激光熔覆

　　是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置所选择的的涂层材料，利用高能密度激光束辐射使之与基体表面一薄层同时快速熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并于基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性的工艺方法，达到表面改性或修复的目的。

① 冷却速度快（高达106℃/s），组织具有快速凝固的典型特征，如非稳相、非晶态等；

② 热输入和畸变较小，涂层稀释率低（一般小于5%），与基体呈冶金结合；

③ 粉末选择几乎没有限制，特别是低熔点金属表面熔覆高熔点合金；

④ 能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性价比；

⑤ 光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆；

⑥ 工艺过程易于实现自动化。

激光表面合金化

　　是利用高密度的激光束熔化基体表面预置的涂层和部分基体，或者在表面熔化的同时注入某些粉末，膜层或表面在熔池中液态混合后发生快速凝固，在以基体作为溶剂，合金化元素为溶质基础上形成一层浓度相当高且相当均匀的合金层，从而使基体金属表面具有所要求的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等特殊力学、物理和化学特性。

①　节约贵重金属材料和战略材料，使廉价基体材料得到广泛应用，从而降低生产成本；

②　与常规热处理相比，激光表面合金化能够进行局部处理；

③　工件变形小，冷却速度快，工作效率高、合金元素消耗少，无需淬火介质

④　清洁无污染，易于实现自动化

 概念

　　利用激光辐照将技术表面加热到熔点温度以上并在表面形成熔池，在激光束移走后由于熔体快速凝固导致表面层组织和性能变化的一种工艺。

 激光冲击强化

　　不同于一般的激光加工，不是利用激光产生的热效应，而是利用激光诱导等离子体冲击波产生的力学效应来改善材料表面组织和性能的。

①　激光冲击强化能有效地保护被处理试样表面；

②　激光冲击强化处理具有可叠加性；

③　激光冲击强化可获得特别高的冲击力，产生很深的强化层；

④　激光冲击强化可在室温、空气条件下进行，工艺过程清洁、无污染，是一种绿色、环保的表面强化方法，并且处理后试样表面的光洁度较高，特别适合对表面质量要求较高的试样进行局部强化处理；

⑤　激光便于聚焦和传播，激光冲击加工柔性更好，在常规方法无法进入的局部表面或不规则复杂空间的强化处理方面，具有明显的优势，而且激光冲击强化的控制参数较少（激光功率密度、激光光斑尺寸、激光脉冲持续时间），易于精确定位和控制，便于实现自动化生产；

⑥　与传统机械喷丸相比，激光冲击处理获得的材料表面残余应力深度可达1 mm，约为机械喷丸的2~5倍，而其加工硬化程度明显低于机械喷丸处理；同时可保留较好的表面形貌，激光冲击处理后的表面不平度明显低于机械喷丸处理；

 特点

①　超高压，冲击波峰压达到数万个大气压；

②　超快，塑性变形时间仅仅几十ns；

③　超高应变率，达到107s-1，比机械喷丸强化高万倍。

1 导言

随着在我国环境保护法规要求越来越严格、人们环保和安全意识日益增强，传统清洗工业的诸多缺点越来越明显。而激光清洗具有更清洁、非接触、高效灵活和适用于各种材质的物体等清洗特点，被认为是最可靠、最有效的解决办法。

各类金属表面与其周围介质发生化学或电化学反应，使金属遭到腐蚀破坏。金属腐蚀是一种资源浪费，其程度是非常惊人的。各种金属的腐蚀中，以铁的腐蚀最为严重，世界上每年因腐蚀造成的钢铁损失占钢铁总量的1／5～1／4。目前国内外对激光清洗锈蚀方面的研究较多。自激光器发明后，激光清洗设想就被提出，近年来，国内也陆续开展了有关激光除锈的研究工作，并取得了有益的进展。干式激光清洗的效率低于湿式清洗，但由于湿式清洗引入液膜，进而造成工艺的稳定性较低，工业应用不够灵活，如处理不当，会造成二次腐蚀等因素，干式激光清洗的研究对于工业化推广而言更为重要。

本文从材料与激光耦合作用角度出发，探讨激光清洗工艺对碳钢板锈蚀去除的影响，进而指导实践，同时为清洗用激光器的发展方向进行有益探索。

2 激光清洗锈蚀机理

从金属锈蚀清洗的角度考虑，修饰层与基体属于同质层，膜层材料中含有基底层元素、或者是基底层的派生物，即各种腐蚀产物或衰变产物。使用激光方式进行去除，其主要清洗机制为气化机制，在激光能量密度达到锈蚀层的烧蚀阈值后实现清洗作用。具体去除方式分为直接气化和反冲压力两种。

钢铁在大气环境中生成的铁锈属缝隙腐蚀，在钢铁基体表面形成一层疏松多孔的氧化皮，无法起到封闭保护作用。水、氧气及其它气体的渗入，使基体不断被锈蚀。然而基于钢铁锈层的这种特点，为激光去除锈蚀创造了便利。

本质上金属材料锈蚀激光清洗属于物理去除，主要是通过锈层汽化、锈层与基体存在温度梯度诱导界面处产生热应力、锈层间隙的气相或液相受热产生膨胀力[lasercleaning]等共同作用下，汽化分解和间隙相膨胀破裂交替进行，锈层厚度逐渐减小，最终实现清除锈蚀效果。

3 实验过程

3.1 样品准备

3.2设备准备

（1）创鑫激光100W脉冲光纤激光器

（2）创鑫激光手持式激光清洗机

3.3光斑尺寸测试

参数：8000mm/s，100%功率，频率：65KHZ，填充间距2mm，光斑测试基材：镜面不锈钢，采用二次元设备进行测量。

3.4 实验方案

从激光与材料耦合作用的本质角度出发，可能影响锈蚀清洗效率及效果的因素有：功率密度（能量密度）、光斑大小、光强分布、光斑重叠率、脉冲宽度（单脉冲作用时间），脉冲波形。

针对上述激光清洗机，脉冲宽度、脉冲波形及光强分布均已固定，所以主要从功率密度（能量密度）、光斑大小，光斑重叠率方面进行实验测试，研究各种因素如何影响脉冲激光清洗锈蚀的清洗效率及清洗效果。

4 实验结果

4.1 功率密度对清洗的影响

固定参数

实验结果

峰值功率

—输出平均功率（W）；

—脉冲宽度（ns）；

—脉冲频率（KHz）；

根据光斑尺寸测试，F=254下聚焦光斑尺寸0.085mm，F=330下聚焦光斑尺寸0.1mm。

功率密度

总结：

清洗效率

1)随着功率密度提高，锈层清除所需清洗次数（时间）近乎成比例下降，当功率密度达到某一阀值（约1.4E+08 w/cm2）时，功率密度继续提高，清洗效率不再提升；

2)该测试表明，功率密度为4.5E+07 w/cm2，六次清洗不能使锈层清洗干净，继续清洗，对于该厚度锈层，可粗略认为该功率密度附近为锈层清洗阀值下限；

清洗效果

1) 场镜F=254下清洗条纹较场镜F=330明显，这是由于场镜F=254焦点大小为0.085mm，小于设定填充间隙0.1mm造成的；

2) 实验表明：在锈蚀清洗干净的基础上，不损伤基材的功率密度范围约为7.5E+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2。

光斑大小对清洗的影响

固定参数

实验结果

总结：

1) 排除光斑重叠率与功率密度影响，可见光斑尺寸与清洗次数无关；保持功率密度及光斑重叠率不变，光斑尺寸越大，即可提通过升扫描速度及填充间距，进而提升清洗效率；

2) 随着光斑尺寸变大，清洗效率线性提高，锈蚀残留量越来越少，基材氧化越来越轻。小光斑时，一方面可能是基材表面熔化，局部锈蚀层融入基材；另一方面慢速下基材温度上升较高，即基材与锈蚀层温度梯度减小，进而在基材与锈蚀层分界面处热膨胀应力减小，去除能力变弱。以上两方面综合导致清洗能力下降；

4.3 光斑重叠率对清洗的影响

固定参数

实验结果

总结：

1) 采用场镜F=163时，由于光斑直径为0.063mm，填充间距为0.1mm，所以底纹条纹状显著；场镜F=330时，光斑直径等于填充间距，故底纹条纹状不明显；

2) 光斑重叠率较低时，由于扫描区域存在小块未清洗区域（出现点状底纹），进而出现锈蚀层残留；重叠率较高时，由于光脉冲的累计热效应，基材出现氧化发黄；

3) 实验表明锈蚀清洗干净，且基材不出现明显氧化的重叠率范围约为：20%~50%(理论计算圆形光斑覆盖清洗区域的最小重叠率为25%)。在足够的功率密度时，综合清洗效果及效率，工艺设置时应使光斑重叠率＞20%即可。

5 结论

1)随着功率密度提高，锈层清除效率成比例提高，当功率密度达到某一阀值（约1.4E+08 w/cm2）时，功率密度继续提高，在锈蚀清洗干净的基础上，不损伤基材的功率密度范围约为7.5E+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2。；

3)在功率密度、光斑重叠率确定时，清洗光斑尺寸与清洗次数无关，即单次去除厚度不变；光斑尺寸越大，即可提通过升扫描速度及填充间距，一方面提升清洗效率，另一方面，清洗速度提升使基材热累积降低，基材表面氧化情况得到改善，去除能力变强；

4)实际进行清洗时，应根据清洗光斑大小，合理确定填充间距，避免清洗后底纹不平整情况出现；

5)光斑重叠率较低时，由于扫描区域存在小块未清洗区域（出现点状底纹），进而出现锈蚀层残留；重叠率较高时，由于光脉冲的累计热效应，基材出现氧化发黄；

实验表明锈蚀清洗干净，且基材不出现明显氧化的重叠率范围约为：20%~50%（理论计算圆形光斑覆盖清洗区域的最小重叠率为25%）。在功率密度合适时，综合清洗效果、效率因素，制定清洗工艺时，应使光斑重叠率＞20%即可。

                                      来源：创鑫激光

        激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，它占整个激光加工业的70%以上。激光切割是当前世界上先进的切割工艺，由于它具备精密制造、柔性切割、异型加工、一次成形、速度快、效率高等优点，所以在工业生产中解决了许多常规方法无法解决的难题，激光能切割大多数金属材料和非金属材料。

    激光切割技术的应用

    1、工艺礼品
    可以在木、竹、大理石、有机板、双色板、皮革等材料上雕刻各种精美图案和文字，制作工艺品、纪念品。

    2、建筑模型制作行业

    雕刻/切割模型的墙面、门窗、屋顶、地面、植被等。
    3、标识、标牌、奖牌
    可以在双色板、木制品、镀膜金属等多种材料上雕刻/切割，对不同灰度级的背景图案自动产生不同的“漏色”效果，特别适合于着色或涂漆，应用非常广泛。
    4、服装加工
    可以在皮革、服装加工业中进行任何复杂图案的刻花、切割、雕刻、镂空；电脑绣花裁剪。
    5、木材、家具
    可在各种竹、木、家具上进行图案、文字的雕刻等。
    6、有机玻璃切割
    使用有机玻璃材料做切割，边缘光滑无需再次抛光。
    7、影像雕刻
    独具精细的图文雕刻和影像雕刻本领，同类产品无与伦比。 可以在竹木制品、亚克力、皮革、大理石、水晶等等材料上雕刻逼真的照片。
    8、球面、圆柱体雕刻
    可以在球面、圆柱体上进行360度旋转雕刻，满足您个性化的需求
    9、其他行业
    印刷包装、装潢、电子、电器、塑料制品、食品医药等行业所需的雕刻、标记等。

    激光切割技术的优点
    1、精度高:定位精度0.05mm，重复定位精度0.02mm。
    2、切缝窄:激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度，材料很陕加热至气化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切口宽度一般为0.10-0.20ram。
    3、切割面光滑:切割面无毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ral2.5；A内。
    4、速度快:切割速度可达lOm/min，最大定位速度可达70m/m/n，比线切割的速度快很多。
    5、切割质量好:无接触切割，切边受热影响很小，基本没有工件热变形，完全避免材料冲剪时形成的塌边，切缝一般不需要二次加工。
    6、不损伤工件:激光切割头不会与材料表面相接触，保证不划伤工件。
    7、不受被切材料的硬度影响:激光可以对钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等进行加工，不管什么样的硬度，都可以进行无变形切割。
    8、不受工件外形的影响:激光加工柔性好，可以加工任意图形，可以切割管材及其他异型材。
    9、可以对非金属进行切割加工:如塑料、木材、PVC、皮革、纺织品和有机玻璃等。
    10、节约模具投资:激光加工不需模具，没有模具消耗，无须修理模具，节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本，尤其适合大件产品的加工。
    11、节省材料:采用电脑编程，可以把不同外形的产品进行整张板材料套裁，最大限度地提高材料的利用率。
    12、缩短了新产品制造周期:新产品试制，数量小，结构不确定、随时会改动，根本不能出模具，激光切割机大大缩短了新产品制造周期，减少了模具投入。

    激光切割技术的原理      
    1、在激光束能量作用下（氧助切割机制下，还要加上喷氧气与到达燃点的金属 发生放热反应放出的热量），材料表面被迅速（ms范围）加热到几千乃至上万度（℃）而熔化或汽化，随着汽化物逸出和熔融物体被辅助高压气体（氧气或氮气等惰性气体）吹走，切缝便产生了。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。   
    2、激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的。   
    3、该技术采用激光束照射到钢板表面时释放的能量来使不锈钢熔化并蒸发。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率为500～2500瓦。该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率还低，但是，通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中能够进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。此外，由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，所造成的变形很小或没有变形。利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。 
    4、激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展，目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料，成形复杂零件大批量的采用冲压，单件的采用振动剪。七十年代后，为了改善和提高火焰切割的切口质量，又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期，又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点，在工业生产中有一定的适用范围。

    激光切割技术的发展方向
    1、伴随着激光器向大功率发展以及采用高性能的CNC及伺服系统，使用高功率的激光切割可获得高的加工速度，同时减小热影响区和热畸变；所能够切割的材料板厚也格进一步地提高，高功率激光可以通过使用Q 开关或加载脉冲波，从而使低功率激光器产生出高功率激光。       
    2、根据激光切割工艺参数的影响情况，改进加工工艺，如：增加辅助气体对切割熔渣的吹力；加入造渣剂提高熔体的流动性；增加辅助能源，并改善能量之间的耦合；以及改用吸收率更高的激光切割。     
    3、激光切割将向高度自动化、智能化方向发展。将CAD/CAPP/CAM[4]以及人工智能运用于激光切割，研制出高度自动化的多功能激光加工系统。      
    4、根据加工速度自适应地控制激光功率和激光模式或建立工艺数据库和专家自适应控制系统使得激光切割整机性能普遍提高。以数据库为系统核心，面向通用化CAPP开发工具，对激光切割工艺设计所涉及的各类数据进行分析，建立相适应的数据库结构。      
    5、向多功能的激光加工中心发展，将激光切割、激光焊接以及热处理等各道工序后的质量反馈集成在一起，充分发挥激光加工的整体优势。     
    6、随着Internet和WEB技术的发展，建立基于WEB的网络数据库，采用模糊推理机制和人工神经网络来自动确定激光切割工艺参数，并且能够远程异地访问和控别激光切割过程成了不可避免的趋势。     
    7、三维高精度大型数控激光切割机及其切割工艺技术，为了满足汽车和航空等工业的立体工件切割的需要，三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向民展，激光切割机器人的应用范围将会愈来愈大。激光切割正向着激光切割单元FMC、无人化和自动化方向发展。

     激光切割技术清洁、安全、无污染，大大改善了操作人员的工作环境，当然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超过电加工；就切割厚度而言难以达到火焰和等离子切割的水平。但是就以上显著的优点足以证明：CO2激光切割已经和正在取代一部分传统的切割工艺方法，特别是各种非金属材料的切割。它是发展迅速，应用日益广泛的一种先进加工方法。

        金属激光切割机作为高效的钣金加工工具，已广泛的运用在各行业当中。但不少人在选购或使用金属激光切割机时，却并清楚怎样判断激光切割机的加工质量，从而选购高质量的金属激光切割机产品。

        粗糙度
        金属激光切割机是一种高质高效的加工工具，激光束作用在金属板材上时，会形成垂直的纹路，纹路越深则断面表面越粗糙。在切割机功率与板材厚度相匹配的情况下，金属激光切割机切割的断面光滑、无条纹、没有脆性断裂。粗糙度不仅影响边缘的外观，还影响摩擦特性。大多数情况下，粗糙度越低，切割质量就越高。

        垂直度

        对于大功率金属激光切割而言，当加工材料的厚度超过10mm，切割边缘的垂直度非常的重要。远离焦点时，激光束变得发散，根据焦点的位置，切割朝着顶部或者底部变宽。切割边缘偏离垂直线百分之几毫米，边缘越垂直，切割质量越高。

        切割宽度
        一般来说切割宽度不影响切割质量，但在部件内部形成特别精密的轮廓时，切割宽度决定了轮廓的最小内径，当板材厚度增加时，切割宽度也随之增加。所以想要保证同等高精度，不管切口宽度多大，工件在激光切割机的加工区域应该是恒定的。

        毛刺

        在金属激光切割机加工过程中，激光束照射工件表面产生的高能量，使工件表面迅速汽化，并且蒸发，并由辅助气体吹掉工件表面的熔渣。如果不使用辅助气体的话，熔渣冷却后，就会形成毛刺附在切割面上。因为毛刺的去除需要额外的工作量，通过观察毛刺数量能直观判断切割的质量。

        随着激光技术的发展和市场需求的扩大，激光切割技术在金属加工领域得到了越来越广泛的应用，各大厂商纷纷推出金属激光切割机，抢占金属切割大市场。
        各个加工站在拥有更多选择的同时也面临着更多的疑虑：金属激光切割机要怎么选择才能满足需求，同时又做到高性价比、售后有保障呢？毕竟，中高功率金属激光切割机动辄几十上百万，价格昂贵，事先做好功课谨慎选择，购买时才更加安心。

        ➤ 看自身需求
        金属激光切割机说到底是一种工具，选择最适合自己的，使用起来才更加顺畅。
        市场上现有的金属激光切割机功率跨度较大，从1000W到10000W不等，不同功率的金属激光切割机不仅价格差距较大，切割厚度也是千差万别。10000W金属激光切割机最大可切割40mm厚的不锈钢板，而1000W金属激光切割机不锈钢最大厚度约为5mm。
        同时金属激光切割机的幅面也是考虑因素之一，3m*1.5m、4m*2m、6m*2.2m等较为常见，各大厂家也可根据需求定制加工幅面，幅面越大相应的设备价格也会有所提升。
        因此在选购金属激光切割机时，需要依据自身需求：加工金属材质、厚度、幅面等，综合考虑选择合适的机型。

        ➤ 看实际效果
        因加工件的实际情况不同，金属激光切割机实际切割厚度、速度、效果等，往往与厂家宣传存在一些差异，因此提前联系厂家做样，对比实际加工效果是金属激光切割机选购前不可或缺的一环。目前大部分金属激光切割机厂家可提供免费打样服务。

        ➤ 看厂家口碑
        近年来，我国金属激光切割机的应用范围不断扩大，不少人看中其中商机，在没有技术积累也没有应用经验的情况下，生产金属激光切割机，企图从中分一杯羹。造成金属激光切割机市场鱼龙混杂，普通客户很难分辨真伪。
        像金属激光切割机这样大型的加工设备，厂家生产资质和经验，直接影响到设备的质量，及设备的售后服务品质，选择一家应用经验丰富、行业口碑好、技术水平过硬的金属激光切割机生产厂家，无疑是重中之重。

        评价一台金属激光切割机好坏的标准众多，在金属激光切割机选购过程中需要考虑的因素也纷繁复杂，希望大家能够擦亮眼睛，理性选择最适合自己的金属激光切割机。