激光加工技术 (1)

第十二讲 激光加工技术(三),段 作 梁,电子工程学院光电子技术系,主 要 内 容,12.1 概述 12.2 激光切割 12.3 激光焊接 12.4 激光淬火 12.5 激光熔覆与激光合金化 12.6 激光微细加工,12.5 激光熔覆与激光合金化,一、激光熔覆,1、激光熔覆技术,激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是材料表面改性技术的一种 重要方法，它是利用高能激光束(104-106W/cm2)在金属表面辐照，通过 迅速熔化、扩展和迅速凝固，冷却速度通常达到102-104/s，在基材 表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，从而构成一种 新的复合材料，以弥补机体所缺少的高性能，这种复合材料能充分发 挥两者的优势，弥补相互间的不足。对于某些共晶合金，甚至能得到 非晶态表层，具有极好的抗腐蚀性能。,激光熔覆根据工件的工况要求，熔覆各种设计的成分的金属或者 非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁 特性的表面覆层。与工业中常用的堆焊、热喷涂和等离子喷焊等相比， 激光熔覆有着下列优点： 熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高； 涂层晶粒细小，结构致密，所以其硬度一般相对比较高，耐磨 损、耐腐蚀等性能也比较好； 由于激光作用时间短(ns级)，熔覆层稀释率低，基材的熔化量 比较小，对熔覆层的冲淡率相对低(常规为5%-8%)，因此可在熔覆层比 较薄的情况下，获得所要求的成分和性能，从而节约昂贵的覆层材料； 高达106/s的冷却速度使凝固组织细化，甚至产生新性能的 组织结构超弥散相、非晶相等； 激光熔覆过程易实现自动化生产，且覆层质量稳定。,通常激光重熔覆层工艺都希望得到如下结果：a）结合强度高，即要求界面处涂层与基体有良好的冶金结合；b）重熔层平整、缺陷少，即要求重熔层熊充分熔合、脱氧，变得 均匀密实；c）涂层不被基体稀释或仅有轻微的稀释，以保持涂层材料特有的 高强度或者说要求避免基体和涂层的混合。,2、激光熔覆材料,(一) 激光熔覆材料设计的一般原则(1) 激光熔覆材料与基材线膨胀系数的匹配激光熔覆层中产生开裂、裂纹的重要原因之一是熔覆合金与 基材之间的线膨胀系数的差异，所以在选择涂层材料时首先要考 虑涂层与基材在线膨胀系数上的匹配，考虑涂层与基材的线膨胀 系数差异对涂层的结合强度、抗热震性能，特别是抗开裂性能的 影响。目前，大多数研究都是根据激光熔覆层与基材线膨胀系数 的匹配原则进行熔覆材料的选择及成分设计的。传统的观点认为， 为防止涂层开裂和剥落，涂层和基材的线膨胀系数应满足同一性 原则，即二者应尽可能地接近，考虑到激光熔覆的工艺特点，基 材和涂层的加热和冷却过程不同步，熔覆层的线膨胀系数在一定 范围内越小，熔覆层对开裂越不敏感。,(2) 激光熔覆材料与基材熔点的匹配在激光熔覆技术中，需要对涂层材料关注的另一重要的热物 理性质是其熔点。熔覆合金与基体材料的熔点之间差异过大，形 成不了良好的冶金结合。(3) 激光熔覆材料对基材的润湿性除了考虑熔覆材料的热物理性能外，还应考虑其在激光快速 加热下的流动性、化学稳定性，硬化相质点与新结相金属的润湿 性以及高温快冷时的相变特性等。熔覆过程中，润湿性也是一个 重要的因素。特别是要获得满意的金属陶瓷涂层，必须保证金属 相和陶瓷相具有良好的润湿性。在提高润湿性方面，主要基于以 下原则：, 选择适宜的激光熔覆工艺参数，如提高熔覆温度，以降低 覆层金属液体的表面能。 改变基体的化学成分。最有效的方法是向基体中添加合金 元素，如在Cu/Al2O3体系中加入Ti提高相间润湿性，在基体中添加 活性元素Hf等也有利于提高基体与颗粒之间的润湿性。 改善陶瓷粒子的表面状态和结构，即对熔覆用陶瓷颗粒进 行表面处理，以提高其表面能。常用的处理方法有机械、物理和化 学清洗、电化学抛光和涂覆等。如在A1基复合材料中，用Ag浸润于 陶瓷表面形成胶状熔体而构成Ag涂层，而Ag与Al有很好的润湿性， 从而形成了Al与陶瓷间良好的润湿与结合。,(二) 熔覆材料的分类及特点激光熔覆采用的材料主要是热喷涂类材料和热喷焊类材料，这些 材料包括自熔性合金材料、碳化物弥散或者复合材料、陶瓷材料等， 这些材料具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，并通常以粉末的形式使用， 熔覆时采用火焰喷焊。(1) 自熔性合金材料自熔性合金材料按基体不同可分为镍基合金、钴基合金和铁基 合金。其主要特点是都含有硅和硼，所以具有自我脱氧和自我造渣 的性能，这就是所谓的自熔剂。自熔性合金材料原理是合金被重熔时，硅和硼分别形成Si02和 B202，并在熔覆层表面形成薄膜。这种薄膜一方面能防止合金中的 元素被氧化，另一方面又能与这些元素的氧化物形成硼化酸熔渣，,从而获得氧化物含量相对低、气孔率少的熔覆层。自熔性合金材料 的硬度与合金的含硼量和含碳量有关，硬度随着硼、碳含量的增加 而增高，这是因为硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成了硬度极高 的硼化物和碳化物。铁基合金适用于局部耐磨损且容易变形的零件。 铁基合金涂层的基材采用铸铁和低碳钢；镍基合金适合于局部耐磨、 耐热腐蚀的零件，所需要的激光功率密度也比熔覆铁基合金的高； 钴基合金涂层适合于要求耐磨耐腐蚀和抗疲劳的零件。自熔性合金 对基材有较大的适应性，可用于碳钢、合金钢、不锈钢以及铸铁等 多类材料。自熔性合金材料的粉末分类及其特点见下表。,(2) 复合粉末在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的Ni基、Co基、 Fe基自熔性合金己不能胜任使用要求，此时可在上述的自熔性合金粉 末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒， 制成了金属复合涂层。复合粉末包括自粘性复合粉末和碳化物复合粉末。它们按照结构 可以分为包覆型和非完全包覆型，其区别在于芯核粉末是否被包覆粉 末包住。包覆型由于芯核粉末受到包覆粉末的保护，可以避免在高温 时发生部分元素的氧化烧损、挥发等现象。按照功能分又可以分为硬 质耐磨复合粉末(如Co/WC，Ni/WC)、耐高温复合粉末、耐腐蚀抗氧化 复合粉末、减磨润滑复合粉末等。,自粘性复合粉末是指在热喷涂的过程中，粉末自己产生的放热反 应驱使涂层和基材表而形成良好结合的一类热喷涂材料。碳化物复合粉末是由碳化物硬质合金作为粘结相所组成的粉末体 系，包括(Co/Ni)/WC和(NiCr，NiCrAl)/Cr3C2等系列，这些材料具有 很高的硬度和良好的耐磨性，其中(Co/Ni)/WC适合于低温的工作条件， 而(NiCr,NiCrAl)/Cr3C2系列则适合于高温工作环境。(3) 氧化物陶瓷粉末氧化物陶瓷粉末具有良好的抗高温氧化相隔热、耐磨、耐腐蚀等 性能，是一种重要的热喷涂材料，包括氧化铝和氧化镍系列。其中氧 化镍陶瓷粉末比氧化铝陶瓷粉末具有更低的热传导性和更好的抗热震 性，所以主要被用作热保障层材料。,尽管激光熔覆金属陶瓷材料有着诸多优异的性能，受到人们的重视， 但在应用中存在的问题仍不容忽视。首先是陶瓷材料与基体金属的线膨 胀系数、弹性模量及热导率等性能差别较大，这些性能的不匹配，造成 了涂层中出现裂纹和孔洞等缺陷，在使用过程中将产生变形开裂、剥落 损坏等现象。其次，由于激光辐照时，激光熔池中形成的高温，基体熔体和颗粒 间的相互作用以及颗粒加人引起熔池中能量、动量和质量传输条件的改 变等，这些使涂层成分和组织发生不同程度的变化导致颗粒的部分溶解， 并进而影响基体的相组成，使原设计的复合涂层基体和增强体不能充分 发挥各自的优势，造成烧损。再者，激光熔覆金属陶瓷技术是通过外加陶瓷相的方法形成的颗粒 相，这给熔覆工艺带来了一定的难度，特别是当外加陶瓷相含量较高时， 就很难获得理想的熔覆层。除了激光工艺参数外，硬质陶瓷相和粘结金 属的类型是影响涂层组织与性能的重要因素。,为了解决上述问题，在选择陶瓷材料时可遵循如下原则： 选择陶瓷与金属间能够发生化学反应的陶瓷与金属材料； 可能生成的反应产物要与原金属或原陶瓷相间有较好的相容性， 即相似的晶体结构，相近的晶格常数等，且产物不能过大过多，最好以 复合材料的形式出现；尽可能减小陶瓷与基体金属材料的线膨胀系数和密度的差异，以 避免凝固后形成的固/固界面不匹配，从而降低裂纹形成的趋势；从固/液界面角度，要求预置的陶瓷涂层在熔化时对于基体具有 很好的润湿性和铺展性，也就是说，涂层的表面张力必须小于基体的临 界表面张力，涂层/基体界面并非单层几何面，面是多层的过渡区，这一界面区 可能由几个亚层组成，每一亚层的性质都与覆层材料、基材及工艺有关。 根据固态相变及化学键的理论，可在涂层中添加某些元索，使之对陶瓷 及基材产生良好的化学作用，在界面上形成共价键结合，提高界面强度。,3、激光熔覆工艺方法,1） 工艺方法分类根据合金供应方式的不同，激光熔覆可以分为两种： 合金同步法和合金前置法。,2）基材熔覆表面预处理为了去除基材熔覆部位的污垢和锈蚀。3）预热和后热处理其作用就是防止基材的热影响区发生马氏体相变从而导致熔覆层 产生裂纹，因此，适当减少基材与熔覆层之间的温差来减低熔覆层冷 缩产生的应力，增加熔层液相滞留时间能利于熔层内的气泡和造渣物 质的排除。实际生产过程中常采用预热的方法消除或减少熔覆层的裂 纹，特别是对于易于开裂的基材必须预热，在熔覆层裂纹倾向较小的 情况下，有时也采用预热减小熔覆应力和提高熔覆质量。预热的方法主要有火焰枪加热、感应加热和火炉内加热等，其中 前两种加热常用于基材表层一定范围内的预热，并可实现预热和激光 熔覆同步进行。,由于预热降低了表面的冷却速度，因此可能引起激光熔覆合全层 的硬度有所降低，但是对于一些合金(Ni合金等)，则可以通过后续热 处理恢复其硬度。激光熔覆后的后热处理是一种保温处理，可以用于消除和减少熔 覆层的残余应力；消除或减少熔覆产生的有害的热影响，并且可以防 止冷淬火的热影响区发生马氏体相变。后热处理通常采用火炉内加热保温，经过充分的保温后，随火炉 冷却或降到某一温度出炉空气冷却，包括加热温度、保温时间和冷却 方式都要视后热处理的目的、基材和熔覆层的特性而定。4）激光熔覆工艺过程因为激光熔覆工艺是一个复杂的物理、化学和冶金过程，也是 一种对裂纹特别敏感的工艺过程，其裂纹现象和行为牵涉到激光熔覆 的每一个因素，包括基材、合金粉末、前置方式、预涂厚度、送粉速 率、激光功率、扫描速率、光斑尺寸等多种因素各自和相互间的影响。,实践证明：合理选材以及最佳工艺参数配合是保证熔覆层质量的 重要因素。在激光熔覆工艺中还有单道、多道、单层、多层等多种形 式。单道单层工艺是最基本的工艺，多道和多层熔覆过程则会出现对 前一过程的回火软化和出现裂纹等问题；通过多道搭界和多层叠加， 可以实现宽度和厚度的增加。5）激光熔覆层的微观组织特征工艺参数对熔覆层尺寸和组织的影响。在常规功率密度(103- l06W/cm2)时进行激光熔覆时，可以在0.11s的时间内完成整个熔覆 过程，如此高的加热和冷却速度使得熔覆层的组织有许多特点。一般 来说，激光熔覆层的组织结构分为三个区域：熔化区、过渡区和热影 响区，在不同的合金成分以及工艺条件下的实际形态有一些差别。,4、激光熔覆防开裂对策,（1）裂纹产生的原因裂纹产生的原因很多，但主要还是与激光熔覆处理后材料内部在 较大的残余应力有关。其来源可分为两部分：热应力和相变应力。如 果基材与熔覆材料二者的热物理参数（如线膨胀系数、热导率等）差 别较大，在高能激光束的作用下，很容易导致热应力的产生。激光熔 覆层中的裂纹大多是由于在熔覆层内的局部热应力超过材料的屈服强 度极限产生的。另一方面，熔覆层的熔化和凝固过程，交界面处基材 的固态相变等都会发生体积变化，均会产生组织应力。当这两部风应 力综合作用结果表现为拉应力状态时，容易在气孔、夹杂物的尖端等 处形成应力集中，导致裂纹产生。,（2）抑制熔覆开裂的方法A调整应力状态，尽可能降低拉应力（1）适当降低熔覆层的线膨胀系数；（2）预热和熔覆后续处理。B优化工艺方法与参数（1）选择合适的粉末尺寸、形状以及使用复合包覆粉末；（2）选择合理的功率密度；（3）合理的扫描速度、粉粉速度；（4）采用复合粉末；（5）可设置过渡涂层（6）加入稀土元素，可净化与细化。C添加合金元素，提高抗开裂能力。,（1）合金化增加韧性相。对激光熔覆层通过添加某种或几种合金元素， 在满足其使用性能的基础上，增加其韧性相，提高覆层的韧性，对抑制其热 裂纹的产生是一种有效的方法。研究也表明：Fe基合金中加入Ni、Co能降低 合金熔覆层的开裂敏感性。这主要是Ni使熔覆层组织中韧性相 的含量增加， 同时熔覆层组织将由共晶组织想非共晶组织变化，而树枝状非共晶组织可以 降低激光熔覆层开裂敏感性。随着Ni含量的变化，熔覆层搭接区的结晶方向 发生了变化而导致裂纹走向与激光扫描方向的夹角减少，直至裂纹消失。然 而通过合金化提高熔覆层韧性来抑制熔覆层开裂，亦会有一些副作用，其中 最明显的是熔覆层的硬度下降，降低了熔覆层的使用性能。,（2）合金化改变组织状态。激光熔覆层热裂纹与焊接热裂纹有许多相似 之处。对于Ni、Cr不锈钢的焊接来说，已有一个较为传统的理论，那就是 将合金钢焊缝中单纯的 相，通过调制Cr、Ni含量，使焊缝组织中存在 + 两相有利于减少裂纹的产生。这主要是因为 相相对有害夹杂如P、 S有更大的固溶度，大大减少原来有害夹杂物P、S在晶界处的偏析，从而 减少由于夹杂偏析所造成的热裂纹倾向。其次是 相的分散存在可使 相 的枝晶发展收到限制，从而起到一定细化组织作用。,5、激光熔覆技术的应用,(1) 汽车制造业；(2) 航天航空业；(3) 石油工业；(4) 热能动力工业,激光熔覆的实际应用存在的问题： 激光处理设备的能量分布均匀性和稳定性以及配套装置尚未达 到工业生产应用的水平。激光熔覆处理要求大功率激光束的稳定性， 对光斑的能量均匀分布要求较高。 激光熔理当前存在的主要问题是熔覆层表面不平整，后续机加 工量较大，且合金层与基体的交界处易出现裂纹和孔洞等缺陷，给实际 应用带来很大的困难。 目前，激光处理系统的固定资产及维持费用相对常规的堆焊和 喷镀层来说比较昂贵，这就使得激光处理过的产品成本较高，这也是 激光熔覆处理还没有大规模地在油田上实际应用的主要原因之一。,综上所述，激光熔覆处理是一种快速凝固技术，它可以产生平衡 状态下所无法获得的优异组织和性能。对基材无限制，可根据使用性 能要求设计涂层的成分组成，在廉价钢材上可制备出性能优异的高合 金钢表层且与基体的结合强度高，是其他表面处理工艺所无法比拟的， 特别适合于油田上处于腐蚀、摩擦和磨损工况条件下常见易损件的表 面处理与修复。尽管目前还存在一些应用上的问题，但随着人们对其 理论和工艺研究的逐渐深入和趋于完善，相信在不久的将来定会在工 业中挖掘出它的巨大潜力和产生深远的影响。,二、激光合金化,1、激光合金化技术基础,（一） 激光合金化概述知识激光合金化(Laser Surface Alloying，LSA)是金属材料表面局部改性 处理的一种新方法，激光合金化工艺属于材料表面改性处理的范畴。它是指 在高能量激光束的照射下，使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金 元素同时快速熔化、混合，形成厚度为10-l000 um的表面熔化层，熔化层在 凝固时获得的冷却速度可达l05-108s，相当于急冷淬火技术所能达到的 冷却速度，又由于熔化层液体内存在着扩散作用和表面张力效应等物理现象， 使材料表面仅仅在报短时间内(50us-2ms)形成具有要求深度和化学成分的表 面合金化层，快速熔化非平衡过程可使合金元素在凝固后的组织达到很高的 过饱和度，从而形成普通合金化方法不容易得到的化合物、介稳相和新相， 还能在合化元素消耗量很低的倩况下获得具有特殊性能的表面合金。这种合 金化层由于具有高于基材的某些性能，所以就达到了表而改性处理的目的。,激光表面合金化工艺的最大特点，是只在熔化区和很小的影 响区内发生了成分、组织和性能的变化，对基体的热效应可减少 到最低限度，引起的变形也极小。它既可满足表面的使用需要， 同时又不牺牲结构的整体特性。由于合金元素是完全溶解于表层 内，因此所获得的薄层成分是很均匀的，对开裂和剥落等倾向也 不敏感。其另一显著特点是所用的激光功率密度很高(104-108 W/cm2)。 熔化深度由激光功率和照射时间来控制，在基体金属表面可形成 深度为0.01-2mm的合金层。由于冷却速度高，所以偏析极小，并且 细化晶粒效果显著。利用激光合金化技术可使廉价的普通材料表面获得有益的耐磨、 耐腐蚀、耐热等性能，从面可以取代昂贵的整体合金；并可改善不 锈钢，铝合金和钛合金的耐磨性能；亦可制备传统治金方法无法得 到的某些特殊材料，如超导合金，表面金属玻璃等。,与普通电弧表面硬化和等离子喷涂相比，激光合金化有下列优越性。 激光辐射能量高度集中，通过空气可以进行远距离传播。 是一种快速处理方法，能有效利用能量。 能准确地控制功率密度与加热速度，从而变形小，而电弧 硬化与等离子喷涂采用的是不均匀加热和冷却，在急冷过程中有热 冲击，造成交形和开裂，往往需要校直和打磨加工。 能使难以接近的和局部的区域合金化，而且利用激光的深 聚焦，在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度。基于上述特点，激光合金化在金属加工工业中逐渐开始获得各 种应用。迄今适合于激光合金化的基材有普通碳钢、合金钢、不锈 钢、铸铁、钴合金和铝合金，合金化元素包括Cr、Ni、W、Ti、Mn、 B、V、Co、Mo等。,2、激光合金化工艺,（一）激光合金化工艺方法激光合金化采用的工艺方法一般有三种：预置材料法、硬质粒子喷射 同时法和气相合金法。(1) 预置材料法较普遍采用的方法。采用电沉积、气相沉积、离子注入、刷涂、渗层 重熔、火焰及等离子喷涂，粘结剂涂覆等方法将所要求的合金粉末事先徐 覆在要合金化的材料表面，然后激光加热熔化，在表面形成新的合金层。 这种方法在一些铁基表面进行合金化时普遍采用。对沉积膜的要求是具有 洁净的衬底，薄膜界面为光洁的表面。较薄的预置膜通常可采用气相沉积、 真空溅射、离子注人等手段制得，而对于制作较厚的预置膜可以采用电 镀、喷涂、轧制、扩散(如渗硼)、预涂合金粉末或膜片等方法。(2) 硬质粒子喷射同时法硬质离子喷射同时法的特点是在激光熔化基材表面的同时向熔池中喷 人合金粉末或硬质粒子，以实现表面的合金化。,激光气体合金化：是指在适当的气氛中(氮气、渗碳气氛等)，采用 激光加热熔化基材表面，通过气氛中的气体与基材的反应，使材料表面 的厚度比那些经过正常固态反应处理所获得的厚度要大得多。它主要采 用于A1、Ti及其合金等软基材合金化处理，分别可获得TiN、TiC或 Ti(C，N)等表面化合物层，硬度高达l000Hv以上。在熔池的对流作用下， 合金元素可以快速地渗入较深的部位。,（二）激光合金化层微观组织结构(1) 激光合金化的微观组织特征激光表面合金化层的组织特点就是合金化组织的不均匀性。包括三个 方面：一是合金化熔池内的不均匀性，在其横截面内会出现组织梯度； 二是合金化熔池内的宏观组织不均匀性；三是前面述及的周期性变化的大 面积合金化的搭接区。在组织梯度，常见的复合组织特征有三种：平面晶胞状晶胞状树 枝晶树枝晶；胞状晶胞状树枝晶树枝晶；胞状树枝晶树枝晶。激光合金化的宏观组织不均匀性是指某些情况下其低倍宏观组织不均 匀，对此，从物理冶金学的观点看，形成宏观组织不均匀性的主要原因是 激光作用下的合金熔池内的熔体对流运动并非使合金元素在熔他内均匀混 合，即存在宏观的成分不均匀性。,3、合金化层质量的控制,（1）合金化程度的控制； （2）合金化层裂纹的控制； （3）合金化表层不平整度的控制。,4、激光合金化技术的应用利用激光表面合金化工艺可在一些价格便宜、表面性能差的基体 金属表面制出耐磨、耐蚀、耐高温的表面合金，用于取代昂贵的整体 合金，节约贵重金局材料和战略材料，使廉价合金获得更广泛的应用， 从而大幅度降低成本。另外，它还可用来制造出在性能上与传统治金 方法根本不同的表面合金，例如，国外采用激光表面合金化工艺研制 超导合金MoN、MoC和V3Si，用来制造表面金属玻璃FeCrCB、NiNB等。激光合金化技术在生产中的应用实例已屡见不鲜，例如美国华利夫 特兵工公司采用大功率激光涂层技术应用于提高大口径炮筒的抗烧蚀寿,命；美国通用汽车公司发动机铝制气门座上进行合金化处理，变形量 013mm，硬度大于55HRC，在540条件下，两个小时内无明显软化 现象；前苏联对A125铝合金活塞环槽进行Ni、Cr合金化处理，寿命提高 了335倍；AVCO公司采用30Cr粉激光合金化处理汽车发动机排气 阀，使其耐磨性、耐蚀性和抗冲击能力得到很大的提高。我国结合石油、 化工、冶金、汽车、电力等工业开展了大量的激光合金化研究工作，有 些零件已用于实际生产。在汽车工业方面，激光表面合金化工艺有广泛的应用前景，它可以 明显改善工件表面的耐磨、耐蚀、耐高温等性能，延长在各种恶劣工作 条件下工作的汽车零部件如轴承、轴 持架、汽缸、衬套、活塞环、 凸轮（轴）、阀门和传动构件等的使用寿命，从而提高汽车整体的使用 性能。,因受当前激光功率及大面积光斑技术的制约，大面积合金化需要搭 接处理，无疑合金化层的搭接在耐蚀和抗疲劳等方面其优势发挥不出来， 就目前的状况来讲，其局限性还是比较突出的。虽然目前激光表面合金 化技术中还存在一些尚待解决的问题，但前景是广阔的。在不久的将来 它将会在工业中发挥出巨大的潜力和深远的影响，为工业革命做出贡献。,12.6 激光微细加工,一、 概述,激光加工的传统范围，包括切割、热处理、焊接等。除了在这 些应用中继续发展外，激光技术还将在其他新的应用方面发展，尤 其对大量具有小孔或微细沟槽复杂结构的电子器件、医疗和汽车制 品更具有重大意义。因为随着工业和技术的不断发展，这些制品孔 的直径和沟槽尺寸越来越小，而这些尺寸的公差越来越严格。只有 用激光方法才能满足对零件提出的从1m到1mm的所有要求。与加 工材料的普通技术相比，激光加工材料减小热作用区域，可以准确 地控制加工范围和深度，保证高的重复性，具有良好的边缘和广泛 的通用性。激光微细加工在激光技术应用方面具有举足轻重的作用。激光 加工在今后的发展，取决于是否能用激光制备或改造一些适合新技 术需用的材料以及激光能否在大规模的微细加工中应用。,二、激光微细加工的方法及应用,激光微细加工方法，可归纳为激光去除加工、激光强化、激光 焊接、激光加工半导体及其他技术等几大类。(1) 激光去除加工常用方法有激光打孔、激光切割、激光刻蚀等。刻蚀加工可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀采用化学溶剂 进行表面腐蚀，是各向同性，刻蚀精度不高，有严重的侧向扩蚀， 图形边缘粗糙，不适合于线条细小、精度要求高的微光学加工。干 法刻蚀直接将待刻材料变成气体或挥发性物质，刻蚀是各向异性的。 干法刻蚀又可分为等离子体刻蚀、离子束刻蚀、X射线刻蚀、激光 刻蚀等。,(2) 激光强化激光强化技术包含激光淬火(相变硬化)、激光合金化、激光涂覆、 激光非晶化和微晶化、激光冲击硬化、激光成形加工等多种工艺。它 们共同的理论基础是激光与材料的相互作用规律，它们各自的特点是 主要是作用于材料的激光能量密度不同。激光淬火技术，也称激光相变硬化(Lnser Beam Quenching)。激光 淬火是通过激光束扫描工件表面，使工件表面迅速升温到相变温度以上、 熔化温度以下，然后停止或移开激光束，热量从工件表面向基体内部快 速传导，表面得以急剧冷却，实现自冷淬火。激光合金化是在高能束激光作用下，将一种或多种合金元素与基材 表面快速冷凝，从而使廉价材料表层具有预定的高合金特性的技术即 利用激光改变金属及合金表面化学成分的技术。显然，激光合金化的广 泛应用必将获得巨大的经济效益和社会效益。,激光涂覆与激光合金化有许多相似之处，其主要区别在于激光作用 后，其涂层的化学成分基本不变化，即基体成分几乎没有进入涂层内。激光非晶化是激光作用于材料，使材料表面薄层熔化，然后将液体 以大于一定的临界冷却速度急冷到低于某一特征温度，以抑制晶体形核 和生长，以获得非晶态固体。与现有的形成非晶的方法比较，激光表面 非晶化有突出的优点，它能够高效率、易控制地在形状复杂的制品表面 大面积形成非晶层，这将扩大非晶材料的实际应用领域。激光加热隆起造型是很新的激光微细加工技术，利用激光辐射材料 目标，材料表面重凝成形。和传统的激光微细成形方法激光刻蚀相比具 有一些优点。,(3) 激光加工半导体半导体的激光微细加工技术具有“直接写入”、“低温处理”等独特 的优越性，在微电子、光电子、集成光学及光电混合集成等领域有着广泛 的应用。(4) 其它技术LCVD；激光掺杂；激光快速成形。,三、激光微细加工的特点, 加工精度高。激光束光斑直径可达1um以下，可进行超微细 加工；同时它又是非接触式加工，无明显机械作用力，加工变形小， 易保证较高加工精度。 加工材料范围广泛。激光微细加工的对象包括各种金属和 非金属材料，对陶瓷、玻璃、宝石、金刚石、硬质合金、石英等 难加工材料的加工效果非常好。 加工性能好。激光加工对加工场合和工作环境要求不高， 水需要真空环境，也不用对x射线进行保护；激光加工还可透过 玻璃等透明材料进行，可以方便地在某些特殊工况下进行加工， 如在真空管内进行焊接加工等。 加工速度快、效率高。 无污染。,