“改头换面”利器，4种典型的激光表面改性技术分析

文 | 宋新港，代向红，梁栋

武汉武钢华工激光大型装备有限公司

引言

激光表面改性技术利用高能量密度的激光束对零部件局部易损易耗区域进行快速处理，获得材料表面所需性能，进而大幅延长零部件使用寿命，已在航空航天、石油化工、能源、交通、冶金等领域获得应用。本文针对光纤激光器在激光熔覆、激光淬火、激光毛化、激光清洗等4种典型的激光表面改性技术上相应的技术特点及应用现状，凝练我国相关技术领域面临的差距与问题，总结激光表面改性技术的重点发展方向[1]。

光纤激光熔覆技术及应用

激光熔覆修复技术指采用激光束熔化涂层材料及薄层基材材料，待快速凝固后形成稀释度极低、成分与涂层大体一致的熔覆层的工艺方法。这一技术是通过对一系列设备进行集成控制实现的[2]。

光纤激光熔覆装备

光纤激光熔覆设备以高功率光纤激光器为核心，并配上熔覆头、冷水机、送粉机、运动控制系统等关键功能单元。高功率光纤激光器提供高能量的激光热源，决定着整套设备的熔覆性能。熔覆头用于输出激光和粉末，也在一定程度上决定了熔覆的效果；水冷机保障了激光器和激光熔覆头的稳定运行；送粉机为激光熔覆提供连续不断的原材料；运动控制系统（如滑轨或机器人、旋转台）用于控制熔覆头和待加工的零部件，决定了加工精度。

光纤激光器具有最好的光束质量，对钢材有最高的吸收率，具有最好的输出模式，稳定性好，以及高的光电转化率免维护和适于柔性加工等优点。选用光纤激光器作为激光熔覆设备的核心部件，熔覆效果更好，激光熔覆层质量更优，宏观上熔覆道形状统一，表面更平整，裂纹、气孔更少；微观上，更有利于形成良好的组织，更容易达到所要求提供的性能。

武钢华工激光针对光纤激光熔覆推出了JKR数控系列和RRW机器人柔性系列激光熔覆设备产品。JKR数控系列激光熔覆设备产品特点如下：

（1）高性价比：整机结构精简，综合维护成本更低；

（2）高效率：定制宽带激光熔覆头，加工效率更高；激光位置精准可控，温度反馈可控；

（3）可控性好：模块化设计，数据实时监测，

（4）质量稳定可靠：熔爱层致密度高、无缺陷、表面平整、机加工量小，硬度HRC42-60可调，耐蚀。

JKR数控系列激光熔覆设备应用领域：作为煤机、工程机械行业零部件激光再制造 ( 超高速激光熔覆、常规激光熔覆、内孔/深孔激光熔覆 )、修复加工专用设备，适用于大批量生产。如液压立柱、油缸、减速机类、破碎机类、刮板机等（如图 1）。

图1 激光熔覆（液压支架、液压立柱、大齿轮、大型模具）

RRW 机器人柔性系列激光熔覆设备产品特点如下：

（1）功能大 : 同一台设备可同时完成激光熔覆/修复、激光3D打印以及激光淬火/强化等，适用于各类零部件激光加工，应用范围广；

（2）多结构形式 : 可定制多功能通用结构、可移动现场服务结构和封闭式结构等，适用于不同的加工环境和工况；

(3) 定位精确 : 多轴联动柔性好，可进行任意局部加工（如图 2）。

图2 RRW机器人柔性系列激光熔覆设备

RRW 机器人柔性系列激光熔覆设备可用于钢铁冶金、煤机、汽车模具、能源化工、机械制造等行业的激光修复加工，如轧、齿轮、轴承、模具、油工内孔等激光熔覆；还能满足船舶、汽车、航空航天等复杂零件的研发与制造需求，如叶片、球阀、涡轮等。

光纤激光熔覆应用

在航空航天中，为了提高飞机发动机的效率，一般涡轮都是由多级叶片组成。当燃气对第一组叶片冲击后，会流向涡轮外围的导向器，导向下一级涡轮继续做工。长时间在高温的恶劣环境下工作，涡轮导向器叶片在使用过程中常常出现裂纹、变形等故障，最终烧蚀或断裂，从而导致叶片失效。如何对涡轮导向器叶片进行同质同尺寸修复，延长涡轮导向器叶片的使用寿命变得尤为重要。

由于工作叶片在发动机工作时要承受很大的拉应力和振动应力，会产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。腐蚀是飞机发动机叶片主要的表面失效形式。表面腐蚀的发生会使叶片的形状尺寸产生变化，如出现蚀点、蚀沟、掉块等，从而降低发动机性能和使用寿命[3-6]，如图 3 所示。

图3 激光熔覆（涡轮导向器叶片、飞机发动机叶片）

通过激光熔覆，可在涡轮导向器叶片和飞机发动机叶片受损部位形成合金熔覆层，待机械加工之后，可类同质、同性能恢复尺寸。通过熔覆修复技术，还可改善基材材料表面的耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化等性能，延长叶片的使用寿命[7]。

同时，用激光熔覆技术对铝合金表面进行强化是解决铝合金表面耐磨性差、易塑性变形等问题的有效方法。与其他表面强化方法相比，该方法强化层与铝基体之间具有冶金结合特点，结合强度高。熔覆层的厚度达到1~3 mm，组织非常细小，熔覆层的硬度高、耐磨性好，并具有较强的承载能力，从而避免了软基体与强化层之间应变不协调而产生裂纹。另外，在钛合金、铝合金表面熔覆高性能的陶瓷涂层，材料的耐磨性、耐高温性能等可以得到大幅度提高。

航空发动机叶片再制造市场巨大，叶片材料种类多，技术含量高。切割修复后，需要在修复材料、探伤技术、寿命评估等方面做大量工作，这样可以尽量避免花费巨资从国外购买新零件进行后期维护，前景巨大，未来可期。

光纤激光淬火技术及应用

激光淬火是利用激光将材料表面加热到相变点以上，随着材料自身冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化的淬火技术。激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，硬度高（一般比感应淬火高1-3HRC），工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于自动化，不需要像感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制，因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。

光纤激光淬火装备

武钢华工激光针对光纤激光淬火推出了RCW机器人柔性系列激光淬火设备，由机器人、激光加工头、高功率光纤激光器、冷水机等组成，如图4所示。采用高功率光纤激光器、高端工业机器人及控制系统，组成多轴联动的柔性激光加工系统。根据模具的形状及工艺需求，制定专用的机型。该设备可通过数模导入直接生成淬头轨迹，采用闭环方式精确控制淬火温度和质量。可对大幅度模具复杂曲面进行激光淬火、修复加工。

图4 RCW机器人柔性系列激光淬火设备

光纤激光淬火应用

模具行业被称为“工业之母”，因为它是制造业生产的基础装备，模具是材料成型的一个重要方式，是现代制造业必不可缺少的部分。随着我国现代化工业的快速发展，模具行业在其中有着巨大的作用，60%~80%的零部件都要依靠模具成形，但在高温高压的情况下工作，模具极易变形，严重影响生产产品的品质。

汽车模具是汽车零部件生产过程中重要的基础装备，但由于汽车零部件的生产过程非常恶劣，导致汽车模具出现变形，断裂等。如何提高模具的使用寿命，成为汽车模具亟待解决的问题。

武钢华工激光新型激光淬火技术是用高能激光在工件表面快速扫描，在工件表面极演的光斑大小的小区域内快速吸收能量，瞬间使其急剧达到高温，又瞬间完成低温淬火的高新技术。不但使汽车模具得到修复，且经过修复后的钢轨表面硬度、耐磨性、以及强度和高温性能得到显著提高，同时可使钢轨仍保持较好的韧性，使其具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的机械性能等特点，使用寿命较原零部件大幅度提高。

设备广泛应用于模具、机械制造、石油、化工、轻工、五金工具、汽车零部件等行业，典型工件有齿轮、瓦榜提、油管、螺纹、汽车模具、银片、导轨、缸套、重要军工产品（图 5）。

图5 激光淬火（汽车模具、齿圈）

光纤激光毛化技术及应用

随着汽车工业及家电业的快速发展，普通冷轧带钢已经无法满足上述领域对于冷轧薄板高质量的要求，市场对高质量表面毛化冷轧板的需求越来越大。激光毛化是新发展起来的冷轧钢辊毛化新技术。采用高能量、高重复频率的脉冲激光束聚焦在轧辊表面，形成微小熔池，在侧吹气体和离心力作用下形成微凸凹体，超快速冷却获得硬度极高的毛化点阵。使毛化辊表面硬度高、形貌可控、寿命长，提高轧机生产效率。利用随机信号，随机改变毛化点的形貌和排列，使其表面呈无序麻面结构。

光纤激光毛化装备

武钢华工激光针对光纤激光毛化推出了JGK83小型轧辊激光毛化设备，由光纤激光器、控制系统及数控轧辊机床组成（图 6）。可对轧辊进行激光无序毛化加工，使轧辊表面得到无序麻面，满足多种板面形貌需求。可替代传统的喷丸毛化、电火花毛化、其他激光有序毛化广泛应用于钢铁、铝业、钦板等行业，可满足冷轧辊毛化加工，平整机、光整机、轧机、连轧机后道轧辊等各种工作辊的毛化需求。

图6 JGK83小型轧辊激光毛化设备

光纤激光毛化应用

激光毛化轧辊具有比喷丸毛化钢辊更长的使用寿命，在轧板过程中能提高轧制速度，减少版面擦伤，改善版型，在板卷退火中防止粘连，能显著提高工厂的生产率和产品质量（图 7）。

图7 激光无序毛化轧辊表面放大（左50倍、右200倍）

在轧制中，由于毛化后的轧辐改变了辊与板之间的接触状态，由光面对光面转变成由毛面对光面，在轧制力的作用下摩擦系数明显提高，且毛化能使轧辊表面硬度升高，能明显提高轧辐的耐磨性。在置式炉退火中，由于轧辊毛化后轧制的卷板，板表面有无数的凸台、凹坑，使卷板内板与板之间的缝隙及摩擦力明显增大，从而改善了气体在板面与板面之间的流动状态。

在后续加工中，由于激光毛化轧辊轧制的板表面分布有许多均匀的互不相通的小凹坑，在后续机械加工中能形成一个个密密麻麻的小油池，十分有利于降低摩擦力、挤压力、拉伸力、剪切力。改善深冲性能。以铝板为例，毛化铝板表面的小凹坑互不连通，有利于用冲压成型时储油和捕捉金属碎屑，防止冲压划伤，保证冲压零件表面光整，同时减少冲压用油量。

MOPA 光纤激光清洗技术及应用

激光清洗是采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑、颗粒或涂层发生瞬间蒸发或膨胀剥离，从而达到洁净化的工艺过程。激光清洗更“绿色”不需使用任何化学药剂和清洗液，清洗下来的废料基本上都是固体粉末，体积小，易于存放，可回收，环境污染小，清洗效率高，节省时间。

光纤激光清洗装备

激光清洗设备由激光器、激光光学系统及控制系统组成（图 8）。能满足表面激光除油、激光除锈、激光除漆、激光除锌、激光除膜、除涂层等激光清洗工艺。武钢华工激光的手持式激光清洗、装甲式激光清洗以及激光清洗产线，可根据不同行业需求，个性化定制，满足不同生产需求，广泛应用在航空航天、模具、微电子、建筑、核电站、汽车制造、医疗、文物保护、军工、船舶、石油、交通等领域。

图8 中功率200~500 W激光清洗机

光纤激光清洗应用

传统清洗工业有各种各样的清洗方式，多是利用化学药剂和机械方法进行清洗。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的2020年以后，工业生产清洗中可以使用的化学药品种类将变得越来越少。如何寻找更清洁，且不具损伤性的清洗方式是我们不得不考虑的问题。而激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应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。同时，激光清洗可以解决采用传统清洗方式无法解决的问题（图 9）。

图9 激光清洗（发动机、火车轮、模具、坦克链）

未来展望

我国激光表面改性技术的研究历程相对较短，加之重应用、轻机理，使得这一方向的基础知识和理论研究不够深入透彻。目前，国内在高质量激光表面改性方面所采用的激光器多为进口产品，主要是进口激光器的工作可靠性和稳定性更好。一方面，进口产品的采购周期较长，往往对国内相关技术的发展和研究产生较大的影响。另一方面，激光芯片、激光器、激光头、控制软件等核心部件国产化水平相对较低，产业发展受制于人的现象没有消除。

面向未来，光纤激光表面改性将成为主流的制造技术，智能化、极端化和高性能化是发展趋势。突破高效率、高质量光纤激光发生器的国产化研制难题，构建光纤激光表面改性专用装备集成技术体系，加强批量生产能力并向产品化发展，将是支撑我国制造业高质量发展的重要挑战之一。

作者简介

宋新港，武汉武钢华工激光大型装备有限公司机械工程师，主要从事激光熔覆、淬火、毛化、清洗设备的设计及其加工工艺的研究；

代向红，武汉武钢华工激光大型装备有限公司总经理；

梁栋，武汉武钢华工激光大型装备有限公司技术部部长，从事激光表面处理及再制造设备和工艺的研究。

参考文献：

1. 张群莉，王梁，梅雪松，等.激光表面改性技术发展研究[J].中国工程科学，2020，22(3):71-77
2.钟敏霖，宁国庆，刘文今.激光熔覆快速制造金属零件研究与发展[J].激光技术，2002
3.徐国建，郭云强，李春光，等.飞机发动机叶片激光熔覆性能[J].焊接学报，2018，39(8):6

4.汪定江，夏成宝，王东锋，等.基于激光熔覆技术的航空发动机涡轮叶片裂纹修复新工艺[J].新技术新工艺，2010(8):3

5.姜伟，胡芳友，韩莉.激光熔覆技术在飞机叶片修复中的应用研究[J].新技术新工艺，2007(12):3

6.戴淑波.航空发动机叶片激光熔覆修复技术进展研究[C].中国航空学会.中国航空学会，2011

7.刘其斌，李绍杰.航空发动机叶片铸造缺陷激光熔覆修复的研究[J].金属热处理，2006，31(3):4