Протягом тривалого часу лазерна технологія була відома своїм широким використанням у зварюванні, різанні та маркуванні. За останні два роки, з поступовою популяризацією лазерного очищення, концепція лазерної обробки поверхні все більше і більше стає центром уваги людей і з’являється в умах людей. Лазерна обробка є безконтактною, високогнучкою, високошвидкісною та безшумною, з невеликою зоною теплового впливу та без пошкоджень підкладки, без витратних матеріалів, екологічно чиста та з низьким вмістом вуглецю.
На додаток до лазерного очищення, лазерна обробка поверхні фактично має багато категорій застосування, таких як лазерне полірування, лазерне плакування, лазерне гартування тощо. Ці методи використовуються для зміни конкретних фізичних і хімічних властивостей поверхні матеріалу, таких як процес обробки поверхні гідрофобні або за допомогою лазерних імпульсів для створення невеликих поглиблень діаметром близько 10 мікрон і глибиною лише кілька мікрон, щоб збільшити шорсткість і посилити адгезію поверхні.
Окрім лазерного очищення, чи знаєте ви наступні методи лазерної обробки поверхні?
01. Лазерне гартування
Лазерне гартування є одним із рішень для обробки складних деталей з високими навантаженнями. Завдяки йому деталі з високим ступенем зносу, такі як розподільні вали та інструменти для згинання, витримують більші навантаження та продовжують термін служби.
Його принцип полягає в перегрупуванні атомів вуглецю в металевій решітці (аустенізація) шляхом нагрівання поверхні заготовки, що містить вуглець, до температури трохи нижче температури плавлення (900-1400 градус поглинається 40% потужності випромінювання), а потім лазерний промінь стабільно нагріває поверхню вздовж напрямку подачі. Під час руху лазерного променя навколишній матеріал швидко охолоджується, і металева решітка не може повернутися до своєї початкової форми, утворюючи таким чином мартенсит, який значно підвищує твердість.
Глибина загартування зовнішнього шару вуглецевої сталі, досягнута за допомогою лазерного загартування, зазвичай становить 0.1-1.5 мм, а для деяких матеріалів може становити 2,5 мм або більше. У порівнянні з традиційними методами гартування його переваги:
1. Цільове підведення тепла обмежене тією самою площею, тому деформації компонентів під час обробки майже немає. Витрати на переробку зменшуються або навіть повністю виключаються:
2. Він також може зміцнювати складні геометричні поверхні та прецизійні деталі, а також може досягти точного зміцнення локально обмежених функціональних поверхонь, які не можна загартувати традиційними методами загартування:
3. Відсутність спотворень. Традиційні процеси загартування призводять до деформацій через більші витрати енергії та загартування, але в процесах лазерного загартування можна точно контролювати надходження тепла завдяки лазерній технології та контролю температури. Компонент залишається майже в початковому стані:
4. Геометрію твердості компонента можна змінити «миттєво». Це означає, що немає необхідності перетворювати оптику/всю систему.
02. Лазерне текстурування
Лазерне текстурування є одним із способів модифікації поверхні металевих матеріалів. Під час процесу структурування лазер створює регулярні геометрії в шарі або підкладці, щоб цілеспрямовано змінити технічні властивості та розробити нові функції. Процес приблизно полягає у використанні лазерного випромінювання (зазвичай короткоімпульсних лазерів) для генерування регулярно розташованих геометрій на поверхні у відтворюваний спосіб. Лазерний промінь розплавляє матеріал контрольованим чином і твердне у визначену структуру за допомогою відповідного керування процесом.
Наприклад, гідрофобна структура поверхні дозволяє воді стікати з поверхні. Цієї функції можна досягти шляхом створення субмікронних структур на поверхні за допомогою ультракоротких імпульсних лазерів, і створюваною структурою можна точно керувати, змінюючи параметри лазера. Також можна досягти протилежного ефекту, наприклад гідрофільної поверхні:
Для фарбування автомобільних панелей на поверхні тонкої пластини необхідно рівномірно розподілити «мікроямки» для посилення адгезії фарби. Імпульсний лазерний промінь з частотою від тисяч до десятків тисяч разів на секунду фокусується і падає на поверхню ролика. Крихітна купа розплаву утворюється на поверхні кочення в точці фокусування. У той же час крихітну ванну розплаву видувають убік, щоб дозволити розплаву в ванні розплаву накопичуватися якомога більше до краю ванни розплаву відповідно до заданих вимог для формування дугоподібної бобишки. Ці невеликі виступи та мікро-виїмки можуть не тільки збільшити шорсткість поверхні матеріалу та збільшити адгезію фарби, але також підвищити поверхневу твердість матеріалу та подовжити термін служби.
Деякі характеристики генеруються лазерним структуруванням, наприклад характеристики тертя або електро- та теплопровідність деяких металевих матеріалів. Крім того, лазерне структурування також збільшує міцність з’єднання та термін служби заготовки.
Шуйшан Богуан
Порівняно з традиційними методами структурування поверхонь лазером є більш безпечним для навколишнього середовища та не потребує додаткових піскоструминних агентів або хімікатів: повторюваний і точний, лазер досягає контрольованої структури з точністю до мікронів і його дуже легко відтворити: низькі витрати на обслуговування порівняно з механічними інструментами, які швидко зношується, лазер безконтактний і тому абсолютно не зношується: не потрібна додаткова обробка, на оброблених лазером деталях не залишається залишків розплаву чи інших процесів.
03. Лазерна кольорова обробка поверхні
Лазерне загартування часто використовується в лазерній барвистій обробці поверхні, також відомої як лазерне кольорове маркування. Принцип процесу полягає в тому, що коли лазер нагріває матеріал, метал нагрівається до температури трохи нижче температури плавлення. При відповідних параметрах процесу структура затвора зміниться: на поверхні заготовки утвориться оксидний шар. Коли ця плівка піддається впливу світла, падаюче світло заважає, щоб у цей час з’явилися різні темперовані кольори. Барвистий маркувальний шар, створений на поверхні, змінюється залежно від кута огляду. Візерунок знака також зміниться на різні кольори. Ці кольори залишаються стабільними при температурах приблизно до 200 "C. При більш високих температурах ворота повертаються до свого початкового стану - маркування зникає. Якість поверхні повністю збережеться. Він має високий ступінь безпеки та простежуваності в анти- Останніми роками він широко використовується в галузі медичних технологій, на додаток до нового чорного маркування ультракороткими імпульсними лазерами, він також дуже підходить для ідентифікації продукції, завдяки чому досягається унікальна відстежуваність відповідно до директиви UDI.
04. Лазерне наплавлення
Це адитивний процес виробництва, придатний для металевих і металокерамічних гібридних матеріалів. Це можна використовувати для створення або зміни 3D-геометрій. Лазер також можна використовувати для ремонту або покриття за допомогою цього методу виробництва. Тому в аерокосмічному секторі для ремонту турбінних лопаток використовується адитивне виробництво.
У виробництві інструментів і матриць зламані або зношені кромки та фасонні функціональні поверхні можна відремонтувати або навіть закріпити. В енергетичних технологіях або нафтохімії підшипники, ролики або гідравлічні компоненти мають покриття для захисту від зносу та корозії. Адитивне виробництво також використовується в автомобілебудуванні. Тут модифікується велика кількість компонентів.
Під час звичайного лазерного осадження металу лазерний промінь спочатку локально нагріває заготовку, а потім утворює розплавлену ванну. Потім дрібний металевий порошок розпилюється безпосередньо в розплавлену ванну з сопла головки лазерної обробки. При високошвидкісному лазерному осадженні металу частинки порошку вже нагріті майже до температури плавлення над поверхнею підкладки. Тому для розплавлення частинок порошку потрібно менше часу.
Ефект: значно збільшилася швидкість процесу. Завдяки зниженому тепловому ефекту, дуже чутливі до тепла матеріали, такі як алюмінієві сплави та сплави чавуну, також можуть бути покриті за допомогою високошвидкісного лазерного осадження металу. За допомогою процесу HS-LMD можна досягти високих поверхневих швидкостей до 1500 об/хв на обертово-симетричних поверхнях. см/хв. При цьому досягаються швидкості подачі до кількох сотень метрів за хвилину.
Швидко та легко відремонтуйте дорогі компоненти або форми за допомогою лазерного порошкового напилення. Пошкодження будь-якого розміру можна усунути швидко і майже без слідів. Також можливі зміни дизайну. Це економить час, енергію та матеріали. Це особливо важливо для дорогих металів, таких як нікель або титан. Типовими прикладами застосування є лопатки турбіни, різні поршні, клапани, вали або форми.
05. Лазерна термообробка
Тисячі мікролазерів (VCSEL) встановлені на одному чіпі. Кожен випромінювач оснащений 56 такими мікросхемами, а модуль складається з декількох випромінювачів. Прямокутне поле випромінювання може містити мільйони мікролазерів і може видавати кілька кіловат потужності інфрачервоного лазера.
VCSEL генерують промені ближнього інфрачервоного діапазону з інтенсивністю випромінювання 100 Вт/см² із великим спрямованим прямокутним поперечним перерізом променя. В принципі, ця технологія підходить для всіх промислових процесів, які вимагають надзвичайно високої точності контролю поверхні та температури.
Модулі лазерної термообробки особливо підходять для опалення великих площ із вимогливими та гнучкими вимогами. У порівнянні з традиційними методами нагрівання цей новий процес нагрівання має вищу гнучкість, точність і економію коштів.
Ця технологія може бути використана для герметизації елементів мішкового типу, щоб запобігти зминання алюмінієвої фольги, подовжуючи таким чином термін служби батареї. Його також можна використовувати для сушіння алюмінієвої фольги акумулятора, освітлення сонячних панелей і точної обробки зони нагріву певних матеріалів (таких як сталь і кремнієві пластини).
06. Лазерне полірування
Механізм технології лазерного полірування полягає в поверхневому вузькому плавленні та поверхневому переплавленні, що базується на поверхневому переплавленні та повторному затвердінні лазерного переплавленого шару. Коли металева поверхня опромінюється досить високоенергетичним лазером, її поверхня зазнає певного ступеня переплавлення та перерозподілу, і завдяки дії поверхневого розтягуючого напруження та сили тяжіння досягається гладка поверхня перед затвердінням.
Повна товщина розплавленого шару менша за висоту від жолоба до вершини, так що весь розплавлений метал заливається в ближній жолоб. Рушійна сила для цього наповнення досягається через капілярний ефект, тоді як більш товстий шар змусить рідкий метал витікати назовні з центру розплавленої ванни. Рушійною силою є тепловий капілярний ефект або ефект Марконі, так що він може перерозподілятися.
Шуїці Бігуан
Сфери застосування включають кераміку з карбіду кремнію, яка використовується як оптичні компоненти легких і великих телескопів (особливо великогабаритних і складних за формою рефлекторів). RB-SiC є типовим високотвердим матеріалом із складною фазою, і його технологія точного полірування поверхні є складною та неефективною. Поверхня RB-SiC, попередньо покрита порошком Si, модифікується фемтосекундним лазером. Лише після 4,5 годин полірування можна отримати оптичну поверхню з шорсткістю поверхні Sq 4,45 нм. У порівнянні з прямим шліфуванням і поліруванням ефективність полірування збільшується більш ніж в 3 рази. Лазерне полірування також широко використовується для полірування форм, кулачків і турбінних лопаток.
07. Лазерна дробеструйна обробка
Лазерне ударне зміцнення, також відоме як лазерне дробеструйне оброблення, полягає в опроміненні поверхні металевих деталей короткоімпульсним лазером високої щільності енергії (λ=1053 нм). Поверхневий метал (або абсорбційний шар) миттєво утворює плазмовий вибух під дією потужного лазера щільності. Ударна хвиля вибуху передається всередину металевої частини під обмеженням обмежувального шару, змушуючи поверхневі зерна виробляти стиснуту пластичну деформацію та отримувати залишкову напругу стиску, подрібнення зерна та інші ефекти зміцнення поверхні в більш товстому діапазоні. поверхні деталі. У порівнянні з традиційним механічним дробеструйним обробленням він має такі переваги:
1. Сильна спрямованість: лазер діє на металеву поверхню під регульованим кутом з високою ефективністю перетворення енергії, тоді як механічний кут удару снаряда є випадковим:
2. Велика сила: миттєвий тиск, створюваний плазмовим струминним очищенням, досягає кількох ГПа. Висока щільність потужності: пікова щільність потужності лазерного впливу досягає від кількох до десятків ГВт//см2:
3. Хороша цілісність поверхні: лазерний вплив майже не розпилює поверхню, тоді як після механічної дробеструйної обробки морфологія поверхні пошкоджується та виникає концентрація напруги.
Максимальне значення напруги стиску після лазерного впливу є кращим, а поверхневе залишкове напруження стиску збільшується приблизно на 40% ~ 50%, що значно покращує значення пов’язаних показників, таких як довговічність, стійкість до високих температур і формування вигину. заготовка. Він застосовувався в галузі обробки поверхні літаків і авіаційних двигунів.
