，從而超過低能級，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。此時，體系的受激輻 射幾率超過受激吸收幾率，受激輻射占優(yōu)勢，對外界入射光的反應(yīng)效果是總發(fā)射大于 總吸收，體系具備放大功能，通過該體系的光將會得到放大。因此粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實現(xiàn) 激活和光放大的必要條件。六、激光的產(chǎn)生實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)具有光放大作用，經(jīng)工作物質(zhì)的放大而射出的光強與入射光強之比稱為光放大系數(shù)，光強很弱時的放大系數(shù)叫小信號增益系數(shù)，用G。表示。工作物質(zhì)內(nèi)

14、部也存在損耗，單位長度的損耗用損耗系數(shù)a表示。激活物質(zhì)內(nèi)沿Z軸的光放大行為可表示為：(G - a )Zl(Z) = Io e(4.3)式中Io初始光強I(Z)傳播到Z處的光強由于光放大是由高能級粒子向低能級受激輻射躍遷而產(chǎn)生的，受激輻射要消耗高能級粒子數(shù)。因此，光強的增大是以粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值的減少為代價的。光強 I越大，受激 躍遷掉的高能級粒子就越多，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值就越少，光的放大就越慢，增益系數(shù)也就 變小，這種現(xiàn)象稱為增益飽和。含有增益飽和效應(yīng)的放大系數(shù)G可表示為光強I的函數(shù)， 即G(I)= G /(1+I/Is)(4.4)式中Is飽和光強由于自發(fā)輻射，激活物質(zhì)內(nèi)總存在微弱光強Io。最初，光強按小

15、信號放大規(guī)律增 大，但隨著l(Z)的增大將出現(xiàn)增益飽和效應(yīng)，增益系數(shù)將按式(4.4)減少，l(Z)的增大將 逐漸減慢。最后當(dāng)G(l)=時，l(Z)不再增加而達到一個穩(wěn)定的極限值Im,即卩G(lm)= G /(1+lm/ls) = a(4.5 )lm= (G - a )S/ a(4.6)lm只與放大物質(zhì)本身的參數(shù)有關(guān)，而與初始光強無關(guān)。也就是說，不管初始光強 多么微弱，只要激活物質(zhì)足夠長，就能不斷得到放大，總能形成確定大小的光強lm。激光能實際形成和增大的條件為：lm= (G - a )S/ a0(4.7)即G a a(4.8)當(dāng)G =朋寸，光強維持在初始光強水平上；只有當(dāng) G 債時，光強才能增

16、大，G - a 越大，輸出功率越高。七、激光模式激光是一種電磁波。 由激活物質(zhì)兩端的反射鏡組成的光腔將對電磁場加上一定的 限制，根據(jù)電磁波理論，一切被約束在有限空間范圍內(nèi)的電磁場都只能存在于一系列 分列的特征狀態(tài) (即本征態(tài) )之中，每一個本征態(tài)都有自己的振蕩頻率和空間分布。通 常將光學(xué)諧振腔內(nèi)可能存在的電磁場的本征態(tài)稱為光腔的模式， 激光模式也就是光腔 內(nèi)可區(qū)分的光波的狀態(tài)。只要光腔的結(jié)構(gòu)確定，腔內(nèi)振蕩模式的特征也就隨之確定。 光波場的空間分布可分解為沿腔軸方向的分布和沿垂直于腔軸方向的分布。 沿軸向的 場分布稱為縱模，垂直于軸向的場分布稱為橫模，光腔模式是橫模和縱模的組合。橫模用代表橫向電

17、磁波的TEMmn表示，m表示沿輔角方向場經(jīng)過零值的次數(shù)，n 表示沿半徑r方向光場過零值的次數(shù)。m、n值也對應(yīng)于橫模的傳播方向，m、n較小的 模與腔軸構(gòu)成的夾角較小，因而值m、n也表征橫模發(fā)散角的大小。TEM00模稱為基模， 它的發(fā)散角最小，能量最集中。在激光加工中最為有利。其它 m、n值較大的模稱為 高階模?？v模也就是光腔內(nèi)的駐波場分布，應(yīng)滿足諧振條件：L=q 人/2式中L為腔長；q為半波長數(shù)。凡是滿足諧振條件能在光腔內(nèi)穩(wěn)定存在的駐波場就是一種縱模，每種縱模用q標記。縱模的諧振波長和頻率由下式確定：乃=2L/q，fq=q C/2L4.3 激光的特性激光也是一種光，它具有一般光的共性，如光的反射

18、、折射、衍射以及干涉等。激光還具有不同于普通光的一些基本特性，即高強度、單色性、相干性和方向性。 這是因為：普通光源的發(fā)光是以自發(fā)輻射為主，發(fā)光物質(zhì)中大量的發(fā)光中心基本上是 無秩序地、相互獨立地產(chǎn)生光發(fā)射的，各個發(fā)光中心發(fā)出的光波無論方向、相位或者 偏振狀態(tài)都是不同的，亦即在全部發(fā)光過程中，發(fā)光中心的相互獨立的個體行為占主 導(dǎo)地位。而激光不同，它的發(fā)光是以受激輻射為主，發(fā)光物質(zhì)中大量的發(fā)光中心基本 上是相互關(guān)聯(lián)地產(chǎn)生光發(fā)射，各個發(fā)射中心發(fā)出的光波具有相同的頻率、方向、相位 和偏振狀態(tài)，亦即在全部發(fā)光過程中，發(fā)光中心的相互關(guān)聯(lián)的集體行為占主導(dǎo)地位。1. 高強度光的強度通常是指單位時間內(nèi)通過單位面

19、積的光能量，光強度用W/cm 2作單位。光源的亮度B通常是指在光源表面的單位面積S上，在垂直于表面的方向，單位時間T 在單位立體角Q內(nèi)發(fā)射出的光能W，即B=W/S T Q。用W/（cm2?sr）作單位。就光能在空間上的集中而論，如果能將分散在 180。立體角范圍內(nèi)的光能全部壓 縮到0.18。立體角范圍內(nèi)發(fā)射，則在不必增加總發(fā)射功率的情況下，發(fā)光體在單位立 體角內(nèi)的發(fā)射功率就可提高一百萬倍，亦即其亮度提高一百萬倍。就光能在時間上的集中而論，如果把一秒鐘時間內(nèi)所發(fā)出的光壓縮到亞毫秒數(shù)量 級的時間內(nèi)發(fā)射，形成短脈沖，則在總功率不變的情況下，瞬時短脈沖功率又可以提 高幾個數(shù)量級，從而大大提高了光的亮度

20、。激光的亮度和強度之所以如此高，原因就 是激光可以實現(xiàn)光能在空間上和時間上的高度集中。2. 單色性好在光學(xué)領(lǐng)域中，“單色”是指光的波長（或頻率）為一個確定的數(shù)值。實際上嚴格 的單色光是不存在的。波長為，0的單色光是指中心波長為-0、譜線寬為*的一個光譜 范圍。*稱為該單色光的譜線寬，它是衡量單色性好壞的尺度，*越小，單色性就越好。在激光出現(xiàn)以前，單色性最好的光源是氪86燈，它發(fā)出的單色光-0=605.7nm，在 低溫條件下，！只有47 10-5nm。激光出現(xiàn)后，單色性有了很大的飛躍。因為工作粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)和激光振蕩只能發(fā)生在數(shù)目有限的高低能級之間，只有少數(shù)幾個振蕩頻率能維持振蕩，并且每個振蕩頻率

21、的振蕩寬度遠比整個熒光譜線寬度小得多。用選模技術(shù) 可使激光器實現(xiàn)單頻振蕩，單縱模穩(wěn)頻激光的譜線寬度可以小于10-8nm。單色性比氪 燈提高了幾萬倍到幾十萬倍。3. 相干性好光源的相干性可以用相干時間或相干長度來度量。相干時間是指光源先后發(fā)出的兩束光能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的最大時間間隔。在這個最大的時間間隔內(nèi)光所走的路程（光程）就是相干長度，它與光源的單色性密切有關(guān)，即式中，L是相干長度；0為光源的中心波長；為光源的譜線寬度。這就是說，單色性越好，相干長度就越大，光源的相干性也越好。某些單色性很 好的激光器所發(fā)出的光，采取適當(dāng)?shù)拇胧┮院螅湎喔砷L度可以達到幾十公里。而單 色性很好的氪燈所發(fā)出的光，相干

22、長度僅為78厘米，用它進行干涉測量時最大可測長 度只有38.5厘米，其它光源的相干長度就更小了。4. 方向性好光束的方向性是用光束的發(fā)散角來表征的。普通光源由于各個發(fā)光中心是獨立地發(fā)光，而且具有不同的方向，所以發(fā)射的光束是很發(fā)散的。即使是裝上聚光系統(tǒng)，要 使光束的發(fā)散角小于0.1sr仍是十分困難的。而激光則不同，激光的高方向性主要是由 受激輻射機理和光學(xué)諧振腔對振蕩光束方向的限制作用所決定的。在最好的情況下， 輸出光束的方向性可以達到由光束截面直徑 D所決定的衍射極限，即光束的立體發(fā)散 角Q （2.44,/D）2。光束的方向性越好，意味著激光束可以傳播到越遠的距離或在焦 點上獲得越小的光斑尺寸

23、。激光的高方向性使得激光能有效低傳遞較長的距離，能聚焦到極小的光斑尺寸（焦 點光斑面積直徑可以10阿），獲得極高的能量密度，這些是激光加工的重要條件。 基模高斯分布光束直徑和發(fā)散角最小， 其方向性最好，在激光切割、焊接中也最有效。4.4激光加工材料的物理過程及激光加工的特點一、激光加工的基本原理人們在日常生活中發(fā)現(xiàn)，太陽光經(jīng)過凸透鏡以后可以聚焦成一個很小的光點，女口 果把紙張等易燃物放到凸透鏡下焦點的地方，很快就會燃燒。這說明光本身就是一種 能量，經(jīng)過聚焦以后，能量集中到焦點附近，使溫度達到300 C以上。然而，直接利用太陽光聚焦進行材料加工是困難的，因為照射到地面的太陽光能量密度不夠大，再

24、者，照射到地面上的太陽光雖近似于平行光， 但因為其是非單色光，經(jīng)過透鏡折射時, 不同色光焦距各不相同，很難聚焦成很細的光束，更不能聚焦成只有幾十微米的小光 斑。這樣就不可能在焦點附近獲得足夠大的能量密度和足夠高的溫度來加工工件。激光則不同，由于它的強度高，方向性好，單色性好?？梢酝ㄟ^一系列的光學(xué)系 統(tǒng)，把激光束聚焦成一個很小的光斑（直徑僅有幾微米到幾十微米），獲得 1071011W/cm2的能量密度以及10000 C以上的高溫。從而能在幾毫秒甚至更短的時 間內(nèi)使各種物質(zhì)熔化和氣化，以達到蝕除材料的目的。激光加工的物理基礎(chǔ)是激光與物質(zhì)的相互作用。它即包括復(fù)雜的微觀量子過程， 也包含激光作用于各種

25、介質(zhì)材料所發(fā)生的宏觀現(xiàn)象一一激光的反射、吸收、折射、衍 射、干涉、偏振、光電效應(yīng)、氣體擊穿等。激光束與材料相互作用過程可形成多種加工工藝，例如，有的要求激光對材料加 熱并去除材料，如切割、打孔等；有的要求將一種或多種材料加熱到熔化程度而不要 求去除材料，如焊接和合金化等連接過程；有的則要求加熱到一定溫度是使材料組織 發(fā)生相變，如表面強化和硬化等。但無論哪種加工工藝，它們所涉及的激光與材料相互作用的原理基本是一致的，即當(dāng)一束空間強度和時間特性分布確定的激光照射到金 屬表面時，隨著照射時間的推移將產(chǎn)生如下幾個過程：1激光強化過程。這時激光脈沖能量足夠高，作用時間足夠短，并具有相應(yīng)的初試條件。激光束

26、對材料表面產(chǎn)生局部壓應(yīng)力而形成表面強化過程。2. 激光的反射、吸收、加熱過程當(dāng)一束激光照射到材料表面時，一部分能量將被反射掉。金屬對激光的反射因激 光的波長不同而不同，各種金屬對常用的C02激光和YAG激光的反射率的實驗結(jié)果如 表4-1所示。表4-1主要金屬對常用激光的反射率反射率%金屬材料7波長0.91.1波長911呵Au94.797.7Ag96.499.0Cu90.198.4Fe65.093.8Mo58.294.5Al73.396.9W62.395.5Sn54.087.0Si28.028.0鋼鐵(1%C)63.192.896.0康銅72.494.2從表中可以看到：Au、Ag、Cu的反射率特

27、別咼，常用來作反射鏡。一般而言， 電導(dǎo)率高的材料對光波的反射率也高。此外，反射率與金屬表面的粗糙度有關(guān)，鏡面 的反射率最高。鋼鐵對紅外波長的激光的反射率也很高， 給激光加工帶來不利的影響， 但鋼鐵工件的表面經(jīng)過黑化處理后，能吸收 90%以上的激光。除了一部分能量被反射掉，其余部分能量透入材料內(nèi)部而被材料所吸收，透入材 料內(nèi)部的能量主要對材料起加熱作用。由于大量光子是通過與金屬晶格的相互作用使其產(chǎn)生振動而轉(zhuǎn)換成熱能，所以，吸收系數(shù)與材料結(jié)構(gòu)、激光波長以及是否偏振有關(guān)。 表面粗糙、具有人為涂層的表面、加工中金屬表面形成的液相和氣相等都有利于提高 材料對光能的吸收。被金屬表面吸收的功率密度會深入材料

28、內(nèi)部，其規(guī)律為：q(z)二 qi (1 一 R)e 七式中，q(z)表示沿光束軸線方向，距金屬表面深度 z處的光功率密度；a表示光在 材料中的吸收系數(shù)；qi為入射激光束的光功率密度；R為材料表面的反射率。多數(shù)金屬的吸收系數(shù)a=105106cm-1。吸收過程只限于被照射表面下0.010.1 口 范圍內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)代的研究認為：光子的能量主要被導(dǎo)電電子所吸收，并在與晶格的碰 撞中，在很短的時間內(nèi)(10-1110-1s)把電子的能量傳給晶格，結(jié)果引起材料溫度的上 升。然后按熱傳導(dǎo)的機理向周圍和內(nèi)部傳播，從而改變材料表面及內(nèi)部各點的溫度。3. 材料的熔化與氣化激光對金屬的加熱可以看作是一種表面熱源，在表層

29、光能變?yōu)闊崮埽湎蚪饘偕?處的傳播遵循一般的熱傳導(dǎo)規(guī)律。在足夠高的功率密度和激光束照射下，材料加工表面達到熔化甚至氣化溫度，從 而使材料熔融濺出或氣化蒸發(fā)，與此同時，材料內(nèi)部的微裂紋與缺陷由于受材料熔融 和其它場強變化而進一步萌生和擴展，從而導(dǎo)致周圍材料的疲勞和破壞。激光功率密 度過高時，材料在表面上氣化，而不在深層熔化。如果功率密度過低，則能量就會擴 散而加熱較大的體積，這時會使焦點處熔化深度很小。金屬材料在系列脈沖激光束的作用下，當(dāng)?shù)谝粋€脈沖到達材料表面并被吸收時， 由于材料表面的溫度梯度很陡，表面上先產(chǎn)生熔化區(qū)域，接著產(chǎn)生氣化區(qū)域。當(dāng)下一 個脈沖來臨時，光束能量在熔融狀態(tài)材料的一定厚度內(nèi)

30、被吸收，此時較內(nèi)層材料就能 達到比表層氣化更高的溫度，使材料內(nèi)部氣化壓力加大，促使材料外噴，把熔融狀的 材料也一起噴了出去。所以，在一般情況下，材料是以蒸氣和熔融態(tài)兩種形式被蝕除 的。如果功率密度更高而脈沖很窄時，在很短時間內(nèi)多次將氣化能量輸給材料，引起 局部過熱現(xiàn)象，從而引起爆炸性的氣化，此時材料完全以氣化的形式被蝕除，而幾乎 不出現(xiàn)熔融狀態(tài)。非金屬材料在激光照射下的蝕除十分復(fù)雜。一般來說，非金屬材料的反射率比金 屬低得多，因而非金屬吸收到材料內(nèi)部的能量比金屬多，加上非金屬材料的導(dǎo)熱性較 差，使得熱影響區(qū)的熱動力學(xué)過程與金屬材料有本質(zhì)差別。二、激光加工的特點激光加工是將激光束照射到加工物體的

31、表面， 用以去除或熔化材料或改變物體表 面性能，從而達到加工的目的。因此激光加工屬于無接觸加工，它的主要特點包括：7 11 21. 激光加工的功率密度高達 1071011W/cm 2，幾乎可以加工任何材料。例如各種 金屬材料、石英、陶瓷、金剛石等，如果是透明材料（如玻璃）也只需采取一些色化 和打毛措施，仍可加工。2. 加工精度高。激光束易于導(dǎo)向、聚焦和發(fā)散，根據(jù)加工要求，可以得到不同的 光斑尺寸和功率密度。由于激光光斑大小可以聚焦到微米級，輸出功率可以調(diào)節(jié)，因 此可以加工微孔和窄縫，適合于精密微細加工。3. 加工質(zhì)量好。激光束照射到物體的表面是局部的，雖然加工部位的熱量很大、 溫度很高，但光束

32、和工件的相對移動速度快，對非照射的部位幾乎沒有影響，因此， 激光加工的熱影響區(qū)小。如熱處理、切割、焊接過程中，加工工件基本無變形。4. 激光加工所用的工具是激光束，是非接觸加工，加工時沒有明顯的機械力，沒 有工具損耗問題，加工速度快，容易實現(xiàn)加工過程自動化。此外還可以通過透明體進 行加工，如對真空管內(nèi)部進行焊接加工等。5. 加工中易產(chǎn)生金屬氣體及火星等飛濺物，要注意通風(fēng)抽走，操作者應(yīng)帶防護眼 鏡。4.5 激光加工的基本設(shè)備激光加工時，是將光束與加工工件表面作相對運動，既可以是光束運動，也可以 是工件運動，也可以是光束與工件同時運動。在運動中，要求光斑尺寸可調(diào)、功率或 能量可調(diào)，以達到各種加工的

33、目的。有時還要求光束與加工工件表面成法線方向。要 完成這些功能，必須有完整的激光加工系統(tǒng)。一、激光加工機的基本組成部分激光加工系統(tǒng)的基本組成部分包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)及機械系統(tǒng)等四大部 分，其結(jié)構(gòu)原理如圖4-3所示。圖4-3激光加工裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖1. 激光器 是整個激光加工系統(tǒng)的核心，它的任務(wù)就是把電能轉(zhuǎn)變成為光能，產(chǎn) 生所需要的激光束。對激光器的基本要求是穩(wěn)定、可靠，只有長期穩(wěn)定運行的激光器 才能完成加工任務(wù)。不同的應(yīng)用對激光束的質(zhì)量和波長有不同的要求。波長越短，金 屬表面對激光的吸收越大。目前常用的激光器分類方法有按工作物質(zhì)、工作方式和輸出特性3種分類方法：1）按工作物質(zhì)的形態(tài)可以

34、分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器以及液 體激光器4類。2）按激光器的工作方式不同又可以分為連續(xù)激光器和脈沖激光器兩類。3）按激光器輸出特性，即按照產(chǎn)生激光的粒子分類又可以分為原子激光器、離子 激光器、分子激光器等。氣體激光器一般采用電激發(fā)，其效率高、壽命長，常使用在連續(xù)工作方式。由于 氣體介質(zhì)的均勻性好，容易得到頻率穩(wěn)定的低階橫模輸出，激光的相干性好，常用于 精密測量、全息照相等。大功率激光束也可用于高質(zhì)量加工。固體激光器一般采用光激勵，其能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多，效率低，光的激勵能量大部分轉(zhuǎn)換為熱量而損失掉。為了 盡可能提高效率，設(shè)計各種類型的光反射腔有著十分重要的意義。另一方面，為了避 免固

35、體介質(zhì)過熱，通常采用脈沖方式工作并采用合適的冷卻裝置。使用Q開關(guān)的固體激光器其脈沖峰值功率很大，可以達到1000MW。如此大的脈沖能量用于工業(yè)加工， 如打孔、焊接等無疑是最佳選擇。 液體激光器可以工作在連續(xù)或脈沖方式，它的一個 主要特點是可以在很寬的波長范圍內(nèi)調(diào)諧。目前在光譜學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器在所有激光器中是體積最小、結(jié)構(gòu)簡單堅固、便于直接調(diào)諧。目前在光通信、光 電測距以及光信息存儲與處理等方面有著重要而廣泛的應(yīng)用，最新的研究結(jié)果表明， 通過合理的設(shè)計，半導(dǎo)體激光器也可以直接用于激光加工。目前，常用于工業(yè)加工的 激光器如表4-2所示。表4-2常用激光器的性能特點種類工作物質(zhì)波長（M

36、m）發(fā)散角輸出方式能量主要用途固體激光器紅寶石0.6910-210-8脈沖幾十幾焦耳打孔、焊接釹玻璃1.0610-210-3脈沖幾幾十焦耳打孔、焊接摻釹釔鋁石榴石YAG1.0610-210-3脈沖幾幾十焦耳打孔、切割、焊 接、微調(diào)連續(xù)1001000W氣體激光器二氧化碳10.6-2-310 10脈沖幾焦耳切割、焊接、熱 處理、微調(diào)連續(xù)幾十幾千瓦氬（Ar+）0.51450.4880-2 -810 10光盤刻錄存貯2. 激光器電源 激光器電源根據(jù)需要提供能量，包括電壓控制、時間控制及觸發(fā) 器等。由于各類激光器的工作特點不同，因此不同類型的激光器對供電電源的要求也 不同。例如氣體激光器電源有直流、射頻

37、、微波、電容器放電等多種。3. 光學(xué)系統(tǒng) 它是激光器和機械部分的連接部分，它是將激光束傳輸?shù)焦ぜ患?工部位的設(shè)備。它包括質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備、光傳輸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、激光聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準系 統(tǒng)幾部分，激光聚焦系統(tǒng)是使激光束聚焦，調(diào)整光斑的大小和形狀的。觀察瞄準系統(tǒng) 能觀察和調(diào)整激光束的焦點位置，并將激光加工位置顯示在投影儀上。根據(jù)加工工件的形狀、尺寸和性能要求，經(jīng)激光束功率測量及反饋控制、光束傳 輸、放大、整形、聚焦，通過可見光同軸瞄準系統(tǒng)，將被加工部位找準，實現(xiàn)各種類 型的激光微細加工。光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括激光傳輸與變化方式、光路及機械結(jié)構(gòu) 的合理設(shè)計、光學(xué)元件的選擇等。4. 機械系統(tǒng) 主要包括床身、

38、能在三坐標內(nèi)移動的工作臺及機電控制系統(tǒng)等。隨 著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，目前已采用計算機來控制工作臺的移動或光束運動，實現(xiàn) 激光加工的數(shù)字控制。激光加工機的種類很多，結(jié)構(gòu)形式差異很大。激光加工設(shè)備除了基本組成部分外，為了有助于排除加工產(chǎn)物，提高加工速度和 質(zhì)量，激光加工機床上都設(shè)計有吹氣或吸氣裝置，安裝在激光輸出的聚焦物鏡下，以 減少加工產(chǎn)物的粘附，有利于保持工件表面及聚焦物鏡的清潔。二、激光加工機的分類為完成激光加工操作，必須有激光束與工件的相對運動，按運動方式可分為4種類型激光加工機。1. 工作臺作X-Y二維運動，激光只作Z向調(diào)節(jié)，這是應(yīng)用最廣的一種。2. 工件不動，激光器不動，光路系統(tǒng)中反

39、射鏡作 X-Y方向的運動。因為光路元件 質(zhì)量輕，移動方便，但要求移動精度高。3. 工件不動，激光器連同外光路一同作 X-Y二維運動。4. 光路或連同激光器作X向運動，工件作丫向運動。大型板材的切割常采用這種 類型的激光加工機。激光加工機也可以按實用用途和工藝不同進行分類。如激光打孔機、激光切割機、 激光焊接機、多功能激光機等。4.6激光加工工藝及應(yīng)用461激光表面處理技術(shù)激光表面處理是材料表面局部處理工藝的一種新技術(shù)。它通過激光與材料表面相互作用，使材料表層發(fā)生所希望的物理、化學(xué)、力學(xué)性能的變化，從而改變材料表面 的組織、結(jié)構(gòu)或成分。獲得工業(yè)應(yīng)用上許多優(yōu)良性能。作為一種精密可控的高能量密度熱源

40、的激光可以對金屬表面進行多種加工處理， 包括激光強化、激光毛化、激光標記、激光清除及激光化學(xué)氣相沉積等。4.6.1.1.金屬表面的激光強化金屬制品表面的激光強化是一項高新技術(shù)。通過激光強化可以顯著地提高硬度、 強度、耐磨性、耐蝕性和高溫性能等，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，延長產(chǎn)品使用壽命, 降低成本。金屬表面的激光強化方法很多，參照 D.S.Gnanamuthu的方法，對金屬表面強化 方法進行分類如圖4-4所示。圖4-4金屬激光強化方法的分類一、激光淬火激光淬火可以提高金屬材料表面的強度、耐磨性、耐腐蝕性。激光淬火一般分為 3種工藝：激光相變淬火（激光相變硬化）、激光熔化淬火（激光熔凝強化）和激光

41、沖擊淬 火（激光沖擊強化）。三種工藝的共同理論基礎(chǔ)都是激光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。三種 工藝的差別主要是作用于材料上的激光能量密度以及激光作用到物質(zhì)上的時間不同， 如表4-3所示。表4-3不同激光淬火工藝的差別 宅弄八 z-n 7Z.工藝方法功率密度/W cm -2冷卻速度/cs-1作用時間/s作用區(qū)深度/mm激光相變硬化10410510410610-310-610.21.0激光熔凝強化10510710-410-80.22.0激光沖擊強化108101010-810-100.020.2（一）激光相變硬化激光相變硬化是以高能量密度（104105W/cm2）的激光束快速掃描工件，工件表面極薄一層的小區(qū)

42、域內(nèi)快速吸收能量而使溫度急劇上升（溫升速度可達10510c /s）到高于相變點而低于熔化的溫度，此時工件的基體材料仍處于冷態(tài)。當(dāng)激光束離開被照 射的部位時，由于熱傳導(dǎo)的作用，表面熱量迅速傳到周圍介質(zhì)（如空氣 ）和工件的其它部位，在瞬間可進行自冷淬火，實現(xiàn)工件表面相變硬化。由于過程是在快速加熱和快 速冷卻下完成的，所以得到的硬化層組織較細，硬度高于普通淬火硬度。激光相變硬化后表面的性能 . 硬度 一般認為激光相變硬化后的硬度比常規(guī)淬火高 1520% ，激光相變硬化 所得超高硬度的機理，認為是由于激光相變硬化是急熱急冷過程，碳在奧氏體中來不 及均勻化，因而馬氏體中含碳量較高。馬氏體硬度增加、馬氏體

43、細化和很高的位錯密 度是激光相變硬化得到超高硬度的原因。 . 表面粗糙度 一般來說，激光功率密度高，掃描速度低，材料表面達到的溫 度高，熔化嚴重或馬氏體相變完全，掃描作用區(qū)的凸起就高，對粗糙度的影響明顯。 如果工藝參數(shù)選擇得當(dāng)，并選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，則可獲得較小變化的粗糙度，無須激 光硬化后再進行精磨工序加工。 . 殘余應(yīng)力 激光相變硬化后相變硬化區(qū)的應(yīng)力為壓應(yīng)力，硬化區(qū)下層為拉應(yīng) 力。這種在淬硬層下產(chǎn)生的拉應(yīng)力對接觸疲勞產(chǎn)生的剝落會有重要影響，而表面層的 壓應(yīng)力對疲勞強度有利。 . 變形 變形小是激光相變硬化工藝的一個重要特征。對某些要求不高的零件 可用作成品的最后處理。 但厚度小于 5mm

44、的零件，變形問題仍不可忽視， 一般采取輔 助冷卻或特殊工藝方法。 . 疲勞強度 激光相變硬化可使金屬材料的顯微組織明顯細化，表面硬度提高 并具有殘余壓應(yīng)力，因而可有效地提高金屬材料的疲勞強度。 . 耐磨性 激光相變硬化后零件的耐磨性明顯高于其它處理方法后的耐磨性， 這是因為激光相變后，可以提高零件表面的硬度，細化晶粒和組織結(jié)構(gòu)，改善表面機 械性能。（二）激光熔凝強化激光熔凝強化是以很高的激光功率密度（105107W/cm 2）在極短的時間 -4 -8（10 10 s）內(nèi)與金屬交互作用，使金屬表面局部區(qū)域在瞬間被加熱到相當(dāng)高的溫度， 足以使表面材料熔化，當(dāng)激光束離開被照射的部位時，借助于冷態(tài)的金

45、屬基體吸熱和 傳導(dǎo)作用，使已熔化的極薄表層金屬快速凝固，實現(xiàn)工件表面的熔凝強化。激光熔凝 強化得到的是鑄態(tài)組織，其硬度較高，耐磨性也較好。常用于鑄鐵以得到表面更硬的 萊氏體組織。激光熔凝強化處理可以獲得很多非平衡組織，包括過飽和固溶體、新的非平衡相 和非晶相。激光熔凝過程是熔化、結(jié)晶的過程，其結(jié)晶過程依從于快速熔凝的基本理 論，主要是界面穩(wěn)定性理論和成分過冷理論及絕對穩(wěn)定性理論。激光熔凝過程中，金 屬材料發(fā)生的變化主要是溫度場的變化和凝固理論的綜合作用。 有關(guān)詳細理論可參考 文獻4。(三) 激光沖擊強化8 10 2激光沖擊強化是以很高的激光功率密度 (1081010W/cm 2)在極短的時間

46、(2040ns) 內(nèi)將金屬材料表面局部區(qū)域加熱到足以使其氣化的溫度，由于表面突然氣化，可產(chǎn)生 高達104Mpa壓力，使金屬材料表面產(chǎn)生強烈的塑性變形，使激光沖擊波作用區(qū)的顯 微組織出現(xiàn)復(fù)雜的位錯網(wǎng)絡(luò)。 其結(jié)構(gòu)類似于經(jīng)高爆炸沖擊及快速平面沖擊的材料中的 亞結(jié)構(gòu)。這種組織能明顯提高材料表面硬度、屈服強度以及疲勞壽命。因此，由激光 沖擊波作用產(chǎn)生的材料表面硬化及強度的提高統(tǒng)稱為激光沖擊硬化。由于沖擊應(yīng)力波持續(xù)時間很短，所以工件幾乎不產(chǎn)生畸變。一般認為，激光沖擊 強化技術(shù)最重要的應(yīng)用是局部強化焊接件及精加工后的工件， 如用來沖擊強化精加工 后的齒輪、軸承等，特別是對于鋁合金件尤其適用。激光淬火主要應(yīng)用

47、于表面處理，與其它表面處理相比，具有以下優(yōu)點：淬硬層組 織細化，硬度比常規(guī)淬火提高 1520% ，鑄鐵經(jīng)淬火后耐磨性可提高 34倍；加熱速 度快，工藝周期短，生產(chǎn)效率高，成本低，工藝過程易實現(xiàn)計算機控制，自動化程度 高；對于槽壁、小孔、盲孔、深孔以及腔筒內(nèi)壁等特殊部位，只要光束能照射到的部 位均可以進行處理；可進行大型零件的局部表面硬化及形狀復(fù)雜零件的硬化處理；可 以實現(xiàn)自冷淬火，不需要油或水等介質(zhì)，對環(huán)境無污染；淬硬層深度可精確控制。同時激光淬火也存在以下缺點：由于激光淬火是表面局部強化，無助于基體材料 性能的改變，且硬化深度受限制，一般在1mm以下，因而不適用于大負荷重型零件的 淬火；由于

48、金屬對波長10.6 pm的激光反射率很高，為增大對激光的吸收率，須作表 面涂層或其它預(yù)處理；設(shè)備費用高。在激光淬火過程中，影響激光硬化效果的因素有很多，主要考慮的工藝參數(shù)有激 光器的輸出功率、掃描速度和光斑尺寸的大小，三者的綜合作用直接反映了硬化過程 的溫度及其保溫時間。此外，在制訂脈沖激光淬火工藝時，必須全面考慮硬化圖形， 重疊系數(shù)、脈沖頻率、步進距離及表面粗糙度等。二、激光合金化激光合金化是在高能束激光作用下，使材料表面熔化同時，加入一種或多種合金 元素，經(jīng)過短暫的液態(tài)對流擴散后形成一層濃度相當(dāng)高且相當(dāng)均勻的合金層，從而使 廉價材料表面具有預(yù)定的高合金特性的技術(shù)即利用激光改變金屬及合金表面

49、化 學(xué)成分的技術(shù)。顯然，激光合金化的廣泛應(yīng)用必將帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。從1977年首先用CO2激光進行激光合金化研究以來，激光合金化的深度提高了幾 個數(shù)量級，逐漸達到了工業(yè)應(yīng)用的水平。激光合金化按合金元素的加入方式分為 3類，即預(yù)置式激光合金化、送粉式激光 合金化和氣體激光合金化。預(yù)置式激光合金化是把要添加的合金元素預(yù)先置于基材合金化部位， 然后再激光 輻射熔化。預(yù)置合金元素的方法主要有：熱噴涂法、化學(xué)黏結(jié)法、電鍍法、濺射法和 離子注入法。其中熱噴涂法和化學(xué)黏結(jié)法適于較厚層合金化，而濺射法和離子注入法適于薄層或超薄層合金化。送粉式激光合金化就是采用送粉裝置將要添加的合金粉末直接送入基材

50、表面的 激光熔池內(nèi)，使添加合金元素和激光熔化同步完成。送粉法除可用于激光表面合金化 外，還特別適合于在金屬表面注入 TiC、WC 等硬質(zhì)顆粒。氣體激光合金化是將基體置于適當(dāng)?shù)臍夥罩校辜す廨o照部位從氣氛中吸收碳、 氮等并與之化合，實現(xiàn)表面合金化。氣體激光合金化通常是在基材表面熔融的條件下 進行的，有時也可以在基材表面僅被加熱到一定溫度而不使其熔化的條件下進行。三、激光熔覆激光熔覆與激光合金化有許多相似之處， 它們都是利用高能量密度的激光束所產(chǎn) 生的快速熔凝過程，在基材表面形成與基材相互熔合的，具有完全不同成分與性能的 合金涂層。但它們卻有原則區(qū)別。激光熔覆不是以基體上的熔融金屬為溶劑加入合金

51、元素，而是用另行配制的合金元素粉末被激光熔化，成為熔覆層的主體合金，同時基 體金屬也有一薄層熔化，與之構(gòu)成冶金結(jié)合。因此，激光熔覆后，其涂層的化學(xué)成分 基本上不變化，即基體材料的成分幾乎沒有進入涂層內(nèi)。由于激光束的高能密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱過程， 激光熔覆對基材的熱 影響很小，引起的變形也小?？刂萍す獾妮斎肽芰?，還可以將基材的稀釋作用限制在 極低的程度（ 28% ），從而保持了原熔覆材料的優(yōu)異性能。激光熔覆可將高熔點的材料熔覆在低熔點的基材表面， 且材料的成分不受通常的 冶金力學(xué)條件限制，因此所采用的熔覆材料的范圍相當(dāng)廣泛。包括鎳基、鈷基、鐵基 合金、碳化物復(fù)合材料及陶瓷材料等。在激光

52、熔覆過程中，所加的是事先配制好的一定組元成分的合金粉末。對激光熔 覆材料要求有：具有所需要的使用性能、具有良好的固態(tài)流動性、粉末材料的熱膨脹 系數(shù)和導(dǎo)熱性應(yīng)盡可能與基材接近、具有良好的潤濕性、合金粉末的熔點不易太高以 及具有良好的造渣、除氣、隔氣性能。目前尚無專用于激光熔覆的合金粉末，常采用 的材料主要是熱噴涂或熱焊接用粉末。激光熔覆按熔覆材料的供給方式大致可分為兩大類， 即預(yù)置式激光熔覆和同步式 激光熔覆。預(yù)置式激光熔覆是將熔覆材料預(yù)先放置在基材表面的熔覆位置上， 然后采用激光 輻射掃描熔化，熔覆材料以粉、絲、和板的形式加入，其中以粉的形式最常用。同步 式激光熔覆是將熔覆材料直接送入激光束中

53、，使供料和熔覆同時完成。熔覆材料主要 也是以粉末的形式送入，有的也采用絲材或板材同步送料。預(yù)置式激光熔覆工藝流程為： 基材表面預(yù)處理預(yù)置熔覆材料預(yù)熱激 光熔化后熱處理。同步式激光熔覆工藝流程為：基材表面預(yù)處理送料激光熔 化后熱處理。預(yù)熱是指將基材整體或表層加熱到一定的溫度， 以使激光熔覆在熱的基材表面上 進行的處理工藝。 其作用是防止基材熱影響區(qū)發(fā)生比容增大的馬氏體相變而誘發(fā)覆層 裂紋，減少基材與覆層間的溫差以降低覆層冷縮中產(chǎn)生的應(yīng)力，增加熔層液相停留時 間以利于熔層內(nèi)的氣泡和造渣產(chǎn)物的排除。預(yù)熱的加熱方法主要有爐內(nèi)加熱、火焰噴槍加熱和感應(yīng)加熱等。由于預(yù)熱降低了表面熔層的冷卻速度，因此可引起激

54、光熔覆合金層的硬度降低。 對于某些合金，則可通過后續(xù)熱處理恢復(fù)其硬度。后熱處理是工件熔覆后所進行的一類保溫處理，可用于消除或減小覆層的殘余應(yīng) 力；消除或減小熔覆對基體產(chǎn)生有害熱影響等。用于防止覆層冷卻裂紋和基材熱影響 區(qū)發(fā)生馬氏體相變的后熱處理，應(yīng)在激光熔覆后立即將熔覆件送入升至預(yù)定溫度的加 熱爐內(nèi)保溫。四、激光非晶化激光非晶化是用高功率激光束快速掃描加熱材料表面，借助材料自身的熱傳導(dǎo)急劇冷卻而直接得到表面非晶態(tài)的技術(shù)。這項技術(shù)融合了高功率激光束的表面選區(qū)加工 特點和非晶態(tài)金屬合金的優(yōu)良性能，具有綜合優(yōu)勢。激光非晶化是研究金屬非晶化和 材料表面改性的重要方法。1非晶態(tài)金屬的特性非晶態(tài)金屬合金由

55、于各向同性、且沒有晶界的存在，從而具有強韌兼?zhèn)涞牧W(xué)性 能、高電阻低溫度系數(shù)的電學(xué)性能、高導(dǎo)磁低鐵損的軟磁性能、耐強酸堿腐蝕的化學(xué) 性能等。具體特征見表4-4。表4-4非晶態(tài)金屬合金的特性特性非晶態(tài)特點機械性能強度比常用材料高20005000MPa彈性比晶態(tài)金屬低2030%硬度HV6001200加工硬化幾乎沒有加工性冷壓延展性達30%耐疲勞強度比晶態(tài)金屬差韌性大磁 性導(dǎo)磁性與鎳鐵鉬超級導(dǎo)磁合金相匹敵磁致伸縮與晶體金屬相同電氣 特性電阻比晶體金屬的12倍溫度變化電阻、霍爾系數(shù)溫度變化小其/、它比重比晶體金屬小1%耐腐蝕性比不銹鋼高2. 激光非晶化的優(yōu)點激光非晶化用高能量密度的激光脈沖將金屬表面瞬

56、間加熱至液態(tài)， 激光脈沖停止 后液態(tài)表面向仍處于冷態(tài)的基體深處迅速導(dǎo)熱， 冷卻速度極快，可以達到1010K/s，比 常用的急冷法高幾個數(shù)量級，可以得到急冷法從未得到過的純金屬非晶態(tài)。利用激光非晶化雖然不能得到薄箔式非晶金屬，卻能將金屬零件表面幾納米的薄 層處理成非晶態(tài)，對提高零件的耐腐蝕性及耐磨性有很大的意義。3. 激光非晶化研究的方法目前對激光非晶化的研究有脈沖激光非晶化和連續(xù)激光非晶化兩種 脈沖激光非晶化脈沖激光非晶化主要采用固體脈沖激光器。 為了獲得短脈沖或超短脈沖， 如微秒、 納秒、皮秒及飛秒，需要采用鎖模、調(diào) Q或倍頻技術(shù)。脈沖激光非晶化是一種研究非晶化的有效工具， 吸引了國內(nèi)外許多學(xué)者進行試驗 研究。人們對脈沖激光非晶化所做的研究工作，使人們對激光非晶化的特點、難度、 可行性和今后的發(fā)展?jié)摿τ辛溯^多的認識。由于脈沖激光非晶化只能得到微區(qū)非晶， 效率很低，難以實用化。因此，主要局限于理論研究。 連續(xù)激光非晶化連續(xù)激光非晶化研究通常用高功率C02激光器（120kW），由于要求聚焦焦斑功率 密度高于106W/cm2,因而對激光束質(zhì)量有所要求，往往采用輸出高斯?；虻碗A模的 快速軸向流動C02激光器以及輸出低階模的橫流C02激光器。經(jīng)過20多年的研究和發(fā)展已經(jīng)取得了許多成果， 對激光非晶化的認識和理解不斷 加深，并在不少材料上