1. 激光表面工程技术基本原理

激光表面工程技术是采用高能激光束对金属表面进行改性强化的激光加工技术，是表面处理工程领域发展得最快的方向，其主要工艺方法包括：激光相变淬火、激光熔凝淬火、激光合金化和激光熔覆等。

(1)激光相变淬火

激光相变淬火是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。激光淬火的功率密度高达103～104W/cm2，其加热和和冷却速度都非常快。激光淬火不需要水或油等冷却介质，是一种清洁、高效的淬火工艺。与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火的硬度高（一般比感应淬火高1-3 HRC），硬化层均匀，工件变形小，加热区域和加热轨迹容易控制，易于实现自动化。

(2)激光熔凝淬火

激光熔凝淬火技术是利用激光束将基材表面加热到熔化温度以上, 由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。获得的熔凝淬火组织非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。激光熔凝层比激光淬火层的硬化深度更大、硬度更高，耐磨性也更好。该技术的不足之处在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破坏，一般需要后续机械加工才能恢复。为了降低激光熔凝处理后零件表面的粗糙度，减少后续加工量，本研究团队研制了专门的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度改善熔凝层的表面粗糙度，并且在冶金轧辊、导卫等工件激光熔凝处理方面得到广泛应用。

(3)激光熔覆与合金化

激光熔覆与合金化技术是利用自动送粉器将合金粉末同步送到激光熔池中，使合金粉末与金属基体同时熔化，形成金属覆盖层的工艺过程。与传统的热喷焊或者堆焊工艺相比，激光熔覆变形小，应力低，对基体的稀释率低，组织致密，微观缺陷少，结合强度高，熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控制，特别是熔覆层的成分可以根据工况的需求方便调节，因此非常适合工件表面的强化与修复。

(4) 激光淬火的特点

质量优势	技术特质	适用材料	实际应用
1）淬火零件不变形	激光淬火的热循环过程快	中碳钢	大型轴类
2）几乎不破坏表面粗糙度	采用防氧化保护涂层	模具钢	各种模具
3）激光淬火不开裂	精确定量的数控淬火	冷作模具钢	模具、刃具
4）对局部、沟、槽淬火	定位精确的数控淬火	中碳合金钢	减振器
5）激光淬火清洁、高效	不需要水或油等冷却介质	铸铁材料	发动机汽缸
6）淬火硬度比常规方法高	淬火层组织细密、强韧性好	高碳合金钢	大型轧辊

(5) 激光熔覆与合金化的特点

典型应用	技术特质	质量优势
1）电机转轴磨损尺寸的恢复	选用与基体相当的合金粉	激光熔覆后工件变形小
2）电极辊耐腐蚀层的熔覆	采用不锈钢合金粉末	熔覆层金属无显微缺陷
3）铝挤压模的抗高温氧化层	熔覆镍基合金粉末	熔覆层为冶金焊接结合
4）蜗轮叶片抗高温磨蚀层	采用钴基合金粉末	合金层固溶量高，寿命长
5）冷作模具的耐磨合金层	熔覆高硬度合金粉	结合强度高，不脱落
6）大型轧辊激光熔覆	选用优于基体的合金粉末	激光熔覆层不开裂
7）铝、铜合金的耐磨层	熔覆高强度的合金粉	熔覆层硬度高，耐磨性好

2. 多功能激光表面处理设备

激光表面工程技术使用的多功能激光热处理设备，可以完成激光相变强化、激光熔凝淬火、激光合金化和激光熔覆等工作。在石化、冶金、机械制造等行业，采用激光表面处理设备大幅增加了产品附加值，不仅用于新产品的制造和强化，还可以对磨损零件进行激光熔覆修复，产生良好的经济效益。

大型激光熔覆与热处理设备	为攀钢制造的轧辊激光强化设备	瓦轮辊激光淬火设备

(1) 设备配置

激光器: #p#分页标题#e#一般为5kW横流CO2激光器，最大输出功率5.5kw。可以根据客户需求选择不同类型和功率的激光器。

大型多功能加工机床:激光加工机床的加工尺寸范围一般为：长5.5米，直径Φ2.6米。对延伸形的特殊工件，可加工的尺寸范围更大。本激光加工机床一般为悬臂加工系统，可进行多工位的激光加工。

六轴四联动数控系统:本机床配置有六轴四联动数控系统，可以对复杂形状工件进行精密激光加工。也可根据客户实际需求设计。

(2) 设备特点:

根据应用对象的不同，激光表面工程技术所对应的成套设备有多种结构形式，具备多种功能。目前常用的设备系统是基于CO2气体激光器的多功能激光加工系统，其具有的显著特点如下：

(1) 多功能激光热处理设备可以进行的激光表面处理技术包括：激光相变淬火、激光熔凝淬火、激光合金化和激光熔覆

(2) 华中科技大学激光先进制造技术研究室在激光加工技术和成套设备方面具有丰富的经验，所研制的激光加工设备在冶金、石化、机械制造、内燃机、造纸、汽轮发电机等行业得到了广泛的应用。

(3) 华中科技大学激光先进制造技术研究室在激光熔覆专用合金粉末研制方面具有丰富的经验，研制的系列合金粉末包括：高韧性合金粉末、高耐磨合金粉末和耐高温合金粉末等几十种牌号，得到广泛应用。

(4) 华中科技大学激光先进制造技术研究室研制的激光熔覆自动送粉器具有精度高，性能稳定的特点，已经出口到美国通用电器公司。所研制的专用激光相变淬火和激光熔凝淬火涂料吸光率高、淬火效果好。

3. 新型激光热处理装备与应用

新型激光器包括二极管激光器和光纤激光器，具有电光转换效率高、可以用光纤传输的特点。采用工业机器人系统的激光表面强化设备，可以对型面复杂的大型模具进行三维精密淬火，确保模具的淬火质量。基于二极管激光器及光纤激光器的多功能激光加工系统的应用具有独特的技术优势，其应用领域更加广泛。

(1) 基于二极管激光器及光纤激光器的多功能激光加工系统

半导体激光、光纤激光的波长范围为0.8～1.07μm，因此，金属对这类激光的吸收率高于CO2激光，这类激光加工设备系统运行成本较低，是激光表面工程领域新的应用方向。

(2) 基于工业机器人的多功能激光加工设备

基于工业机器人的多功能激光加工设备，是与光纤传输的新型激光器配套使用的设备，该激光加工系统对于复杂三维形状的工件具有突出的技术优势，在大型模具激光淬火和激光熔覆修复等方面具有广阔的应用前景。

半导体激光热处理设备	光纤激光多功能加工设备

4. 激光表面工程技术典型应用

激光表面处理技术作为一种清洁、高效、节能的表面处理方式，代表着表面处理技术的发展方向，其技术方法包括：激光固态相变强化、激光合金化强化和激光熔覆强化等，该技术在汽车、石化、冶金、机械等领域具有广阔的应用前景。

(1)齿轮、齿圈的激光淬火强化

(2)船用铝合金活塞环槽激光合金化强化，柱塞激光熔凝淬火强化

(3)轧辊、曲轴激光淬火强化与激光熔覆强化

● 热轧辊激光淬火后，硬度由HS40提高到HS85，使用寿命提高3倍。
● 瓦楞滚激光淬火后，硬度的均匀度为±0.5HRC。
● 高温涡轮机叶片激光熔覆高温耐磨合金，其使用寿命成倍提高。
● 长5000mm，直径Φ500mm的大型不锈钢轧辊轴颈，激光熔覆修复后轧辊长轴直线度公差只有0.03mm，激光熔覆修复几乎不引起工件变形。

(4)大型主轴、汽轮机、涡轮机叶片激光熔覆修复

激光熔覆修复大型电机主轴	激光熔覆修复涡轮压缩机主轴	激光熔覆修复大型转子的主轴

(5)模具激光淬火强化与激光熔覆修复

模具激光淬火的特点

(1) 模具激光淬火为空冷淬火，不需要水或油等冷却介质，激光淬火的模具清洁、高效。
(2) 激光淬火模具的淬硬层均匀，与常规淬火工艺相比，硬度高1-3 HRC。
(3) 激光淬火模具变形小。
(4) 激光淬火模具硬化层组织细密、强韧性好、不开裂。
(5) 激光淬火采用专用保护涂料，几乎不破坏模具的表面粗糙度。
(6) 任何复杂形状的模具都可实现高质量的自动化激光淬火，各种模具材料都可进行激光淬火。

热锻模具激光熔覆的特点

(1) 激光熔覆制造的复合耐磨材料模具，使用寿命提高2倍以上。
(2) 激光熔覆制造的高温耐磨材料模具，使用寿命提高3～5倍。