一、雷射加工技術概述
雷射是本世紀的重大發明之一，具有巨大的技術潛力。雷射因具有單色性、相干性和平行性三大特點，特別適用於材料加工。雷射加工是雷射應用最有發展前途的領域，國外已開發出20多種雷射加工技術。
雷射的空間控制性和時間控制性很好，對加工物件的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大，特別適用於自動化加工。雷射加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工裝置，已成為企業實行適時生產的關鍵技術，為優質、高效和低成本的加工生產開闢了廣闊的前景。
雷射加工技術是利用雷射束與物質相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術。雷射加工技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術，它的研究範圍一般可分為：1．雷射加工系統。
包括雷射器、導光系統、加工工具機、控制系統及檢測系統。2．雷射加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微調等各種加工工藝。
1、雷射加工的原理
雷射加工是將雷射束照射到工件的表面，以雷射的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面效能。由於雷射加工是無接觸式加工，工具不會與工件的表面直接磨察產生阻力，所以雷射加工的速度極快、加工物件受熱影響的範圍較小而且不會產生噪音。由於雷射束的能量和光束的移動速度均可調節，因此雷射加工可應用到不同層面和範圍上。
2、雷射加工的特點
雷射具有的寶貴特性決定了雷射在加工領域存在的優勢：
①由於它是無接觸加工，並且高能量雷射束的能量及其移動速度均可調，因此可以實現多種加工的目的。
②它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點的材料。
③雷射加工過程中無「刀具」磨損，無「切削力」作用於工件。
④雷射加工過程中，雷射束能量密度高，加工速度快，並且是區域性加工，對非雷射照射部位沒有影響或影響極小。因此，其熱影響區小，工件熱變形小，後續加工量小。
⑤它可以通過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工。
⑥使用雷射加工，生產效率高，質量可靠，經濟效益好
它的研究範圍一般可分為：
1．雷射加工系統包括雷射器、導光系統、加工工具機、控制系統及檢測系統。
2．雷射加工工藝包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微調等各種加工工藝。
二.雷射加工技術應用
雷射加工應用領域中，co2雷射器以切割和焊接應用最廣，分別佔到70％和20％，表面處理則不到10％。而yag雷射器的應用是以焊接、標記（50％）和切割（15％）為主。在美國和歐洲co2雷射器佔到了70~80％。
我國雷射加工中以切割為主的佔10％，其中98％以上的co2雷射器，功率在1.5kw~2kw範圍內，而以熱處理為主的約佔15％，大多數是進行雷射處理汽車發動機的汽缸套這項技術的經濟性和社會效益都很高，市場好。
在****中，雷射加工技術充分發揮了其先進、快速、靈活地加工特點。如在汽車樣機和小批量生產中大量使用三維雷射切割機，不僅節省了樣板及工裝裝置，還大大縮短了生產準備週期；雷射束在高硬度材料和複雜而彎曲的表面打小孔，速度快而不產生破損；雷射焊接在****中已成為標準工藝，日本toyota已將雷射用於車身面板的焊接，將不同厚度和不同表面塗敷的金屬板焊接在一起，然後再進行沖壓。雖然雷射熱處理在國外不如焊接和切割普遍，但在****中仍應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零部件的熱處理。
在工業發達國家，雷射加工技術和計算機數控技術及柔性製造技術相結合，派生出雷射快速成形技術。該項技術不僅可以快速製造模型，而且還可以直接由金屬粉末溶融。
到了80年代，yag雷射器在焊接、切割、打孔和標記等方面發揮了越來越大作用。通常認為yag雷射器切割可以得到好的切割質量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。隨著yag雷射器輸出功率和光束質量的提高而被突破。
yag雷射器已開始擠進kw級co2雷射器切割市場。yag雷射器特別適合焊接不允許熱變形和焊接汙染的微型器件，如鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等。yag雷射器打孔已發展成為最大的雷射加用目前，國外雷射打孔主要應用在航空航天、汽車製造、電子儀表、化工等行業。
雷射打孔的迅速發展，主要體現在打孔用yag雷射器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高達30~50kw，打孔用的脈衝寬度越來越窄，重複頻率越來越高，雷射器輸出引數的提高，很大程度上改善了打孔質量，提高了打孔速度，也擴大了打孔的應用範圍。國內目前比較成熟的雷射打孔的應用是在人造金剛石和天然金拉絲模的。
在材料加工業中，切削加工是基本而又常用的精密加工手段，在機械、電機、電子等各種產業部分中都起著重要的作用，決定切削加工效率的因素很多如工具機、刀具、工件等，其中刀具是最活躍的因素。而刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面質量的優劣等等，在很大程度上取決於刀具材料的機械效能和加工效能，因此人們不斷地研究開發新的刀具材料。但新材料的開發速度常常與現代切削加工生產要求存在一定的差距，如在高速切削300～1000m/min切削鋼、90～200m/min切削鈦合金等要達到這樣高的切削速度，就要發展具有更加優異的高溫力學效能、高化學穩定性和熱穩定性及高溫熱抗振性的刀具材料，加速刀具材料的研究與開發，合理選用刀具材料是推動高速切削技術廣泛應用的重要前提。
而雷射對物體材料表面的強化處理就可以解決刀具材料選擇這一問題，下面我就將對這種技術從各方面做一簡要的介紹。
雷射表面強化技術基於雷射束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個過程，在金屬材料雷射表面強化中，當雷射束能量密度處於低端時可用於金屬材料的表面相變強化，當雷射束能連密度處於高階時，工件表面光斑出相當與乙個移動的坩堝，可完成一系列的冶金過程，包括表面重熔、表層增碳、表層合金化和表層熔覆。這些功能在實際應用中引發的材料替代技術，將給製造業帶來巨大的經濟效益。
雷射表面強化包括金屬表面淬火、表面合金化、表面塗復三個方面，雷射表面強化是利用大功率co2雷射器產生的雷射束作熱源，用雷射來輻射待強化的金屬表面。通過雷射淬火、雷射熔融改變合金表面成分，雷射熔敷難熔金屬或陶瓷，以大幅度改變金屬表面的機械效能、化學效能、耐熱抗氧化效能，該技術效率高、適應性強、淬火硬度比一般熱處理高5—10hrc，同時節材、節電，不變形，無公害。
而在刀具材料改性中主要應用的是熔化處理，熔化處理是金屬材料表面在雷射束照射下成為溶化狀態，同時迅速凝固，產生新的表面層。根據材料表面組織變化情況，可分為合金化、溶覆、重溶細化、上釉和表面複合化等。
雷射熔凝是用適當的引數的雷射輻照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，獲得較為細化均質的組織和所需性質的表面改性技術。它具有以下優點：
1.表面熔化時一般不新增任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結合。
2.在雷射熔凝過程中，可以排除雜質和氣體，同時急冷重結晶獲得的雜誌有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。
3.其熔層薄、熱作用區小，對表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時可不再進行後續磨光而直接使用。
4.提高溶質原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質點超細化，形成亞穩相可獲得無擴散的單一晶體結構甚至非晶態，從而使生成的新型合金獲得傳統方法得不到的優良效能。
5.光束可以通過光路導向，因而可以處理零件特殊位置和形狀複雜的表面。
雷射堆焊是繼雷射熔覆技術上發展起來的一項新的雷射加工技術，借鑑傳統的堆焊技術優點，用大功率雷射為加熱源，對同步送入的合金焊絲與基體表層同時快速熔化，得到和基體完全冶金結合的並具有特殊效能（耐磨、耐蝕、耐熱等）的表層，形成復合層，用於製造雙金屬刀具。而雷射合金化則是在基體的表面熔融層內加入合金元素，從而形成以基材為基礎的新的合金層，達到表面改性，刃口強韌化的目的。
幾種典型雷射加工應用；
1.雷射切割
雷射切割技術廣泛應用於金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。雷射切割是應用雷射聚焦後產生的高功率密度能量來實現的。與傳統的板材加工方法相比,雷射切割其具有高的切割質量、高的切割速度、高的柔性(可隨意切割任意形狀)、廣泛的材料適應性等優點。
2.雷射焊接
雷射焊接是雷射材料加工技術應用的重要方面之一，焊接過程屬熱傳導型，即雷射輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制雷射脈衝的寬度、能量、峰功率和重複頻率等引數，使工件熔化，形成特定的熔池。由於其獨特的優點，已成功地應用於微、小型零件焊接中。與其它焊接技術比較，雷射焊接的主要優點是：
雷射焊接速度快、深度大、變形小。能在室溫或特殊的條件下進行焊接。
3.雷射鑽孔
隨著電子產品朝著可攜式、小型化的方向發展，對電路板小型化提出了越來越高的需求，提高電路板小型化水平的關鍵就是越來越窄的線寬和不同層面線路之間越來越小的微型過孔和盲孔。傳統的機械鑽孔最小的尺寸僅為100μm，這顯然已不能滿足要求，代而取之的是一種新型的雷射微型過孔加工方式。目前用co2雷射器加工在工業上可獲得過孔直徑達到在30-40μm的小孔或用uv雷射加工10μm左右的小孔。
目前在世界範圍內雷射在電路板微孔製作和電路板直接成型方面的研究成為雷射加工應用的熱點，利用雷射製作微孔及電路板直接成型與其它加工方法相比其優越性更為出，具有極大的商業價值。
雷射切割鋼材時,氧氣和聚焦的雷射束是通過噴嘴射到被切材料處,從而形成乙個氣流束。對氣流的基本要求是進入切口的氣流量要大,速度要高,以便足夠的氧化使切口材料充分進行放熱反應；同時又有足夠的動量將熔融材料噴射吹出。因此除光束的質量及其控制直接影響切割質量外,噴嘴的設計及氣流的控制（如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等）也是十分重要的因素。
以下為雷射表面強化技術在刀具材料改性中的應用例項。
1、家用廚刀雷射熔覆表面改性
採用雷射塗層在常用的不鏽鋼廚刀刃口進行薄層快速熔覆，得到塗覆層均勻、高耐磨的刀具刃口，代替傳統的刀具生產工藝，改造其產業提高刀具（廚刀）產品的內在質量和附加值。通過對塗層材料的配比、雷射塗層效能等方面的分析研究，開發出與「懶漢刀」同等水平的廚刀並將其實用化。通過優化工藝採用預置式合金粉末得到了無裂紋、一定硬度塗層的厚度、變形小、回火帶窄的刃口。
可以看出，熔覆層均勻覆蓋在刀刃上。
2、雷射熔滲奈米改性強化刀具
雷射熔滲是一種結合雷射熔覆工藝和雷射合金化工藝的表面改性的方法。將其運用到園林刀具生產過程中，可以對不同型別的刀具進行雷射表面改性強化。奈米材料較之微公尺級材料具有更好的力學效能，塗覆於基體表面的奈米合金粉在高密度的雷射束作用下快速熔凝，以部分奈米硬質合金顆粒滲入到基體材料中，起到了微合金化作用，而刀具表面又可以獲得奈米晶的覆層，因而不僅提高了強韌性及耐磨而且還加深了刀具刃口的硬度層深，延長了刀具的使用壽命。
所以，雷射強化技術在刀具材料改性應用潛力將是巨大的。目前國內外對工程陶瓷與硬質合金材料的研究有一定的進展，另一方面雷射對刀具進行表面強化處理屬當前機械加工領域的前沿，用強雷射束對代替某些熱處理是一種有效的方法，結合當前奈米技術的發展，在這三個方向的基礎上找到它們的結合點，參照同類近似的研究方法，對陶瓷、硬質合金的雷射強化機理及技術進行研究，提出了在以後研究工作中將通過對高耐磨/耐蝕/耐熱奈米硬質粉材（陶瓷、複合材料等）的研製及配比、雷射奈米強化層效能、雷射厚層堆焊工藝與硬質合金材料等方面的分析研究，針對不同刀具採用相應的工藝，利用普通的刀具材料開發出提高刀具刃口強韌性、耐磨性及使用壽命的新產品，獲得對各種刀具類材料雷射堆焊復合、奈米合金熔滲及產品化實用化的總體工藝技術，使其能滿足實際生產的複雜要求，尤其是克服陶瓷刀具材料脆性大、可靠性低等缺點，為改進硬質合金和陶瓷材料增添了一條有效的途徑。
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