Лазерная технология давно известна своим широким применением в сварке, резке и маркировке. За последние два года, с постепенной популяризацией лазерной очистки, концепция лазерной обработки поверхности все больше и больше становится центром внимания людей и появляется в умах людей. Лазерная обработка бесконтактна, очень гибка, высокоскоростна и бесшумна, с небольшой зоной термического воздействия и без повреждения подложки, без расходных материалов, экологически чистая и низкоуглеродистая.
Помимо лазерной очистки, лазерная обработка поверхности имеет множество других применений, таких как лазерная полировка, лазерная наплавка, лазерная закалка и т. д. Эти методы используются для изменения определенных физических и химических свойств поверхности материала, например, для придания поверхности гидрофобных свойств или для создания с помощью лазерных импульсов небольших углублений диаметром около 10 микрон и глубиной всего несколько микрон с целью повышения шероховатости и улучшения адгезии поверхности.
Помимо лазерной очистки, знаете ли вы следующие методы лазерной обработки поверхностей?
01. Лазерная закалка
Лазерная закалка является одним из решений для обработки сложных деталей с высоким напряжением. Она позволяет деталям с высоким износом, таким как распределительные валы и гибочные инструменты, выдерживать более высокие нагрузки и продлевать срок службы.
Его принцип заключается в перераспределении атомов углерода в решетке металла (аустенизация) путем нагрева поверхности углеродсодержащей заготовки до температуры немного ниже температуры плавления (900-1400 градуса поглощается 40% мощности облучения), а затем лазерный луч стабильно нагревает поверхность вдоль направления подачи. По мере перемещения лазерного луча окружающий материал быстро охлаждается, и решетка металла не может вернуться в исходную форму, тем самым образуя мартенсит, который значительно увеличивает твердость.
Глубина закалки внешнего слоя углеродистой стали, достигаемая лазерной закалкой, обычно составляет 0.1-1.5 мм, а на некоторых материалах может достигать 2,5 мм и более. По сравнению с традиционными методами закалки ее преимуществами являются:
1. Целевой подвод тепла ограничен одной и той же областью, поэтому деформация компонента во время обработки практически отсутствует. Затраты на доработку снижаются или даже полностью устраняются:
2. Он также может закаливать сложные геометрические поверхности и прецизионные детали, а также может обеспечивать точную закалку локально ограниченных функциональных поверхностей, которые невозможно закалить традиционными методами закалки:
3. Отсутствие искажений. Традиционные процессы закалки приводят к деформациям из-за более высокой подачи энергии и закалки, но в процессах лазерной закалки подачу тепла можно точно контролировать благодаря лазерной технологии и контролю температуры. Деталь остается практически в своем первоначальном состоянии:
4. Геометрия твердости компонента может быть изменена «мгновенно». Это означает, что нет необходимости конвертировать оптику/всю систему.
02. Лазерное текстурирование
Лазерное текстурирование является одним из технологических средств для модификации поверхности металлических материалов. В процессе структурирования лазер создает регулярно расположенные геометрии в слое или подложке, чтобы целенаправленно изменять технические свойства и разрабатывать новые функции. Процесс заключается в использовании лазерного излучения (обычно короткоимпульсных лазеров) для создания регулярно расположенных геометрий на поверхности воспроизводимым образом. Лазерный луч плавит материал контролируемым образом и затвердевает в определенную структуру посредством соответствующего управления процессом.
Например, гидрофобная структура поверхности позволяет воде стекать с поверхности. Это свойство может быть достигнуто путем создания субмикронных структур на поверхности с помощью лазеров с ультракороткими импульсами, а создаваемая структура может точно контролироваться путем изменения параметров лазера. Противоположный эффект, такой как гидрофильная поверхность, также может быть достигнут:
Для покраски автомобильных панелей «микроямки» должны быть равномерно распределены по поверхности тонкой пластины для улучшения адгезии краски. Импульсный лазерный луч с частотой от тысяч до десятков тысяч раз в секунду фокусируется и падает на поверхность ролика. На поверхности прокатки в точке фокусировки образуется крошечная ванна расплава. В то же время крошечная ванна расплава обдувается вбок, чтобы расплав в ванне расплава мог максимально скопиться на краю ванны расплава в соответствии с заданными требованиями для образования дугообразного выступа. Эти маленькие выступы и микроямки могут не только увеличить шероховатость поверхности материала и повысить адгезию краски, но также увеличить поверхностную твердость материала и продлить срок службы.
Некоторые характеристики генерируются лазерным структурированием, например, характеристики трения или электро- и теплопроводность некоторых металлических материалов. Кроме того, лазерное структурирование также увеличивает прочность соединения и срок службы заготовки.
Шуйшан Богуан
По сравнению с традиционными методами, поверхностное лазерное структурирование более экологично и не требует дополнительных пескоструйных реагентов или химикатов: Повторяемый и точный, лазер создает контролируемую структуру с точностью до микрона и очень прост в воспроизведении: Низкие эксплуатационные расходы, по сравнению с механическими инструментами, которые быстро изнашиваются, лазер является бесконтактным и, следовательно, абсолютно не подвержен износу: Не требуется никакой последующей обработки, и на обработанных лазером деталях не остается расплава или других остатков обработки.
03. Лазерная цветная обработка поверхности
Лазерная закалка часто используется в лазерной красочной обработке поверхности, также известной как лазерная цветная маркировка. Принцип процесса заключается в том, что когда лазер нагревает материал, металл нагревается немного ниже его точки плавления. При соответствующих параметрах процесса структура затвора изменится: на поверхности заготовки образуется оксидный слой. Когда эта пленка подвергается воздействию света, падающий свет интерферирует, заставляя в это время проявляться различные цвета закалки. Красочный маркирующий слой, образующийся на поверхности, изменяется при разных углах обзора. Рисунок маркировки также изменится на различные цвета. Эти цвета остаются стабильными при температурах примерно до 200 "C. При более высоких температурах затвор вернется в свое первоначальное состояние - маркировка исчезнет. Качество поверхности будет полностью сохранено. Он имеет высокую степень безопасности и прослеживаемости в приложениях по борьбе с подделками. В последние годы он широко используется в области медицинских технологий. В дополнение к новой черной маркировке с помощью сверхкоротких импульсных лазеров, он также очень подходит для идентификации продукции, тем самым достигая уникальной прослеживаемости в соответствии с директивой UDI.
04. Лазерная наплавка
Это аддитивный производственный процесс, подходящий для металлических и металлокерамических гибридных материалов. Его можно использовать для создания или изменения трехмерных геометрий. Лазер также можно использовать для их ремонта или покрытия с помощью этого метода производства. В аэрокосмической отрасли аддитивное производство, таким образом, используется для ремонта лопаток турбин.
В производстве инструментов и штампов можно ремонтировать или даже армировать сломанные или изношенные края и формованные функциональные поверхности. В энергетических технологиях или нефтехимии подшипники, ролики или гидравлические компоненты покрываются для защиты от износа и коррозии. Аддитивное производство также используется в автомобилестроении. Здесь модифицируется большое количество компонентов.
При обычном лазерном осаждении металла лазерный луч сначала локально нагревает заготовку, а затем формирует расплавленную ванну. Затем тонкий металлический порошок распыляется непосредственно в расплавленную ванну из сопла лазерной технологической головки. При высокоскоростном лазерном осаждении металла частицы порошка уже нагреты почти до температуры плавления над поверхностью подложки. Поэтому для расплавления частиц порошка требуется меньше времени.
Эффект: значительное увеличение скорости процесса. Благодаря уменьшению термических эффектов, очень термочувствительные материалы, такие как алюминиевые сплавы и чугунные сплавы, также могут быть покрыты с помощью высокоскоростного лазерного осаждения металла. Высокие скорости поверхности до 1500 об/мин могут быть достигнуты на вращательно-симметричных поверхностях с использованием процесса HS-LMD. см/мин. При этом достигаются скорости подачи до нескольких сотен метров в минуту.
Ремонтируйте дорогие компоненты или пресс-формы быстро и легко с помощью лазерного порошкового напыления. Повреждения любого размера можно отремонтировать быстро и практически не оставляя следов. Также возможны изменения конструкции. Это экономит время, энергию и материал. Это особенно выгодно для дорогих металлов, таких как никель или титан. Типичные примеры применения — турбинные лопатки, различные поршни, клапаны, валы или пресс-формы.
05. Лазерная термообработка
Тысячи микролазеров (VCSEL) смонтированы на одном чипе. Каждый излучатель оснащен 56 такими чипами, а модуль состоит из нескольких излучателей. Прямоугольное поле излучения может содержать миллионы микролазеров и может выдавать несколько киловатт мощности инфракрасного лазера.
VCSEL генерируют лучи ближнего инфракрасного диапазона с интенсивностью излучения 100 Вт/см² с большим направленным прямоугольным поперечным сечением луча. В принципе, эта технология подходит для всех промышленных процессов, требующих чрезвычайно высокой точности в контроле поверхности и температуры.
Модули лазерной термообработки особенно подходят для нагрева большой площади с высокими и гибкими требованиями. По сравнению с традиционными методами нагрева, этот новый процесс нагрева отличается большей гибкостью, точностью и экономией затрат.
Эта технология может быть использована для герметизации ячеек типа «мешок», чтобы предотвратить сморщивание алюминиевой фольги, тем самым продлевая срок службы батареи. Она также может быть использована для сушки алюминиевой фольги батареи, пропитки солнечных панелей светом и точной обработки области нагрева определенных материалов (например, стальных и кремниевых пластин).
06. Лазерная полировка
Механизм технологии лазерной полировки заключается в поверхностном узком плавлении и поверхностном переплавлении, основанном на поверхностном переплавлении и повторном затвердевании слоя лазерного переплава. Когда поверхность металла облучается достаточно высокоэнергетическим лазером, ее поверхность претерпевает определенную степень переплавления и перераспределения, и благодаря действию поверхностного растягивающего напряжения и силы тяжести достигается гладкая поверхность перед затвердеванием.
Вся толщина расплавленного слоя меньше высоты от впадины до пика, так что весь расплавленный металл заполняется в близлежащую впадину. Движущая сила для этого заполнения достигается за счет капиллярного эффекта, в то время как более толстый слой заставит жидкий металл вытекать наружу из центра расплавленной ванны. Движущей силой является тепловой капиллярный эффект или эффект Маркони, так что он может быть перераспределен.
Шуйци Бегуан
Примеры применения включают керамику из карбида кремния, которая используется в качестве оптических компонентов легких и больших телескопов (особенно крупногабаритных и сложных по форме отражателей). RB-SiC является типичным материалом высокой твердости, сложной фазы, и технология его поверхностной прецизионной полировки сложна и неэффективна. Поверхность RB-SiC, предварительно покрытая порошком Si, модифицируется фемтосекундным лазером. Всего за 4,5 часа полировки можно получить оптическую поверхность с шероховатостью поверхности Sq 4,45 нм. По сравнению с прямой шлифовкой и полировкой эффективность полировки увеличивается более чем в 3 раза. Лазерная полировка также широко используется при полировке пресс-форм, кулачков и лопаток турбин.
07. Лазерная дробеструйная обработка
Лазерное ударное упрочнение, также известное как лазерная дробеструйная обработка, заключается в облучении поверхности металлических деталей лазером с высокой плотностью энергии, высокой фокусировкой и короткими импульсами (λ=1053нм). Поверхностный металл (или поглощающий слой) мгновенно образует плазменный взрыв под действием лазера с высокой плотностью мощности. Взрывная ударная волна передается внутрь металлической детали под давлением ограничительного слоя, заставляя поверхностные зерна производить компрессионную пластическую деформацию и получая остаточное сжимающее напряжение, измельчение зерна и другие эффекты поверхностного упрочнения в более толстом диапазоне поверхности детали. По сравнению с традиционной механической дробеструйной обработкой она имеет следующие преимущества:
1. Сильная направленность: лазер воздействует на металлическую поверхность под контролируемым углом, с высокой эффективностью преобразования энергии, в то время как угол механического воздействия снаряда является случайным:
2. Большая сила: Мгновенное давление, создаваемое при лазерной дробеструйной плазменной обработке, достигает нескольких ГПа: Высокая плотность мощности: Пиковая плотность мощности лазерного воздействия достигает от нескольких до десятков ГВт/см2:
3. Хорошая целостность поверхности: лазерное воздействие практически не оказывает распыляющего эффекта на поверхность, в то время как после механической дробеструйной обработки морфология поверхности повреждается и возникает концентрация напряжений.
Максимальное значение сжимающего напряжения после лазерного воздействия лучше, а остаточное сжимающее напряжение на поверхности увеличивается примерно на 40%~50%, что значительно улучшает значения связанных показателей, таких как усталостная долговечность, высокая термостойкость и изгибающая формовка заготовки. Применяется в областях обработки поверхности самолетов и обработки поверхности авиационных двигателей.
