激光加工工艺简介
激光表面改性
固相加热 相 变 硬 化
激光表面改性 熔化
重 熔
合 金 化
熔 覆
非 晶 化
汽化 冲 击 强 化
几种典型表面改性所需的激光功率密度和作用时间
工艺方法 相变硬化
重熔 合金化
熔覆 非晶化 冲击强化
功率密度(W/cm2) 103~104 104~106 104~106 104~106 106~108 108~1010
磨损损失
激光快速成形（堆积） 修复磨损损失部位
激光熔覆再制造应用举例
激光熔覆再制造应用举例
激光熔覆再制造应用举例
Laser shock peening
约束层 吸收层
激光冲击波效应 产生塑性变形
•增加位错密度 •造成残余压应力
激光表面抛光与织构化
Laser polishing
• evaporation of surface material
时效处理对铝合金激光重熔硬化层的影响
激光重熔应用举例
预覆层
激光熔覆
激光束 加工头 熔覆层
基材
激光束 加工头 送粉喷嘴 熔覆层 基材
熔覆层形貌及稀释率
稀释率
基体熔化面积 涂层面积 基体熔化面积
100 %
A2 A1 A2
100 %
激光熔覆应用举例
激光局部熔覆 激光大面积熔覆
激光熔覆再制造
作用时间(s) 0.01~1 0.01~1 0.01~1 0.01~1 10-7~10-6 10-7~10-6
Fe — Fe3C相图
奥氏体 铁素体 马氏体 贝氏体 珠光体
渗碳体 莱氏体
钢的连续冷却转变（CCT）图
0.37%C-0.39%Si-0.85%Mn-0.73%Cr-0.26%Mo
淬火
树脂
飞秒激光双光子聚合
焦点
物镜
飞秒激光束
Nature, Vol. 412, 697.2001
（ H.B. Sun et al )
a. 原始状态 b. 伸展状态
82曲线
激光直接快速制造（Directed Laser Manufacturing）
激光熔融堆积（Directed Metal Deposition，DMD） 选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）
激光变形制造（Laser Forming）
激光熔融堆积成形
F/A-l8E/F翼根吊环
Mechanisms • flowing or flattening of softening and melting material
under the effect of surface tension
Q-switch Nd:YAG laser: Pa=250W, tp=650ns, df=70um, v=35mm/s
退火
正火
回火
激光相变硬化关键技术
1、 激光能量的利用率 • 表面预处理 粗糙化处理、氧化、涂层… • 偏振光 • 短波长激光：YAG激光、半导体激光
2、 激光能量的均匀化及光斑变换
• 积分镜
变换前光束强度分布
变换后光束强度分布
• 波导匀光器
• 可变形镜
•透射式棱锥积分镜 透射式棱锥积分镜为等边棱锥，产生正方形光斑。光斑
激光快速成形
CAD 模型 要建零件
分层
层数据转化 为生产过程
激光快速成形原理
激光快速成形分类
激光快速原型制造（Rapid prototype）
立体光刻（Stereo Lithography，SL） 分层实体制造（Laminated Object Manufacturing, LOM） 选区激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）
laser fluence 2.5 Jcm−2, number of laser shots 280, (a) Vacuum (∼1mbar) (b) air (atmospheric condition) (c) 100mbar SF6 (d) 100 mbar He
Nayak1. Appl. Phys. A 90, 399–402 (2008)
德国亚琛夫琅霍费激光所（ILT, Willenborg, E. ）
微流体器件微通道准分子激光抛光
100m
北京工业大学激光工程研究院
荷叶表面结构
Laser texturing
激光熔池振荡法表面织构化
Laser lithography
激光干涉法表面织构化
Particle lens
飞秒激光辐照钛表面微纳结构
A drilling in steel produced by 200-fs pulses. Pulses energy is decreased by nearly one order of
magnitude.
线性相互作用 单光子过程 I
难于作用于材料内部
高阶非线性相互作用 多光子过程 In
尺寸可由调节透镜位置而发生改变。
• 双光束处理系统
激光相变硬化应用举例
吸
收
铁
率
%
入射角
激光相变硬化应用举例
激光重熔、合金化、熔覆示意图
重熔层
合金化层
熔覆层 合金粉未
合金粉未
重熔
合金化
熔覆
ZL108铝合金激光重熔硬化
ZL108合金激光重熔前后的组织
合金的主要化学成份：11.0~13.0%Si, 1.0~2.0%Cu, 0.4~1.0%Mg, 0.3~0.9%Mn， 属于共晶成份合金。铸造组织为典型的金属－非金属共晶，显微组织为在Al 基体上紊乱地分布着Si的枝晶。采用激光重熔处理后组织比处理前的铸造组 织细化了几十倍，显微组织形态也变成了Al-Si共晶包围着-Al基固溶体树枝 晶的亚共晶组织，其中相所占的体积达40%左右 。
900mm长×300mm宽×150mm高
XXXX高空高速反导导弹部件
大型钛合金零件—Aeromet公司
超音速巡航导弹部件
选区激光熔化成形
飞秒激光微纳制造
飞秒强激光微制备与加工
为材料制备和研究提供了新技术和新手段 突出优点：
极短作用时间 超高光强
无热影响 破坏区域小 高阶非线性 三维微加工
A drilling in steel produced by 3.3ns pulses. A strong blur formation occurs and solidified droplets stick on the surface. Note the heataffected zone around the hole .
高光强、作用于材料内部
作用区域可 远小于波长
作用区 }
Fused silica ： absorption bandgap is ~9eV,
IR fs laser beam: 800nm (~1.55eV) multiphoton process
Femtosecond Laser Micromachining workstation was used to direct-write localized index-ofrefraction changes within a glass substrate, creating a three-dimensional optical waveguide.