定义
激光处理的硬化材料（通常是钢或铸铁）。
激光硬化是激光表面改性的一个重要例子，更一般地说是一种激光材料加工。
钢或铸铁激光硬化原理
钢本质上是铁和碳的合金，通常还含有各种其他物质，如铬、钒或钛。 根据化学成分和温度的不同，在热平衡中存在各种各样的不同变体的钢，钢的非平衡状态在技术上也非常重要。 通过各种工艺，通常涉及快速加热和冷却，钢可以转化为具有其他微观结构的其他形式，并且在硬度，强度，延展性，密度，化学稳健性等方面具有实质性不同的性能。
图1：使用高功率二极管激光器硬化夹持器凸轮。资料来源：弗劳恩霍夫IWS，德国德累斯顿。
特别是，通过将富碳钢（至少含碳0.8%）加热到大约1000°C（低于熔点），然后以适当的速度冷却，可以对富含碳的钢进行大量硬化。 微观上发生的事情基本上是碳的整合变化。 在1000°C时，具有具有面心立方（FCC）晶格的奥氏体形式，可以整合大量的碳，基本上是碳化铁。 如果钢随后缓慢冷却，铁将转化为体心立方（BCC）晶格（铁素体）。 由于可以容纳较少的碳，碳以孤立的Fe颗粒的形式沉淀3C，称为渗碳体。 铁素体和渗碳体的混合物称为珠光体。 然而，在更快速冷却的情况下，碳原子没有足够的时间迁移到渗碳体晶粒中，因此在铁素体中保持更分散。 因此，（到目前为止占主导地位的）铁氧体晶粒内的晶体缺陷不再那么容易滑动，并且材料（以称为马氏体的形式）相应地更硬。 同时，钢表面变得更具耐化学性。
用铸铁可以实现类似的工艺，含有超过2%的碳。
马氏体密度降低会产生副作用：如果仅将表面转变为该形式，则会产生大量的内部机械应力。
在某些情况下，淬火工艺是不需要的，例如在激光焊接和激光焊接的背景下。 然后相应地优化这些过程。
激光硬化工艺
激光硬化过程仅涉及用中等强度的激光束加热表面一小段时间；然后热量向下传导。 当激光束关闭或移开时，表面会迅速冷却，主要是通过热传导到散装材料中（自淬火）。
虽然在某些情况下，硬化应用于较小的有限区域，但在其他情况下，它应用于长条纹，或通过扫描到较大的区域。 在后一种情况下，通过移动激光加工头按顺序进行硬化。
激光硬化过程比传统的硬化方法快得多。 根据工艺细节，钢的硬化深度可能达到约3毫米，铸铁的淬火深度可能稍低。 在材料内部，温度偏移不足以导致硬化。
非常有利的是，可以以非常有针对性和可控的方式施加热量。 因此，激光硬化可以应用于例如火焰硬化无法正常工作的情况。 通常，在处理后需要较少或不需要返工，因为可以直接获得质量好的零件。 经过处理的机器零件的形状几乎没有变化。 快速处理，有时甚至是“动态”（在移动过程中），是另一个重要优势。
激光源；激光的吸收
吸收效率可以相当高，至少在应用一些适当的预处理时。
根据具体情况，应用的激光功率在大约 0.1 kW 到 10 kW 之间。 由于光束质量要求相当适中，现在通常使用直接二极管激光器 - 一种特别低成本和节能的解决方案：这种激光源的墙插效率通常约为50%，甚至70%左右。 不幸的是，由于该光谱区域中金属表面的高反射率，激光的吸收（通常在0.8μm和1μm之间的波长）并不完全有效。 因此，在某些情况下，首先在表面涂上吸收涂层（例如石墨），例如将吸收率提高到85%左右。 它还可以帮助产生合适的表面微观结构，例如通过氧化铝喷砂。
原则上，可以将其他类型的激光二极管用于吸收更好的其他光谱区域，但通常只有基于砷化镓技术的器件才能实现足够高的输出功率和光束质量，该技术仅限于上述波长范围。
在直接二极管激光器得到充分开发之前，二极管泵浦固态激光器被广泛使用，它很容易达到所需的光束质量。 更好的光束质量实际上可以帮助通过快速扫描获得理想的强度分布（见下文）。
光束轮廓
通常应用平顶光束轮廓，即在某些区域具有相当均匀的强度，而在某些区域之外具有非常低的强度。 这种光束轮廓通常由使用的激光二极管源（包含大量小发射器）自然提供，并且是最合适的，因为这样可以在整个加工区域内实现一致的温度。
请注意，温度曲线准确反映了由于或多或少的一维热流进入散装材料，前提是处理区域的宽度与加工材料的深度相比较大。 如果不是这种情况，则相应地塑造强度分布可能是有用的，中心区域的强度略低。
激光扫描仪可以成为定制光束轮廓的便捷工具。
除了直接产生适当的光束轮廓外，还可以将更紧密聚焦的激光束与激光扫描仪结合使用。 通过以足够高的速度控制扫描模式，可以灵活地生成各种平均强度曲线。
温度控制
通过连续监测过程（通过产生的热辐射）并相应地自动调整激光功率或移动速度来仔细控制过程的温度是有益的。 这导致更可重复的高质量结果。 这种技术用于工业激光硬化机。
工艺气体
可能不需要工艺气体来保护处理过的表面，但人们经常在激光加工头中使用交叉射流来保护光学元件免受烟雾中材料沉积的影响。 请注意，虽然钢在此过程中不会显着蒸发，但可能存在油或其他污垢等污染物，在被激光束燃烧时会产生烟雾。
工业激光硬化的应用
激光硬化的典型工业应用是制造机器零件，这些零件在运行过程中必须承受很大的力。 例如，涡轮叶片就是这种情况，其中前部受到特别高的应力，或者弯曲工具。 另一个例子是内燃机凸轮轴和齿轮的改进，通过对表面进行这种硬化处理，它们可以变得更长。 在汽车和航空航天工业以及工业制造的其他领域也存在许多其他应用。
请注意，通常希望仅硬化表面（而不是整个体积），以避免硬化的不利影响，特别是增加脆性。
