1. 激光表面工程技術基本原理

激光表面工程技術是采用高能激光束對金屬表面進行改性強化的激光加工技術，是表面處理工程領域發展得最快的方向，其主要工藝方法包括：激光相變淬火、激光熔凝淬火、激光合金化和激光熔覆等。

(1)激光相變淬火

激光相變淬火是利用聚焦后的激光束快速加熱鋼鐵材料表面，使其發生相變，形成馬氏體淬硬層的過程。激光淬火的功率密度高達103～104W/cm2，其加熱和和冷卻速度都非常快。激光淬火不需要水或油等冷卻介質，是一種清潔、高效的淬火工藝。與感應淬火、火焰淬火、滲碳淬火工藝相比，激光淬火的硬度高（一般比感應淬火高1-3 HRC），硬化層均勻，工件變形小，加熱區域和加熱軌跡容易控制，易于實現自動化。

(2)激光熔凝淬火

激光熔凝淬火技術是利用激光束將基材表面加熱到熔化溫度以上, 由于基材內部導熱冷卻而使熔化層表面快速冷卻并凝固結晶的工藝過程。獲得的熔凝淬火組織非常致密，沿深度方向的組織依次為熔化-凝固層、相變硬化層、熱影響區和基材。激光熔凝層比激光淬火層的硬化深度更大、硬度更高，耐磨性也更好。該技術的不足之處在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破壞，一般需要后續機械加工才能恢復。為了降低激光熔凝處理后零件表面的粗糙度，減少后續加工量，本研究團隊研制了專門的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度改善熔凝層的表面粗糙度，并且在冶金軋輥、導衛等工件激光熔凝處理方面得到廣泛應用。

(3)激光熔覆與合金化

激光熔覆與合金化技術是利用自動送粉器將合金粉末同步送到激光熔池中，使合金粉末與金屬基體同時熔化，形成金屬覆蓋層的工藝過程。與傳統的熱噴焊或者堆焊工藝相比，激光熔覆變形小，應力低，對基體的稀釋率低，組織致密，微觀缺陷少，結合強度高，熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制，特別是熔覆層的成分可以根據工況的需求方便調節，因此非常適合工件表面的強化與修復。

(4) 激光淬火的特點

(5) 激光熔覆與合金化的特點

2. 多功能激光表面處理設備

激光表面工程技術使用的多功能激光熱處理設備，可以完成激光相變強化、激光熔凝淬火、激光合金化和激光熔覆等工作。在石化、冶金、機械制造等行業，采用激光表面處理設備大幅增加了產品附加值，不僅用于新產品的制造和強化，還可以對磨損零件進行激光熔覆修復，產生良好的經濟效益。

(1) 設備配置

激光器: #p#分頁標題#e#一般為5kW橫流CO2激光器，最大輸出功率5.5kw。可以根據客戶需求選擇不同類型和功率的激光器。

大型多功能加工機床: 激光加工機床的加工尺寸范圍一般為：長5.5米，直徑Φ2.6米。對延伸形的特殊工件，可加工的尺寸范圍更大。本激光加工機床一般為懸臂加工系統，可進行多工位的激光加工。

六軸四聯動數控系統: 本機床配置有六軸四聯動數控系統，可以對復雜形狀工件進行精密激光加工。也可根據客戶實際需求設計。

(2) 設備特點:

根據應用對象的不同，激光表面工程技術所對應的成套設備有多種結構形式，具備多種功能。目前常用的設備系統是基于CO2氣體激光器的多功能激光加工系統，其具有的顯著特點如下：

(1) 多功能激光熱處理設備可以進行的激光表面處理技術包括：激光相變淬火、激光熔凝淬火、激光合金化和激光熔覆

(2) 華中科技大學激光先進制造技術研究室在激光加工技術和成套設備方面具有豐富的經驗，所研制的激光加工設備在冶金、石化、機械制造、內燃機、造紙、汽輪發電機等行業得到了廣泛的應用。

(3) 華中科技大學激光先進制造技術研究室在激光熔覆專用合金粉末研制方面具有豐富的經驗，研制的系列合金粉末包括：高韌性合金粉末、高耐磨合金粉末和耐高溫合金粉末等幾十種牌號，得到廣泛應用。

(4) 華中科技大學激光先進制造技術研究室研制的激光熔覆自動送粉器具有精度高，性能穩定的特點，已經出口到美國通用電器公司。所研制的專用激光相變淬火和激光熔凝淬火涂料吸光率高、淬火效果好。

3. 新型激光熱處理裝備與應用

新型激光器包括二極管激光器和光纖激光器，具有電光轉換效率高、可以用光纖傳輸的特點。采用工業機器人系統的激光表面強化設備，可以對型面復雜的大型模具進行三維精密淬火，確保模具的淬火質量。基于二極管激光器及光纖激光器的多功能激光加工系統的應用具有獨特的技術優勢，其應用領域更加廣泛。

(1) 基于二極管激光器及光纖激光器的多功能激光加工系統

半導體激光、光纖激光的波長范圍為0.8～1.07μm，因此，金屬對這類激光的吸收率高于CO2激光，這類激光加工設備系統運行成本較低，是激光表面工程領域新的應用方向。

(2) 基于工業機器人的多功能激光加工設備

基于工業機器人的多功能激光加工設備，是與光纖傳輸的新型激光器配套使用的設備，該激光加工系統對于復雜三維形狀的工件具有突出的技術優勢，在大型模具激光淬火和激光熔覆修復等方面具有廣闊的應用前景。

4. 激光表面工程技術典型應用
 

激光表面處理技術作為一種清潔、高效、節能的表面處理方式，代表著表面處理技術的發展方向，其技術方法包括：激光固態相變強化、激光合金化強化和激光熔覆強化等，該技術在汽車、石化、冶金、機械等領域具有廣闊的應用前景。

(1)齒輪、齒圈的激光淬火強化

(2)船用鋁合金活塞環槽激光合金化強化，柱塞激光熔凝淬火強化

(3)軋輥、曲軸激光淬火強化與激光熔覆強化

● 熱軋輥激光淬火后，硬度由HS40提高到HS85，使用壽命提高3倍。
● 瓦楞滾激光淬火后，硬度的均勻度為±0.5HRC。
● 高溫渦輪機葉片激光熔覆高溫耐磨合金，其使用壽命成倍提高。
● 長5000mm，直徑Φ500mm的大型不銹鋼軋輥軸頸，激光熔覆修復后軋輥長軸直線度公差只有0.03mm，激光熔覆修復幾乎不引起工件變形。

(4)大型主軸、汽輪機、渦輪機葉片激光熔覆修復

(5)模具激光淬火強化與激光熔覆修復

模具激光淬火的特點
 

(1) 模具激光淬火為空冷淬火，不需要水或油等冷卻介質，激光淬火的模具清潔、高效。
(2) 激光淬火模具的淬硬層均勻，與常規淬火工藝相比，硬度高1-3 HRC。
(3) 激光淬火模具變形小。
(4) 激光淬火模具硬化層組織細密、強韌性好、不開裂。
(5) 激光淬火采用專用保護涂料，幾乎不破壞模具的表面粗糙度。
(6) 任何復雜形狀的模具都可實現高質量的自動化激光淬火，各種模具材料都可進行激光淬火。

熱鍛模具激光熔覆的特點

(1) 激光熔覆制造的復合耐磨材料模具，使用壽命提高2倍以上。
(2) 激光熔覆制造的高溫耐磨材料模具，使用壽命提高3～5倍。