高功率激光与材料作用机理分析及应用

高功率激光与材料作用机理分析及应用

近二十年来，激光加工技术更是在世界各国工业发展中得到广泛应用，尤其是工业发达国家，已被人们誉为“未来制造业的共同加工手段”。激光加工技术的出现正促使着“电加工时代”向“光加工时代”转变，代表着当前材料加工业的发展方向，当今世界各国都把激光加工技术作为提高生产效率和产品质量、降低成本、增加效益，提高国际竞争力的重要手段。

1.激光与材料的作用机理

高功率激光器在材料加工方面主要利用的是激光的热效应。激光与材料相互作用的热—力学效应依赖于激光参数、材料特性及环境。激光与靶材是两个独立的部分，当激光照射到靶材表面，就会吸收激光，而这种吸收和反射主要取决于靶表面的光学性质。靶表面吸收光学能量，使自身温度上升，从而能够改变靶材表面的结构和性能，甚至造成不可逆的破坏。如切割、淬火、焊接、辐射以及材料表面处理等过程中，已得到广泛应用。根据不同的参数，可以将激光对材料的作用分为以下几个阶段：

（1）材料对激光的吸收阶段

当激光照射到待加工材料表面，部分被材料表面反射，其余部分透入材料并被材料所吸收。被吸收的激光束对材料起到一个加热的作用。金属对激光的吸收量与温度、表面粗糙度、有无涂层、激光的偏振特性等诸多因素有关。

（2）材料的加热阶段

激光在金属表面层内就被吸收，使金属内自由电子的热运动能增加，并在很短的10-11—10-10 s时间内与晶格碰撞，把电子的动能转化为晶格的热振动能。引起材料温度的升高，然后按照热传导的机理向周围和材料内部传播。

在该阶段，如果加热温度在相变点以上时，材料将发生组织结构的变化。例如钢的淬火。

（3）材料的融化与气化阶段

激光照射引起的材料破坏过程是由于靶材（被加工材料）在高功率激光照射下表面达到熔化和气化温度,使材料气化蒸发或熔融溅出，同时靶材内部的微裂纹与缺陷由于受到材料熔凝和其它场强变化而进一步扩展，从而导致周围材料的疲劳和破坏的动力学过程。激光功率密度过高，材料在表面气化，不在深层熔化；激光功率密度过低，则能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小。一般情况下，被加工材料的去除是以蒸气和熔融状两种形式实现的。如果功率密度过高时，材料会局部过热，引起爆炸性的气化，此时材料完全以气化方式去除，几乎不会出现熔融状态。非金属材料在激光照射下的破坏效应十分复杂，不同非金属也差别很大。一般地说，非金属的反射率很低，而导热性也很低，因而进入非金属材料内部的激光能量就比金属多得多，热影响区却要小。因此，非金属受激光高功率照射的热动力学过程与金属十分不同。

（4）产生等离子体阶段

激光使材料气化。形成等离子体。这在激光深熔焊中是常见的现象。

2 激光淬火工艺

根据激光与材料不同的作用机理，我们采取不同的加工工艺来对材料进行加工。激光淬火是基于激光对材料作用的第二阶段所衍生的一种工艺。既材料表面未达到熔化或气化温度，但是加热温度在相变点以上。

激光淬火：激光相变硬化是以高能密度的激光束快速照射工件，使其需要硬化的部位瞬间吸收光能并立即转化成热能，而使激光作用区的温度急剧上升，形成奥氏体。此时工件基体仍处于冷态并与加热区之间有极高的温度梯度。因此，一旦停止激光照射，加热区因急冷而实现工件的自冷淬火。

导轨局部表面淬火激光淬火内牙螺纹

凹面槽内孔激光淬火

激光淬火的应用面很广，已广泛应用于汽车、冶金、石油、重型机械等许多工业部门。可以用于处理各种轴体(碳钢和球墨铸铁)、齿轮(碳钢)、阀门(灰口铸铁和碳钢)、垫圈(可锻铸铁)、凸轮轴凸角(铸钢)、活塞环(铸铁和钢)、手制动棘轮(低碳钢)、辊槽拱顶(钢)、缸筒和缸套(铸铁和钢)、轴瓦(合金铸铁)和汽轮机叶片缘口(马氏体不锈钢)等零件均能取得良好的强化效果。

上图为江苏中科四象激光科技有限公司淬火加工的零部件图。淬火后工件的硬度得到显著的提升，适用范围广，可以对凹槽、曲面、内外螺纹等复杂形状以及局部特殊面进行加工。

淬火试样切割部分金相分析

淬火硬化层金相放大图

（1）（2）

（3）

从淬火层表面沿截面向下的组织形貌

（1）淬硬层组织表面形貌（2）淬硬层与未淬火区域过渡区

（3）未淬硬区域组织表面形貌

淬火后的硬化层深度达到1.2mm，且横向的深度几乎保持一致。未出现受热不均现象。激光淬火工件表面加热温度较高，但由于加热时间短，奥氏体长大不明显，因此仍能获得较细的马氏体，如图所示。这使得材料的韧性较传统淬火工艺后的好。并且这种细马氏体组织再加上淬火后表面形成的残余压应力，淬火后的硬度比普通的淬火要高2-3HRC。淬火后的组织较为均匀，从金相图中可以看出，组织中并未出现过多的残余奥氏体。从图中可以看出，

激光淬火后并未破坏工件内部的组织。马氏体是淬硬层的基本组织，未淬硬区域仍是材料的原始组织。