第五章激光表面处理
激光表面处理技术及其进展讲解
激光表面表面处理技术及进展许彦明指导老师：宋世涛（河北科技师范学院理化学院化学0703班）摘要：激光具有巨大的技术潜力，在冶金和材料加工中发展迅速，应用广泛。
激光表面处理由于其对工业和生产作出了巨大贡献，已成为飞速成长的重要加工技术领域。
本文较系统地介绍了国内外激光表面处理技术的研究与应用近况，指出了这项技术今后需解决的问题。
关键字：激光；表面处理；进展0 前言激光的出现时近代物理学的一个重大进展。
第一台激光器于60年代初问世，对激光表面热处理工艺的研究早在激光器诞生后不久就已经开始，但直到60年代末、70年代初才在热处理生产中获得应用。
激光在金属热处理方面取得成功，标志此技术的应用进人了新灼阶段。
随着大功率激光器的研制成功与不断完善，这一新工艺用于汽车转向器表面处理的生产线[1]。
国内经过“六五”计划的联合攻关，已在汽缸套等零部件的表面热处理上获得成功，取得了一批科研成果。
随之而发展的表面涂覆(cladding)，表面上釉(Glazing)及表面合金化(SurfaeeAlloing)等工艺[2]也取得了相当大的进展。
与上述工艺相比较，激光表面热处理是当前比较成熟、应用比较广泛的工艺。
1 激光表面处理技术的特点[3]1)通过选择激光波长调节激光功率等手段，能灵活地对复杂形状工件或工件局部部位实施非接触性急热、急冷。
该技术易控制处理范围，热影响区小，工件产生的残余应力及变形很小。
2)可在大气、真空及各种气氛中处理，制约条件少，且不造成化学污染。
3)通常，激光表面处理的改性效果比普通处理方法更显著4)激光束能量集中，密度大，速度快，效率高，成本低。
5)可缩短工艺流程，处理过程中工件可以运动，故特别适合组织自动化处理线。
6)激光束便于通过导光系统准确地输人与定位，亦能导向多个工作台，可大大提高激光的使用率和处理的效率。
7)激光表面处理尤其适用于大批量处理生产线，其成本比传统的表面热处理低。
2 激光表面相变应化(LTH)不论激光束是如户J产生的，激光束仅是一加热金属的热源，金属经激光热处理后，一般不出现异常的治全变化。
激光淬火表面处理
激光淬火表面处理
激光淬火是一种表面处理方法，利用高能量激光束对工件表面进行快速加热和快速冷却，以改善材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。
通常是用于淬硬钢件等金属材料的表面处理。
激光淬火的过程可以分为三个阶段：预加热、激光加热和快速冷却。
在预加热阶段，工件表面被加热至较高温度，以减少激光加热后的残余应力和避免裂纹的产生。
在激光加热阶段，使用激光束快速加热工件表面，使其达到淬火温度。
在快速冷却阶段，工件表面很快地冷却，以形成高硬度和高耐磨性的表面层。
激光淬火相对于传统热处理方法具有许多优点，如淬火效果好、加工速度快、变形小等。
但是也存在一些问题，如加热后易产生裂纹、设备成本高等缺点。
总的来说，激光淬火是一种高效、精确、可靠的表面处理方法，对于提高材料表面的物理性能具有重要的应用价值。
第五章_激光加工
二、激光的特性
方向性强 亮度大 单色性好 相干性好
1、方向性好
激光束的发散 角很小，一般为
10 10 sr
激光定位、导向、 测距等就利用了方向 性好的特点。
5
8
2、亮度高 亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单 位立体角内发射的功率。 激光的输出功率虽然有个限 度，但由于其光束细（发散特别 小），功率密度特别大，因而其 亮度也特别大。把分散在180° 范围内的光集中到0.18 °范围， 亮度提高100万倍。通过调Q等技 术，压缩脉冲宽度，还可以进一 步提高亮度。
光缆
激光通讯
4、相干性好
相干时间：光源先后发出的两束光能够产生干涉 现象的最大时间间隔； 相干长度:相干时间间隔内走过的路程称为 激光具有很好的相干性。 普通光源的相干长 度约为1毫米至几十厘 米，激光可达几十公里
全息照相、全息 存储等就利用了相干 性好的特点。
全息照相
例3．激光—— 原子力显微镜(AFM)
2.氩离子激光器 氩离子激光器是惰性气体氩通过气体放电，使氩原子 电离并激发，实现离子数反转而产生激光。
第三节 激光加工工艺及应用
• 一、激光打孔 • 二、激光切割 • 三、激光刻蚀打标记划片
一、激光打孔 • 激光打孔 采用脉冲激光器可进行打孔﹐脉冲宽 度为0.1 1毫秒﹐特别适于打微孔和异形孔﹐孔 径约为0.005～1毫米。激光打孔已广泛用于钟表 和仪表的宝石轴承﹑金刚石拉丝模﹑化纤喷丝头 等工件的加工(图1)。
（二）激光产生
1、历史背景 1) . 爱因斯坦提出的受激辐射的原理 1916年，爱因斯坦提出，原子中处于高能级的自 由电子，受到外来跃迁频率相同的光子的作用跳到低 能级，并发射一个光子，新光子与原光子频率、发射 方向、相位等都相同时，变成两个光子，条件合适的 情况下，光子就会象雪崩一样得到放大，这种放大的 光称为激光(受激辐射)。 2 ) . 1954年制成第一个微波量子放大器。 3) . 1958年，美国的汤斯和肖洛发表“红外区和光学激 射器”， 汤斯 (Charles H.Townes ， 1915- ) ，因此 获1964年诺贝尔奖。
激光加工技术在表面处理中的应用及其优势分析
激光加工技术在表面处理中的应用及其优势分析激光加工技术在表面处理中的应用及其优势激光加工技术是一种通过激光束进行材料加工的技术，包括切割、打孔、焊接、钻孔等。
在表面处理方面，激光加工技术已经被广泛应用于各种工业领域，如汽车、航空航天、电子、医疗器械等。
本文将从应用和优势两个方面对激光加工技术在表面处理中的应用进行详细分析。
一、激光加工技术在表面处理中的应用1. 表面清洁：激光加工技术可以通过激光热效应将污染物、氧化物等在瞬时高温下热解或蒸发掉，从而达到对表面进行清洁的效果。
这种表面清洁方法具有高效、无残留、无需使用化学药剂等优点，适用于对高精度表面的清洁。
2. 表面改性：激光加工技术通过控制激光能量和加工参数，可以在材料表面形成微细的纳米结构，从而改变表面的特性。
例如，在金属表面形成微细的孔洞结构，可以增加材料的吸光能力和光散射能力，从而提高材料的吸光率、光催化性能等。
此外，激光加工还可用于表面的硬化、弹性变形等改性处理。
3. 表面改良：激光加工技术可以通过在材料表面形成微细的凹凸结构，从而改变表面的光学、电学、磁学等性质，达到对表面的改良。
例如，激光加工可以通过在金属表面形成微细的蜂窝结构，增加金属的表面积，提高金属的阻氧性能和导电性能。
此外，激光加工还可以在材料表面形成纳米级的粗糙结构，增加材料表面的附着力。
4. 表面涂层：激光加工技术可以用于表面涂层的制备。
通过控制激光加工参数，可以将激光能量局部聚焦在材料表面，从而使涂料在激光照射下快速热化和固化。
这种激光加工方法具有高效、快速、均匀的特点，可以制备高质量的涂层。
二、激光加工技术在表面处理中的优势1. 高精度：激光加工技术具有非常高的定位精度和加工精度，可以对表面进行精确的控制和加工。
激光加工可以在微米到纳米级别上进行加工，实现对表面的高精度处理。
2. 高效率：激光加工技术具有高能量密度和高功率密度的特点，能够在瞬时内将材料加热至高温，实现快速加工。
第五章激光治疗瘢痕(共13张PPT)
周或熟年内出现。最好发的部位为耳垂、前胸、肩及后背。除了通常的皮肤创伤外，穿耳、 擦伤、文身接种也均可导致瘢痕疙瘩的形成。（图５－２） 七、瘢痕疙瘩通常长期存在，而肥厚性瘢痕则随时间可能消退。不过无法预测肥厚性瘢痕 最终是否会消退，而且除了影响美容外，这些异常瘢痕可能引起瘙痒及感觉迟钝等症 状而使患者求医。 八、多年来，瘢痕的治疗手段主要包括手术、冷冻、电灼、磨削，皮损内注射激素、５－ 氟尿嘧啶（５－Ｆu）,使用放射线等。随后，Nd:YAG与CO、激光了曾用于治疗。但 其术后高复发率及高副作用发生率使用权之不再用于肥厚性瘢痕的治疗。总体而言， 肥厚性瘢痕的治疗比瘢痕疙瘩容易成功。 九、目前，脉冲染料激光被广泛作为肥厚性瘢痕的首选治疗物段，、适应证及技术将在本章节予以讲 座痤疮后瘢痕的治疗将于本书第7部分予以讨论。
一、大多数关于激光治疗肥原性瘢 痕的研究都是针对I~III型皮肤的，在评估潜在治疗对象时， 肤色是要考虑的患者方面的主要因素，其对治疗结果有重要影响，浅肤色个体总体疗效较
九分、予目 以佳前讨，，论脉。而冲色染料素激异光常被广等泛副作为作肥用厚性较瘢少痕的。首对选皮治疗肤物类段，型、的适应评证判及也技术有将助在本于章合节予理以治讲疗座痤参疮数后瘢的痕选的治择疗。将于IV本~书V第I7型部 （10）皮可肤在4患~6者周的内进有行表下一皮次黑治疗素。对激光吸收强，因而对靶的作用相对减弱，术后色素异常的风险增 一、激大光，治疗而后疗即刻效，则患要者可差有一灼痒些感。，持续数小时至2d，术后最常见的副作用是治疗区紫癜，通常持续10d之久。
四、瘢痕疙瘩与肥厚性瘢痕的发病率为4.5%—16%，非洲裔及西班牙裔的发病率更高。 10—20岁的患者更易受累，男女性的发病率相同。
激光机作业中的激光清洗与表面处理技术
激光机作业中的激光清洗与表面处理技术激光清洗与表面处理技术，作为现代激光机作业中的重要组成部分，已经在多个领域得到广泛应用。
激光清洗技术利用激光束的高浓度能量，以非接触方式清除表面的污垢和涂层，具有高效、无损伤和环保等优点。
而激光表面处理技术则可通过调节激光束的参数，实现对材料表面的改性和功能化。
本文将从激光清洗和激光表面处理两个方面介绍其原理、应用以及未来发展方向。
一、激光清洗技术激光清洗技术是利用激光束的高能量密度，将污垢或涂层表面加热瞬间蒸发或熔化，实现无接触地去除。
相比传统清洗方法，激光清洗具有以下优势：1. 高效能：激光束能量密度高，可以快速实现表面清洗，提高作业效率。
2. 无损伤：激光清洗过程中不会对物体表面造成磨损或刮伤，保持材料的原有性能。
3. 环保节能：激光清洗无需使用化学清洗剂，减少了对环境的污染，并且节约了能源资源。
激光清洗技术在多个领域得到了应用，如汽车维修领域中的发动机零件清洗、电子设备制造中的PCB板清洗以及文物保护中的古籍清洗等。
随着激光技术的不断提升和创新，激光清洗技术的应用领域还将进一步扩展。
二、激光表面处理技术激光表面处理技术是指利用激光束对材料表面进行能量输入，实现表面的改性和功能化。
通过调节激光束的参数（能量、功率、波长等），可以实现表面的熔化、蒸发、热化学反应等效应，从而改善材料的性能和功能。
激光表面处理技术的主要应用包括：1. 材料表面改性：激光束的能量输入可以改变材料表面的组织结构，提高材料的硬度、耐磨性等性能。
2. 表面合金化：通过激光加热，将外加的合金元素与基体材料进行熔合，形成硬度高、耐腐蚀的合金表面。
3. 表面纳米结构形成：激光可在材料表面形成纳米颗粒或纳米结构，改变表面的光学特性、润湿性等。
激光表面处理技术的应用领域广泛，如航空航天领域中的发动机叶片涂层、光学玻璃表面处理、生物医学材料的改性等。
随着激光技术的不断发展，激光表面处理技术将进一步加强材料与激光的相互作用，探索更多新的应用领域。
先进制造技术5激光加工.ppt
（3）掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器 工作介质为 掺有1.5％左右钕的钇铝石榴石晶体，发射 λ=1.06μm的红外激光。
二、激光加工常用激光器
（二）气体激光器
一般采用电激励，效率高、寿命长、连续输出功率大， 广泛用于切割、焊接、热处理等加工。常用于材料加工 的气体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器等：
一、激光打孔
3. 焦点位置
一、激光打孔
4. 光斑内的能量分布
一、激光打孔
5. 激光的照射次数
一、激光打孔
6. 工件材料
二、激光切割
原理
激光切割的原理和激光打孔原理基本相同。所不同的是， 工件与激光束要相对移动。
激光器
采用重复频率较高的脉冲激光器或连续输出的激光器。
但连续输出的激光束会因热传导而使切割效率降低，同 时热影响层也较深。因此，在精密机械加工中，一般都 采用高重复频率的脉冲激光器。
五、激光热处理
激光热处理与火焰淬火，感应淬火等成熟工艺相比具有以 下优点： （1）加热快、热影响小、工件变形小； （2）可以对形状复杂的零件或局部处理，如盲孔底等； （3）因加热点小，散热快，形成自淬火，不需冷却介 质。不仅节省能源，并且工作环境清洁。
缺点 硬化层浅，一般小于1mm，只是一种表面处理方法。
100至1000W
打孔、焊接
打孔、切割、 焊接、微调
脉冲 连续
几J
几十至几千 W
切割、焊接、 热处理、微调
光盘录刻存贮
二、激光加工常用激光器
（一）固体激光器
组成
二、激光加工常用激光器
二、激光加工常用激光器
第五章激光加工特种加工讲课文档
激光打孔
❖ 激光打孔的主要影响因素（续）
3 焦点位置
焦点位置对于孔的形状和深度都有很大影响。
第26页，共36页。
激光打孔
❖ 激光打孔的主要影响因素（续）
4 光斑内的能量分布
第27页，共36页。
激光打孔
❖ 激光打孔的主要影响因素（续）
5 激光的多次照射
激光照射一次，加工深度约为孔径的五倍，且锥度很大； 多次照射则深度大大增加、锥度减小、孔径几乎不变。
❖ 原子的发光
基态与激发态
电子在最靠近原子核的轨道上运动时，原子所 处的能级状态称为基态。
当外界传给原子一定的能量时，原子的内能增 加，外层电子的轨道半径扩大，被激发到高能 级，称为激发态（高能态）。
第7页，共36页。
激光的产生
❖ 原子的发光（续）
跃迁
原子从高能级回到低能级的过程称为“跃迁”。
第22页，共36页。
激光打孔
❖ 激光打孔原理
基于聚焦后的激光具有极高的功率密度使得工 件材料融化、气化等热物理现象综合的结果。
❖ 激光打孔特点
直径10µm的精密微孔，机械加
工很难达到0.25mm
几乎可以在任何材料上打微型小孔;
适合于自动化连续打孔，加工效率高；
直径可小到0.01um以下，深径比可达50:1。
第11页，共36页。
激光的产生
第12页，共36页。
激光的特性
❖ 激光具有一般光的共性（反射、折射、干涉等），也有其特性。 （受激辐射）
强度、亮度和能量密度高：一台红宝石激光器的亮度是太阳表面 亮度的两百多亿倍。
空间上和时间上的集中
单色性好：具有很窄的谱线宽度。 相干性好：单色性越好，相干长度越长。 方向性好：具有很小的发散角。
激光镭射表面处理工艺
激光镭射表面处理工艺哎呀，说起激光镭射表面处理工艺，这可真是个技术活儿，得慢慢道来。
记得有一次，我去了一个朋友的工厂，他们那儿就是专门搞这个的。
一进门，那机器轰隆隆的声音，还有那激光束嗖嗖地在金属板上跳舞，真是让人眼前一亮。
首先得说，激光镭射这玩意儿，可不是什么新鲜事物，但每次看到它工作，还是觉得挺神奇的。
我朋友给我展示了一块普通的金属板，然后他把这块板子放到了激光镭射机下面。
那机器看起来就像个巨大的显微镜，只不过它的“眼睛”是激光。
他开始操作电脑，输入了一些参数，然后按下了启动按钮。
只见那激光束开始在金属板上来回移动，速度飞快，但却又异常精准。
我凑近一看，那金属板上竟然出现了精细的图案，就像是有人用极细的笔一笔一划画上去的一样。
我朋友告诉我，这激光镭射技术，可以在金属、塑料、玻璃等多种材料上进行精细的加工，而且精度极高。
我问他，这玩意儿能干啥用？他笑了笑，说：“用处可多了，你看，这金属板上的图案，可以是商标、序列号，或者是一些装饰性的图案。
”他还说，这技术在汽车、航空、电子等行业里特别受欢迎，因为它们需要精确的加工和高质量的表面处理。
我看着那激光束在金属板上跳跃，心里想，这技术可真不是盖的。
我朋友还告诉我，激光镭射不仅能雕刻，还能切割和焊接。
他说有一次，他们用激光镭射切割了一块超薄的不锈钢，那切割面光滑得跟镜子一样。
最后，他给我展示了成品，那金属板上的图案清晰、细腻，完全看不出是激光“画”出来的。
我问他，这玩意儿贵不贵？他摇摇头说，其实现在激光镭射技术已经越来越普及，成本也降低了不少，所以很多小企业也能用得起。
离开工厂的时候，我还在想，这激光镭射表面处理工艺，真是个神奇的技术。
它不仅能提高产品的质量和美观度，还能让生产过程更加高效。
下次有机会，我还得再去我朋友那儿，看看他们又用激光镭射搞出了什么新花样。
第五章 高能束表面改性
第五章 高能束表面改性技术
第五章 高能束表面改性技术
电子束表面改性的主要特点有： 1) 加热和冷却速度快，能量利用率高，为激光加热的9倍。 2) 与激光相比使用成本低。电子束处理设备一次性投资比激 光少,为激光的1/3），其运行成本比激光低一半左右。 3) 设备简单。 4) 电子束与金属表面耦合性好，能量利用率高。 5) 工件不被污染，质量好。 6) 电子束加热深度和尺寸范围比激光大。电子束加热时熔化 层至少几个微米厚，能量沉积范围较宽，而且约有一半电 子作用区几乎同时熔化。 7）电子束可以激发X射线，使用中应注意防护。
第五章 高能束表面改性技术 种类：
因为激光束、电子束、离子束作为一种高能密度热 源，作用在金属表面所产生的相变、熔化、气化效应是 一致的。因此通常将高能束热处理分为： 高能束相变硬化处理 高能束熔敷处理 高能束合金化 高能束非晶化 高能束冲击硬化 高能束气相沉积
第五章 高能束表面改性技术
能量传递与转换 高能束与物质的三种作用类型：热作用、 力作用、光作用
1）可减少表层成分偏析；
2）消除表面缺陷和可能存在的裂纹。
第五章 高能束表面改性技术
（3）激光熔覆（合金化）：以不同的添料方式在被熔覆基体表 面上放臵被选择的涂层材料经激光辐照使之与基体表面一薄层同 时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表 面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性 的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料 表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。
成分改变：表面合金化和熔覆 结构改变：组织和相的改变
第五章 高能束表面改性技术
高能束的特点：
（1）热源作用在材料表面上的功率密度高、作 用时间极其短暂，加热速度快，处理效率高。 （2）加热的面积可根据需要任意选择，大面积 可用叠加扫描法。 （3）热源属非接触式，且束斑小，热影响区小， 变形小。 （4）高能束热处理靠工件自身冷却淬火，不需介质。 （5）三束直接加热的材料表层深度一般为几微米。