激光表面热处理的原理解析

激光束照射到材料表面，通过与材料的相互作用，实现能量的传递。激光与材料的相互作用过程可分为几个阶段：

1）激光束辐照至工作表面，材料吸收光子的能量而转化为热量，表层温度升高并向内部传热。材料表层对激光能量的吸收，除与激光功率密度、辐照时间有关外，还受激光束的模式、波长、材料的光谱反射因数和光谱吸收因数等因素的影响。

所谓激光束的模式，是指光波在激光器谐振腔内的反射镜之间多次衍射传播形成稳定的电磁场，这个电磁场具有一系列一定振荡频率和一定空间分布的分立的本征空间状态，这种可能存在的电磁场的本征态称为激光的模式。通常把光波场的空间分布分解为沿传播方向的分布（纵模）和垂直于传播方向的横截面内的分布（横模），纵模影响激光的频率，横模代表激光束横向能量分布，后者对激光表面处理影响极大。激光模式通常用TEM_pq表示，p、q分别表示在X和Y方向上光强度为零的次数，称为模的阶次。激光模式分布如图5-6所示。图5-6中两位数字依次为p、q值，其中TEM₀₀为单模，TEM^*₀₁为环形模（带*标记表示为两个相似正交模的叠加）。大多数轴流激光器具有低阶模，而横流激光器一般为多模。激光加工典型模式的能量分布如图5-7所示。高斯模适用于激光切割和焊接；表面改性处理大多数采用多模，最理想的是方模，这可以通过光束整形得到。

图5-6 激光模式分布

a）轴对称横模 b）旋转对称横模

图5-7 激光加工典型模式的能量分布

a）高斯模 b）多模 c）方模 d）环形模

金属材料对激光的光谱反射因数随着激光波长的增加而提高。CO₂激光（10.6μm）和YAG激光（1.06μm）一般不能直接用于金属表面处理，必须增加吸收涂层，而准分子激光具有紫外波长，是理想的激光加工波段。同时，不同的材料对激光的吸收能力也各不相同（见表5-3），这也直接影响到材料表面层对激光能量的吸收。(www.xing528.com)

表5-3 部分金属材料对激光（10.6μm）的光谱吸收因数

2）材料表层吸收激光能量，温度升高到相变点以上并发生固态相变，与此相对应的加工工艺为激光淬火。金属材料随着温度升高，对激光的光谱吸收因数也会逐渐增大。

3）材料的温度进一步升高达熔点之上，材料熔化并形成熔池，涉及的主要工艺为激光熔凝、激光熔覆、激光表面合金化等。

4）材料温度升高至汽化点之上，出现等离子体现象。利用等离子体的反冲效应，可对材料进行冲击硬化处理。

5）当材料在不同的加热温度下移开激光束而冷却，将出现晶粒细化、相变硬化等多种现象。

图5-8 不同激光表面处理的功率密度和激光辐照时间