激光技术及其在冶金行业的应用

摘要：本文介绍了激光加工技术的基本知识及技术，并介绍了一个案例－华工激光生产的双悬臂多功能数控激光加工机床。

激光是二十世纪最重大的科学发现之一。激光是具有高亮度、高方向性、高单色性的相干光束，这种神奇的光束可以达到任何其它已知光束所不能达到的聚焦精度，并且聚焦后可以将巨大的能量集中在非常小的范围内。所以激光刚一问世即引起了材料科学家的高度重视。

激光加工技术已被誉为“未来制造业的共同加工手段”。几个世纪以来，材料加工领域由手工加工时代过渡到火焰加工时代，又由火焰加工时代过渡到电加工时代。激光加工的出现正促使目前的电加工时代向光加工时代转变。

激光加工代表着当前材料加工业的发展方向。世界各国都把激光加工技术作为提高生产效率、降低成本、提高产品质量以及具有国际竞争力的重要手段。其中，激光表面强化技术在近20年里，在工业领域得到广泛应用，取得了良好的经济效益和社会效益。

激光加工技术的基本特点

无接触加工，无工具磨损，不需要中途更换工具；
激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换，极易与数控系统配合对复杂工件进行加工；
可对高硬度、高脆性、高熔点及软质材料进行加工；
激光束能量密度高，加工速度快，工件变形小、热影响区小，后续加工量小；
易于与传统生产工艺组合，形成生产线。
激光加工技术分类

1) 激光表面强化与修复

激光相变淬火
激光熔凝淬火
激光合金化
激光熔覆
2) 激光直接加工

激光毛化
激光焊接
激光切割
激光打孔
激光刻蚀
激光打标
激光抛光
3) 激光快速制造模具原型

选区激光烧结法
激光分层切割制造法
激光加工主要应用工业领
汽车、钢铁、航空与航天、建筑、船舶、机械、电子与电工、其它
激光毛化冷轧辊技术

激光毛化冷轧辊技术是八十年代在世界上才发展起来的生产优质冷轧薄钢板新技术。由于激光毛化技术在加工方法上、在提高成型性能和涂镀后光亮度以及综合生产成本方面都比其它毛化方法具有更大优越性，因此激光毛化技术一问世便受到钢铁企业和使用部门的高度重视，优质冷轧薄板和薄带不仅需要优良的材质，而且对薄板表面质量（如表面粗糙度和形貌）有严格的要求，才能确保薄板优良的成形性能和表面涂镀性能。激光毛化汽车板由于涂漆后反射映像光泽度高，在国外被称为“镜面钢板”，是生产高级轿车面板的优质板材。因此，激光毛化冷轧薄板（带）是汽车、家电、电子和轻工业生产需求的重要原材料。

激光毛化技术基本原理

其特点是利用经过特殊调制的高能量密度（104~106W/cm2）、高重复频率（每秒数千至上万）的脉冲激光束在聚焦后入射到轧辊表面实施预热和强化，在聚焦点处轧辊表面形成微小溶池，同时由侧吹装置对微小溶池施以设定压力、流量、方向的辅助气体，使溶池中的溶融物按指定要求尽量堆积到溶池边缘形成圆弧形凸台。这些预热区、微坑、凸台在轧辊自导热的作用下迅速冷却形成硬度强化区。然后在薄板轧制或平整过程中，轧辊表面上的凸台在板面上再形成若干变形硬化质点（微坑），以形成激光毛化板。这种新型表面结构是在不降低原材质表面韧性的情况下，由无数微小均布的强化点对表面实行针轧，从而在辊、板表面实现刚柔并济的表面结构。这种表面结构的优点主要表现在以下方面：

1) 激光毛化在轧辊表面形成均匀分布的圆弧形凸台，其硬度、强度都明显高于其它毛化方式。并能有效的避免轧辊残余应力集中、韧性降低等现象，延长轧辊使用寿命。

2) 在轧制过程中，改善辊与板间摩擦（增加摩擦力）和接触条件以有利于轧制工艺顺利进行（可增大轧机压下量和轧制速度），减少擦伤和粘连，改善板型，提高板面质量。

3) 在板材成型过程中，板面微坑有储油和冷却作用，改善板与磨具间的摩擦和接触条件（减小摩擦、增加润滑），以利于材料流动，使成型工艺易于进行。同时，板面微坑可容纳成型过程中产生的金属屑，减少成型表明划伤，提高工件质量。可增强板面对涂层的附着力和提高成形件表面涂漆光亮度，增加产品的附加值。

激光表面热处理技术简介

激光热处理是快速表面局部淬火工艺的一种高新技术。这种方法主要用于强化零件的表面，可以提高金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能；同时可使零件心部仍保持较好的韧性，使零件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。运用激光热处理技术可以大幅度提高产品质量，成倍延长产品的使用寿命，具有显著的经济效益，已广泛应用于汽车、冶金、军工、船舶、石化、模具、轻工等行业。

激光与材料相互作用的物理过程中会发生的几个效应：

能量转换效应
物态变化效应
表面效应
内部效应
激光热处理技术的分类：

激光淬火（相变）技术
激光熔凝技术
激光合金化技术
激光熔覆技术
它们共同的理论基础是激光与材料相互作用的规律。四种工艺各自的特点主要是作用于材料上的激光能量密度不同，时间不同及不同成份的合金粉末。

激光（相变）淬火和激光熔凝淬火

激光（相变）淬火技术是利用聚焦后的激光束入射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使受热表层快速冷却到马氏体相变点以下，进而实现工件的表面相变硬化。激光淬火原理与感应淬火、火焰淬火技术相同。但是其技术特点是，所使用的能量密度更高，加热速度更快，不需要淬火介质，工件变形小，加热层深度和加热轨迹易于控制，易于实现自动化，因此可以在很多工业领域中逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。激光淬火可以使工件表层0.1～2.0mm范围内的组织结构和性能发生明显变化。

激光熔凝淬火则是采用激光熔融金属表面，激光束移开后，熔融的金属直接从液态淬硬为固态，形成表面硬化层的工艺。由于激光熔凝淬火允许金属表面熔化，实际操作时可以使用比激光淬火更加高的功率密度和更加慢的扫描速度，因此激光熔凝淬硬层深度比前者更深。

在激光输出功率为3.5kw时，大型轧辊表面激光熔凝淬火的最大淬硬层深度可以达到 2毫米以上。激光熔凝淬火的不足之处在于，激光加工后的表面粗糙度有所降低，其降低的幅度取决于激光加工的工艺参数，而激光表面淬火可以基本保持工件表面粗糙度不变。

激光淬火与熔凝处理的共同特点是，不需要改变材料的成分，主要利用轧辊材料自身的特性，发生马氏体相变来强化轧辊表面。进行激光淬火与熔凝淬火前，需要预先涂覆一层吸光涂料来增强轧辊表面对激光的吸收率。对于激光熔凝处理来说，所使用的涂料还应该起到使激光熔池流平与造渣的作用。因此，涂料的配方对于激光工艺的顺利实施以及硬面层组织与性能的影响至关重要。华工激光经过多年的探索，研究开发出激光淬火与熔凝淬火的系列吸光涂料，使各类材质激光淬火时淬硬层分布均匀。特别是激光熔凝淬火涂料中，添加有吸光及熔池流平的物质，熔凝淬火后淬硬层光滑、平整，只要少量加工，就可以获得平整的表面。因此，特别适合各种轧辊的激光表面强化处理。

应用案例－华工激光生产的双悬臂多功能数控激光加工机床

该激光加工机床可以满足冶金行业各种型号轧辊（包括带钢轧辊、型材轧辊、棒线材轧辊等）不同部位的表面强化与修复处理。还可以满足剪刃、圆盘锯、导位等易损件零件的表面强化与修复要求。

激光熔覆与合金化

激光熔覆技术是采用激光束在选定工件表面熔覆一层特殊性能的材料, 以改善工件表面性能的工艺。与传统的喷焊或者堆焊工艺相比，激光熔覆技术具有如下优点：

（1）激光束的能量密度高，只要注入较少的能量就可以完成激光熔覆。零件热影响区小，变形小，因此适合强化或者修复一些高精度零件或者对变形要求严格的零件，如精轧辊的表面强化处理。

（2）激光熔覆层稀释率低，且可以精确控制，熔覆层的成分与性能主要取决于熔覆材料的成分。因此，可以采用各种性能优良的材料对基材表面进行改性。特别是可以采用激光熔覆技术修复一些常规堆焊工艺无法实现的工件，如涡轮发动机叶片、轧辊的主轴、电机主轴等。

（3）激光熔覆层组织致密，微观缺陷少，熔覆层与基材为冶金结合，强度高，因此可以用于一些重载条件下零件的表面强化与修复，如大型轧辊、大型齿轮、大型曲轴等零件的表面强化与修复。

（4）激光熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控制，设计专门的导光系统，可对深孔、内孔、凹槽、盲孔等部位激光处理，采用一些特殊的导光系统如宽带扫描系统，可以使单道激光熔覆层宽度达到 20 ~30 mm，每次熔覆的最大厚度可达 3mm 以上。通过多道搭接可以实现工件表面的大面积和大厚度激光熔覆，满足不同形状、尺寸的轧辊等典型易损件的激光表面强化与修复的要求。

激光熔覆工艺依据材料的添加方式不同，分为预置涂层法和同步送料法。一般通过添加合金粉末完成激光熔覆。激光表面合金化与激光熔覆工艺过程类似，也是通过添加合金元素改变工件表面的成分、组织与性能。但激光表面合金化与激光熔覆工艺的最大差别在于，前者添加的合金元素与基材充分混合，两者一起共同决定表面层的性能。而激光熔覆则主要利用所添加合金粉末的性能，基材对表面合金化层性能的贡献很小。对于冶金行业轧辊、导位、输送辊、夹送辊、剪刃等大量易损件来说，激光熔覆与合金化技术的最大好处是，将轧辊的整体合金化变成表面合金化或者熔覆，使轧辊等易损件的使用寿命大幅度提高的同时，生产成本增加有限。显然，合金粉末的设计、选择与使用正确与否是该项技术能否成功的关键。

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。其原理是将高强度的激光辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。由于其独特的优点，已成功地应用于微、小型零件的精密焊接中。高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域，获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的应用。

与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：

激光焊接速度快、深度大、变形小。
能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。
激光聚焦后，功率密度高，在用高功率激光器焊接工件时，深宽比可达 5:1, 最高可达 10:1。
可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。例如，金刚石锯片，用激光将基材（65Mn）和高强超硬的人造金钢石焊接，使这种锯片寿命、价值倍增。

可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中。例如，集成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装、手机电池的封焊等由于采用了激光焊，不仅生产效率大大提高，且热影响区小，焊点无污染，大大提高了焊接的质量。
可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广与应用。
激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。
目前我国钢铁行业处于主导地位得典型冷轧工艺路线是：转炉冶炼－炉外精炼－初轧开坯－热连轧－酸洗－冷轧－退火－平整－镀锌（锡）－成产品。在此典型的冷轧工艺中，带材焊接设备必不可少。在运行过程中，先行钢带与后行钢带必需进行焊接，才能保证生产线的连续作业。硅钢板带在线运行时，需经多次“S”型弯曲变形和承受一定的运行张力，从而对焊缝的性能和质量有很高要求。

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