激光表面處理是采用大功率密度的激光束，以非接觸性的方式加熱材料表面．借助于材料表面本身傳導冷卻，來實現其表面改性的工藝技術。它在改善材料表面的力學性能和物理性能，以及提高零件的耐磨、耐蝕、耐疲勞性能方面大有裨益。近年來，激光清洗、激光淬火、激光合金化、激光沖擊強化、激光退火等激光表面處理技術，以及激光熔覆和激光3D打印等激光增材制造技術迎來了廣闊的應用前景。

激光表面處理及增材制造技術概述

當前，中國傳統制造業正面臨深度的轉型升級，高附加值、高技術壁壘的高端精密加工是其中的重要方向之一，而激光表面處理便是核心精密加工技術，其優勢顯著：能量作用集中，熱影響區小，工件變形??；能夠處理表面形狀復雜的工件，且容易實現自動化生產線。通過激光表面處理可以大幅改善工件制品的性能，提高其使用效能以及延長其使用壽命。

1. 激光清洗

激光清洗是近年來得到快速發展、應用廣泛的一種新型表面清潔技術。它是采用高能脈沖激光束照射工件表面，使表面的污物、顆?；蛲繉铀查g蒸發或膨脹剝離，從而達到潔凈化的工藝過程。激光清洗主要分為除銹、除油、除漆、除涂層等工藝；主要應用于金屬類清洗，文物類清洗，建筑類清洗等?；谄涔δ苋?、加工精準靈活、高效節能、綠色環保、對基材無損傷、智能、清洗質量好、安全、應用范圍廣等特點和優勢，它在各個工業領域愈發受青睞。

2. 激光淬火

激光淬火采用高能量激光作為熱源，使金屬表面快熱快冷，瞬間完成淬火過程，得到高硬度、超細的馬氏體組織，提高金屬表面的硬度和耐磨性，并且在表面形成壓應力，提高抗疲勞能力。這項工藝的核心優勢包括熱影響區小、變形量小、自動化程度高、選區淬火柔性好、細化晶粒硬度高和智能環保。譬如激光光斑可調，能夠對任意寬度的位置進行淬火；其次，激光頭配合多軸機器人聯動，可對復雜零件的指定區域進行淬火。又如，激光淬火極熱速冷，淬火應力及變形小。激光淬火前后工件的變形幾乎可以忽略，因此特別適合高精度要求的零件表面處理。

當前，激光淬火已成功應用于汽車行業、模具行業、五金工具、機械行業行業中易損件的表面強化，尤其是在提高齒輪、軸面、導軌、鉗口、模具等易損件的使用壽命方面，效果顯著。

3. 激光合金化

激光合金化采用高能量激光作為熱源，照射經過噴涂預制在金屬工件表面的超細金屬陶瓷材料，使之在激光束作用下快速熔凝滲透，從而改變工件表面的成分，獲得組織細密、高耐磨的合金層，大幅提高工件在高溫腐蝕條件下的耐磨性能。此項技術的成本低、無需后續加工 、變形小和速度快。

4. 激光沖擊強化

激光沖擊強化技術是利用強激光束產生的等離子沖擊波，提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術。它具有無熱影響區、能量高效利用、超高應變率、可控性強以及強化效果顯著等突出優點。同時，激光沖擊強化具有更深的殘余壓應力、更好的微觀組織和表面完整性、更好的熱穩定性以及更長的壽命等特點。近年來該技術獲得了迅速發展，在航空航天和國防軍工等領域大有用武之地。另外，使用涂層的作用主要是保護工件不被激光灼傷并增強對激光能量的吸收，目前常用的涂層材料有黑漆和鋁箔等。

5. 激光雕刻

激光雕刻加工是利用數控技術為基礎，將高能量的激光束投射到材料表面，利用激光產生的熱效應，在材料表面產生清晰圖案的激光加工過程。加工材料在激光雕刻照射下瞬間的熔化和氣化的物理變性，能使激光雕刻實現加工目的。激光雕刻就是運用激光在物件上面刻寫文字，這種技術刻出來的字無刻痕，物體表面光滑平整，字跡亦不會磨損。其特點和優勢涵蓋：安全可靠；精確細致、精度可達到0.02mm；節約環保、加工節省材料；高速快捷、可根據輸出的圖樣高速雕刻；成本低廉、不受加工數量限制等。

6. 激光退火

激光退火是指利用激光加熱材料表面，將材料曝露于高溫一段很長時間后，然后再慢慢冷卻的熱處理制程。該工藝主要目的是釋放應力、增加材料延展性和韌性、產生特殊顯微結構等。其特點是能夠調整基體組織、降低硬度、細化晶粒和消除內應力。近年來，激光退火技術也成為半導體加工行業的一種新工藝，可大幅提高集成電路的集成度。

7. 激光熔覆

激光熔覆技術采用高能量激光作為熱源，金屬合金粉末作為焊材，通過激光與合金粉末同步作用于金屬表面快速熔化形成熔池，再快速凝固形成致密、均勻并且厚度可控的冶金結合層，熔覆層具有特殊物理、化學或力學性能，從而達到修復工件表面尺寸、強化延長壽命的效果。近年來，它已成為國內外激光表面改性研究的熱點。這一技術的特點和優勢包括選材多樣化、成型優異、平整光潔、冶金結合強度高和環保降耗等。

2020年12月，武鋼華工激光公司聯合蘇州大學、華中科技大學申報的國家重點研發計劃 “增材制造與激光制造”專項---“高效高精度多功能激光增材制造系列熔覆噴頭研發”項目已順利完成科技部驗收。公司此次承擔“光外送粉激光熔覆系列噴頭研發與集成”的課題，完成了激光深孔熔覆加工頭、激光變焦熔覆頭等9種光外激光熔覆頭，其中已有6款通過裝備系統集成提供給用戶實際應用，解決了高功率連續工作工況應用。這些激光熔覆頭將集成在激光熔覆設備上用于冶金、煤炭、機械、化工、軍工等行業。

8. 激光3D打印

該工藝采用激光熔覆技術，使用激光照射噴嘴輸送的粉末流，直接熔化單質或合金粉末，在激光束離開后，合金液體快速凝固，實現合金快速成型。目前，已在工業造型、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫學、考古、文化藝術、雕刻、首飾等領域獲得廣泛應用。

激光表面處理及再制造典型行業應用

當前，激光表面處理及增材制造技術、工藝和裝備被廣泛應用于冶金、礦山機械、模具、石油電力、五金工具、軌交、航空航天、機械等行業。

激光表面處理及再制造的常見應用領域

1. 冶金行業典型應用

例如，針對42CrMo鋼材的軋機驅動齒輪軸激光熔覆工藝，硬度可從HRC 22-25提升到HRC 35-42；熔覆層的單邊為1.2mm。工藝特點表現為軸承位修復、恢復成品尺寸、耐磨性能大幅提高。另外，針對鑄鋼的軋機牌坊激光修復，加工后可從日常磨損的凹槽、腐蝕坑轉變為機架尺寸的恢復如初，修復后使用壽命可提高2倍。

軋機驅動齒輪軸激光熔覆

又如，對T2材質的銅噴嘴進行激光熔覆后，能夠對易受損的基材（銅）的使用壽命提高1-2倍。工藝流程耐高溫、耐麿涂層、無開裂、無氣孔，可實現廢品利舊，循環再用。

銅噴嘴激光熔覆

2. 煤機行業典型應用

針對27 SiMn鋼材的液壓缸激光熔覆，替代了傳統的電鍍工藝，加工后硬度為HRC50-60；熔覆單層0.6-1.5mm，基材的耐磨、耐腐蝕性能顯著提升。

3. 模具行業典型應用

針對中碳鋼的模具激光淬火，硬度從 HRC22-25增加到HRC55-58；淬火層厚度為0.6-1.2mm；工藝特點顯示為局部硬化、不變形、邊角未出現燒融塌邊現象，有效替代傳統熱處理無法處理的成型模R角選區淬火手段。

中碳鋼的模具激光淬火

4. 軌道交通行業典型應用

無論是車輪和鋼軌激光除銹、車身焊縫處理和鋼軌除氧化層，激光清洗技術都可以具備基材無變形、綠色環保高效以及操作便捷無耗材等特點。

5. 航空航天行業典型應用

鈦、鋁、合金系列的航天零件和原材料的激光清洗工藝處理，采用50-2000W功率的設備，清洗效率為0.5-8m2/h；精細高效，基材無損傷，有效替代傳統的手工打磨和化學清洗等工藝。

鈦板激光清洗

發動機過濾網激光清洗

其它行業應用領域

未來發展與創新

據統計，中國平均每年都會由于關鍵基礎零部件失效造成巨大的工業損失（約占國民經濟總產值的3％-5％）。其中，80％以上是因表面局部磨損、腐蝕等失效引起的，直接損失超過萬億元。鑒于此，這推動了加工精度高、易于數字化控制、效率更高的激光增材制造和表面處理技術進一步發展與普及，該技術已被證明在機械制造與維修、冶金、煤礦、汽車、航空航天和石油化工等領域中有廣泛的應用空間。

隨著中國智能制造的持續發展與革新，加工對象、工藝方法、應用領域等，隨之不斷拓展。近年來，中國僅在高端清潔領域如航空航天、軌道交通、汽車制造等工業清洗市場就達上千億元。國內金屬3D打印技術的不斷完善，補充了傳統工藝的開模難、精度低，耗時久、組裝繁瑣等弊端，對高端裝備制造推波助瀾。激光表面處理技術在模具、五金工具等行業，使低等級材料實現高性能表面改性，實現零件制造低成本、壽命長，具有非?？捎^的社會與經濟效益。

誠然，激光表面處理及增材制造領域也在創新上面臨了不少挑戰，關鍵是要實現新舊工藝和理念上的轉換。材料方面，亟需攻克新材料研發；新類型材料的批量化及材料成本問題。裝備上看，攻關方向包括光源的穩定性；鏡片功率的承載；光路配置的優化；智能控制技術；和裝備的小型化等。同時，針對工藝層面，要繼續加強對激光工藝的極限探索；復合工藝的深入挖掘，使技術能夠適應和契合更多行業的工藝需求。

展望未來，激光表面處理及增材制造設備發展方向可歸納為以下幾點：高效率——加工效率高，滿足現代工業快速生產節奏；高性能——設備功能多樣化，性能穩定，適用不同工況；高智能——智能化水平不斷提升，人工干預少；低成本——設備成本可控，耗材成本降低；定制化——設備個性化定制，精準售后服務，以及復合化——激光技術與傳統加工技術相結合。