禹业晓
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摘要：激光技术是20世纪一项举世瞩目的科技成就，激光技术的发展极大推动了人类各项事业的发展。近年来，激光技术在诸多领域广泛应用，包括农业、工业、国防、科研等。现阶段，激光技术由于其自身独特的优势，已成为材料领域最重要的一项发展因素，但在各种限制因素的影响下，却没有充分发挥其价值和潜能，因而对激光技术在金属材料加工中的新应用展开探讨具有重要现实意义。
关键词：金属材料；加工工艺；激光技术；新应用
目前,我国在金属加工工艺中对于激光技术的传统应用如激光切割、激光焊接、激光钻孔已经比较成熟,但是激光技术中的新应用并没有被人们广泛了解和掌握。本文就将着重探讨关于激光技术的一些新应用,发挥激光技术在金属材料加工中的新价值和潜能。
1激光加工技术的原理
激光为一种光，其除了具有一般光的共性外，还具有亮度、强度高、单色性好、相干性好和方向性好等特性，而激光加工过程就像充分利用了激光的这些特性，具体加工原理就是利用能量密度极高的聚焦的激光照射工件，被照射工件的加工区域温度达到数千摄氏度，甚至上万摄氏度的高温将材料瞬时熔化、蒸发，并在热冲击波的作用下，将熔融材料爆破式喷射去除，达到相应加工目的。因此，可以利用激光进行各种材料的切割、焊接、打孔等加工。整个加工过程包括了：激光束照射待加工工件；待加工工件吸收激光束能量；光束能量转变为热能使待加工工件无损加热；待加工工件被熔化、蒸发、汽化并溅出去除或破坏；作用结束和加工区域冷凝。
2激光加工技术的特点
激光加工特点具有：激光瞬时功率密度高、几乎可以加工任何高硬、耐热的材料，如传统热源不易加工的陶瓷、半导体等材料；激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可调，因而可以加工任何复杂图形及微纳米级别的精密微细加工；非接触加工，从而没有明显的机械应力，没有工具损耗；加工速度快、热影响区小；适应性强，激光加工能够适用于正常的大气环境，同时适用真空环境或其他特殊的环境，展现了激光加工实用性强的优势，能够与其他设备集成容易实现加工过程的自动化控制等特点。
3激光技术在金属材料加工工艺中的新应用
随着激光应用技术的发展，除了我们在工业生产中得到广泛应用的激光焊接、激光切割、激光打孔等较成熟的技术外，近些年，还出现了激光刻蚀、激光三维打印、激光表面强化、激光抛光等新的应用。
3.1激光刻蚀
现代产品中，越来越多的大型曲面零件需要对其表面进行加工，尤其体现在航空航天、微电子等领域，为了满足一些特殊的功能要求，需要在某些零部件表面加工出复杂的表面纹理，例如航空卫星天线罩、飞机雷达天线罩的微结构刻蚀以及模具型腔的三维纹理蚀纹等。激光加工技术作为一项先进的制造技术，其能量密度高、准直性好、聚焦光斑往往能够达到微米级精度。因此，以特定的激光加工头代替传统机械加工中的刀具，利用聚焦激光高能量的特点，通过多轴电机的三维插补定位功能，对空间曲线或曲面的扫描标刻，实现材料的改性或移除已经成为高精度加工领域的一项重要手段；如激光打标、激光刻章、激光雕刻二维码均属于激光刻蚀的具体应用形式。
3.2激光三维打印
三维(3D)打印，也称为增材制造，是用于合成三维物体的各个过程中的任一过程。在3D打印中，在计算机控制下铺设连续的材料层。这些物体可以为几乎任何形状或几何结构，且从3D模型或其它电子数据源产生。激光3D打印也就是通过将多个相继的金属层熔合在一起来制造物体的工艺，具体加工过程为激光被导向基材，且在通过基材吸收激光能量时，基材熔化。允许基材凝固，从而形成所需的形状或配置。材料熔化的能力强烈地依赖于激光的功率和强度。
为了促进细小物体的制造，激光能必须局限于小的区域。
采用激光增材制造技术制造金属零件的方法可以归纳为两种：一种是基于自动送粉工艺的激光熔化沉积技术(简称LMD技术)，另一种是基于预置铺粉工艺的选区激光熔化技术(也称选择性激光熔化技术，简称SLM技术)。由于粉末供给方式不同，LMD与SLM两者的技术路线和设备都有明显差异。LMD采用的是自动送粉， LMD技术成形零件后续机加工较大；而SLM技术则采用预置铺粉的方式，即预先在成型缸中铺设一层一定厚度的金属粉末床，然后采用激光束对合金粉末层实现选择性熔化。而SLM技术特别适合具有精细复杂结构的金属零件的净成形。
3.3激光表面强化
激光表面强化主要通过一定的激光热处理工艺改变工件金属材料的结构或和成分，从而改变工件的物理性能，主要工艺包括激光熔覆、合金化、熔凝和淬火，通过上述工艺可以改变材料表面的耐磨性、抗蚀性、硬度等物理性能。当前，上述技术已经在冶金工业中得到初步应用。
激光熔凝和激光淬火可以用于改变工件表面硬度，如用于齿轮、轴、汽车衬套等零部件的表面硬化，当激光束在工件上扫描使表面形成一层微米级别后的熔化物薄膜，然后以一定的冷却速度冷却从而形成个非晶体薄膜，使耐磨性和硬度都显著提高；亦或是通过激光扫描工件表面，然后冷却凝固使工件表面的织构发生改变如产生马氏体相变，从而提高耐磨性。
采用激光熔覆和合金化技术对工件表面进行处理是通过激光涂覆各种耐磨、耐热合金化元素，从而在工件表面形成一个牢固的镀层，加工速度快，而且镀层结合牢固均匀，该工艺方法可以改变工件表面成分，因此比单纯依靠显微组织的转变来改善涂层性能的激光熔凝和淬火技术，在某些性能(如对工件使用寿命起决定作用的热稳定性或者回火稳定性等)的改善方面，具有更大的优势。并且，该技术还可以对因磨损尺寸超差而报废的工件进行修复。
3.4激光表面抛光
传统的抛光方法主要包括机械抛光、化学抛光等；这些传统的接触式抛光方法，往往会在材料的去除过程产生脆性破坏等问题，抛光后工件表面往往存在表面划痕、凹坑和次表面裂纹等缺陷，化学抛光表面还可能出现抛光雾斑，难以获得高质量的表面，且抛光效率和成品率低。而针对蓝宝石、光学物理元件等脆硬材料抛光时传统抛光方法具有难以克服的缺陷。此时激光抛光技术的优势就显现出来了。激光抛光技术采用激光束扫描加工工件表面，通过激光与材料相互作用，去除表面的多余物质，形成光滑平面。它是随着激光技术的发展出现的一种新型材料表面处理技术，从根本上解决了传统抛光技术很难解决的或者根本不可能解决的问题，特别是为具有复杂形态和形貌的工件表面的提供了自动加工的可能性，因此激光抛光技术是一种很有前途的新型材料加工技术。尤其适合用于蓝宝石、光学元件等零部件的抛光，能够保证零部件的光学性能和通信效果；也适用于那些工件内部较为特殊位置不便于人工抛光的抛光，
结论
综上所述,我国经济的发展、工业化时代的到来以及科学技术的进步,使得激光技术有着极好的发展前景。希望在不久的将来, 激光刻蚀、激光三维打印、激光表面强化、激光抛光等这些新应用能够在汽车、航空航天等诸多机械制造中被大规模使用,提高激光技术的应用频率,政府更是要加大对激光技术研发的投资,争取进一步提高激光技术的工作效率,推动我国工业的发展,产生更多的经济效益。
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