تقنية المعالجة السطحية بالليزر ذات الدقة العميقة

المعالجة السطحية بالليزر هي تقنية تعمل على تغيير الخصائص السطحية للمواد عن طريق تسخين سطح المواد وصهره وتجميده من خلال شعاع الليزر. يمكن معالجتها في الغلاف الجوي والفراغ والبيئات الأخرى، ولها مزايا المعالجة غير التلامسية والحد الأدنى من تشوه قطعة العمل.

وفقًا للغرض المختلف للمعالجة السطحية، يمكن تقسيم المعالجة السطحية بالليزر إلى معالجة تعديل السطح ومعالجة الإزالة. من بينها، تشمل معالجة تعديل السطح التزجيج بالليزر، وإعادة الصهر بالليزر، وسبائك الليزر، والطلاء بالليزر، وما إلى ذلك. يشير علاج الإزالة بشكل أساسي إلى التنظيف بالليزر.

تستخدم تقنية معالجة الأسطح بالليزر على نطاق واسع في صناعة السيارات والفضاء والإلكترونيات والآلات وغيرها من الصناعات. على سبيل المثال، في صناعة السيارات، يمكن استخدام معالجة الأسطح بالليزر لتحسين مقاومة التآكل والتآكل لمكونات المحرك؛ في قطاع الطيران، يمكن استخدام معالجة الأسطح بالليزر لتحسين الخصائص السطحية لمكونات الطائرات، مما يزيد من عمر الكلال وموثوقيتها.

المعالجة السطحية بالليزر هي طريقة تستخدم شعاع الليزر لتسخين قطعة العمل بسرعة وبشكل محلي لتحقيق التسخين أو التبريد المحلي العاجل، وذلك لتغيير خصائص سطح المادة. وفقًا للغرض المختلف للمعالجة السطحية، يمكن تقسيم المعالجة السطحية بالليزر إلى معالجة تعديل السطح ومعالجة الإزالة.

تهدف معالجة تعديل السطح بالليزر إلى تحسين أداء سطح قطعة العمل من خلال تغيير الهيكل التنظيمي للمادة نفسها أو إدخال مواد أخرى أثناء عملية المسح بالليزر، ويمكن للتكنولوجيا معالجة سطح قطعة العمل بشكل انتقائي، وهو أمر مناسب للحفاظ على صلابة وقوة كافية لقطعة العمل ككل، والسطح للحصول على أداء عالي ومحدد، مثل مقاومة التآكل، ومقاومة التآكل، ومقاومة التعب، ومقاومة الأكسدة. تشمل تقنيات تعديل سطح الليزر الشائعة التزجيج بالليزر وإعادة الصهر بالليزر وسبائك الليزر والطلاء بالليزر.

يشير علاج إزالة الليزر بشكل أساسي إلى التنظيف بالليزر، والذي يستخدم شعاع الليزر ليتم امتصاصه بواسطة الطبقة الملوثة على السطح المراد معالجته، ويشكل امتصاص الطاقة الكبيرة بلازما سريعة التوسع، مما يولد موجة صدمة، تحت تأثير موجة الصدمة، تصبح الملوثات شظايا ويتم إزالتها. بالمقارنة مع طرق التنظيف التقليدية، يتميز التنظيف بالليزر بمزايا عدم الاتصال والكفاءة العالية وتقليل التلوث البيئي وما إلى ذلك.

يتأثر تأثير العلاج بتقنية معالجة الأسطح بالليزر بشكل أساسي بالعوامل التالية:

1. معلمات الليزر

• طاقة الليزر: يؤثر حجم الطاقة بشكل مباشر على مدخلات الطاقة، فكلما زادت الطاقة، زاد تأثير التسخين، مما قد يؤدي إلى عمق معالجة أعمق وتغيرات أكثر أهمية في الأنسجة.
• الطول الموجي لليزر: تختلف قدرة الامتصاص والاختراق للأطوال الموجية المختلفة لليزر في المادة، مما يؤثر على تأثير العلاج.
• عرض النبضة وترددها: تتيح عروض النبضة القصيرة معالجة أكثر دقة، بينما تعمل الترددات العالية على زيادة كفاءة المعالجة.

2. سرعة المسح

تحدد سرعة المسح وقت عمل الليزر في كل موضع، وقد تؤدي السرعة العالية جدًا إلى معالجة غير كافية، وقد تؤدي السرعة البطيئة جدًا إلى تسخين مفرط وتوسيع المنطقة المتضررة بالحرارة.

3. حجم البقعة

يؤثر حجم البقعة على تركيز توزيع الطاقة، كما تتيح البقع الأصغر معالجة محلية أكثر دقة.

4. خصائص المواد

• تركيب المواد: سيؤثر محتوى ونوع العناصر المختلفة على امتصاص المادة وتفاعلها مع الليزر.
• سوف تؤثر حالة البنية المجهرية الأصلية، مثل حجم الحبوب وتكوين الطور، على انتقال المرحلة وتطور البنية المجهرية بعد العلاج.

5. بيئة العلاج

بما في ذلك الغلاف الجوي (مثل الفراغ، والغاز الخامل، والغاز المؤكسد، وما إلى ذلك) ودرجة الحرارة، والتي سوف تؤثر على الأكسدة والنيترة والتفاعلات الكيميائية الأخرى أثناء عملية المعالجة.

6. معدل التداخل

في معالجة المسح المتعدد، ستؤثر درجة التداخل بين مسارات المسح المتجاورة على توحيد واستمرارية المعالجة.

7. عملية مساعدة

مثل إضافة غاز النفخ في عملية المعالجة، وتطبيق المجال المغناطيسي أو المجال الكهربائي والوسائل المساعدة الأخرى، سيؤثر أيضًا على تأثير العلاج.

فيما يلي بعض الطرق لتحسين تأثير العلاج بتقنية معالجة الأسطح بالليزر:

1. التحكم الدقيق في معلمات الليزر

• قم بإجراء تجارب وعمليات محاكاة مكثفة لتحديد المعلمات مثل طاقة الليزر المثالية والطول الموجي وعرض النبضة والتردد وسرعة المسح لمواد محددة ومتطلبات المعالجة.
• استخدام معدات الليزر المتقدمة لضبط المعلمات والاستقرار بشكل أفضل.

2. تحسين جودة البقعة وشكلها

• استخدام مكونات بصرية عالية الجودة لضمان توحيد البقع ودقة التركيز.
• وفقًا لمتطلبات المعالجة، حدد الشكل الموضعي المناسب، مثل الشكل الدائري أو المستطيل أو أي شكل محدد آخر.

3. تحسين سياسة المسح

• اعتماد تخطيط معقول لمسار المسح، مثل المسح الحلزوني، والمسح المتوازي، وما إلى ذلك، لتحقيق تأثير معالجة موحد.
• ضبط معدل الترابط لضمان الاستمرارية والاتساق في منطقة المعالجة.

4. المعالجة المسبقة للمواد

• تنظيف المواد، وإزالة طبقة الأكسيد والمعالجة المسبقة الأخرى، وتحسين معدل امتصاص الليزر لسطح المادة وتوحيد المعالجة.

5. السيطرة على بيئة المعالجة

• اعتمادًا على الغرض من المعالجة، يتم اختيار البيئة الجوية المناسبة، مثل الفراغ أو حماية الغاز الخامل أو الغازات التفاعلية المحددة.
• التحكم في درجة الحرارة أثناء عملية المعالجة إما عن طريق جهاز التبريد أو وسائل التسخين المسبق.

6. دمج العمليات المساعدة

• إدخال الغازات النفخية مثل النيتروجين والأرجون وغيرها. يساعد على إزالة الخبث والتحكم في التفاعلات الكيميائية.
• تطبيق المجالات المغناطيسية أو الكهربائية للتأثير على عملية التفاعل بين الليزر والمادة.

7. المراقبة في الوقت الحقيقي وردود الفعل

• استخدام تكنولوجيا المراقبة عبر الإنترنت، مثل قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء، والتصوير البصري، وما إلى ذلك، ومراقبة درجة الحرارة في الوقت الحقيقي، والتشكل والمعلمات الأخرى في عملية المعالجة.
• وفقًا لنتائج المراقبة، قم بضبط معلمات وعمليات الليزر في الوقت المناسب لتحقيق التحكم في الحلقة المغلقة.

8. مزيج متعدد العمليات

• يمكنك الجمع بين معالجة الأسطح بالليزر وتقنيات معالجة الأسطح الأخرى، مثل الطلاء الكهربائي والمعالجة الحرارية الكيميائية وما إلى ذلك، لتلعب مزايا كل منهما والحصول على أداء أفضل.

9. تطوير المواد واختيارها

• تطوير واختيار مواد جديدة ذات قدرة جيدة على التكيف مع المعالجة بالليزر، أو تحسين التركيب والهيكل التنظيمي للمواد الموجودة.

10. محاكاة العمليات والمحاكاة

• استخدم برامج المحاكاة والمحاكاة الحاسوبية للتنبؤ بعملية معالجة الأسطح بالليزر وتحسينها وتقليل عدد التجارب وخفض التكاليف.

يمكن تقييم تأثير العلاج بتقنية معالجة الأسطح بالليزر من الجوانب التالية:

1. مورفولوجيا السطح والخشونة

• استخدم المجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لمراقبة الشكل المجهري للسطح للتحقق مما إذا كان مسطحًا وما إذا كانت هناك شقوق ومسام وعيوب أخرى.
• قم بقياس خشونة السطح بمقياس الخشونة لتقييم نعومة السطح المعالج.

2. صلابة وقوة

• استخدام طرق اختبار الصلابة مثل صلابة روكويل وصلابة فيكرز وغيرها لقياس قيمة صلابة السطح المعالج لتحديد درجة تحسن الصلابة.
• إجراء اختبارات الشد والضغط وغيرها من الخواص الميكانيكية لتقييم تغير قوة المادة.

3. ارتداء المقاومة

• تم إجراء اختبار التآكل باستخدام آلة اختبار الاحتكاك والتآكل لمقارنة مقاومة التآكل للمادة قبل وبعد المعالجة.

4. المقاومة للتآكل

• تقييم مقاومة المواد للتآكل بعد معالجة السطح عن طريق اختبار رش الملح، واختبار التآكل الكهروكيميائي، وما إلى ذلك.

5. الإجهاد المتبقي

• قياس توزيع الإجهاد المتبقي على السطح والداخل باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية، وما إلى ذلك، لفهم تأثير العلاج على حالة الإجهاد للمادة.

6. طلاء قوة الترابط

• بالنسبة لعمليات مثل الطلاء بالليزر، يتم اختبار قوة ربط الطلاء بالركيزة، على سبيل المثال. اختبار الصفر.

7. تحليل البنية المجهرية

• باستخدام المجهر الميتالوغرافي وحيود التشتت الخلفي للإلكترون (EBSD) ووسائل أخرى لتحليل البنية المجهرية بعد العلاج، مثل حجم الحبوب وتكوين الطور والتغيرات الأخرى.

8. التركيب الكيميائي

• استخدم تحليل تشتت الطاقة (EDS)، والتحليل الطيفي الإلكتروني الضوئي للأشعة السينية (XPS) وطرق أخرى لتحديد تكوين العناصر السطحية وتوزيعها.

يمكن لتقييم الجوانب المذكورة أعلاه أن يحكم بشكل شامل ودقيق على تأثير المعالجة لتقنية معالجة الأسطح بالليزر، ويوفر أساسًا لمزيد من تحسين العملية.

المواد التالية مناسبة لتكنولوجيا معالجة الأسطح بالليزر:

1. المواد المعدنية:

الصلب: بما في ذلك الفولاذ الكربوني وسبائك الفولاذ وما إلى ذلك، غالبًا ما يستخدم لتحسين صلابته ومقاومته للتآكل ومقاومة التآكل.

• الألومنيوم وسبائك الألومنيوم: يمكن أن يحسن صلابة السطح، ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل.
• التيتانيوم وسبائك التيتانيوم: تعزز قوة سطحها ومقاومتها للتآكل، ومناسبة للفضاء والمجالات الأخرى.
• النحاس وسبائك النحاس: مثل تحسين التوصيل الكهربائي، ومقاومة التآكل، وغيرها.

2. مواد السيراميك: مثل الألومينا والزركونيا وغيرها، تعمل على تحسين صلابتها وجودة سطحها من خلال العلاج بالليزر.

3. مواد البوليمر: مثل البولي كربونات والبولي إيثيلين وما إلى ذلك، يمكن أن تعزز صلابة سطحها ومقاومة التآكل وخصائص الترابط.

4. المواد المركبة: مثل المواد المركبة المقواة بألياف الكربون (CFRP)، يمكن أن تحسن خصائص الترابط السطحي ومقاومة التآكل.

5. كربيد الأسمنت: غالبًا ما يستخدم العلاج بالليزر في تصنيع الأدوات والقوالب، ويمكن أن يطيل عمر الخدمة.

6. يموت الصلب: مثل Cr12MoV، وما إلى ذلك، بعد معالجة السطح بالليزر لتحسين جودة السطح وعمر خدمة القالب.

فيما يلي بعض الطرق لتحسين كفاءة المعالجة لتقنية معالجة الأسطح بالليزر:

1. تحسين معدات الليزر

• اختر مصدر ليزر ذو طاقة عالية وتردد تكرار عالي لزيادة إنتاج الطاقة لكل وحدة زمنية.
• ترقية النظام البصري لتحسين جودة وكفاءة نقل شعاع الليزر.

2. تقنية الشعاع المتعدد

• يمكن أن تؤدي المعالجة المتزامنة باستخدام أشعة ليزر متعددة إلى زيادة مساحة المعالجة وسرعتها بشكل كبير.

3. تحسين نظام المسح

• استخدم جلفانومتر المسح عالي السرعة أو أجهزة المسح الأكثر تقدمًا لتحسين سرعة المسح ودقته.

4. تخطيط مسار المسح بشكل صحيح

• صمم مسار المسح الأمثل لتقليل السفر غير الصالح والمناطق المتداخلة وتحسين كفاءة المعالجة.

5. الأتمتة والتحكم الذكي

• اجمع بين الروبوتات لأتمتة التثبيت وتحديد المواقع والتعامل معها، مما يقلل وقت التدخل اليدوي.
• استخدم نظام تحكم ذكي لضبط معلمات الليزر في الوقت الفعلي وفقًا لخصائص المواد ومتطلبات المعالجة.

6. المعالجة المتوازية

• بالنسبة لقطع العمل ذات الإنتاج الضخم، يمكن معالجة قطع عمل متعددة في وقت واحد.

7. المعالجة بالتسخين المسبق

• يتم تسخين قطعة العمل بشكل صحيح لتقليل استهلاك الطاقة والوقت أثناء المعالجة بالليزر.

8. تحسين معلمات العملية

• من خلال التجارب وعمليات المحاكاة المكثفة، يمكنك تحديد أفضل مزيج من طاقة الليزر وسرعة المسح وتردد النبض ومعلمات العملية الأخرى لتحقيق أعلى كفاءة معالجة.

9. المعالجة المسبقة للمواد

• المعالجة المسبقة للمادة مثل تنظيف السطح وإزالة طبقة الأكسدة مسبقًا لتحسين كفاءة الامتصاص وتأثير العلاج بالليزر.

10. تحسين نظام التبريد

• يضمن وجود نظام تبريد فعال يمنع ارتفاع درجة حرارة قطعة العمل، وبالتالي زيادة سرعة المعالجة.

11. تطوير عمليات علاجية جديدة

• بحث وتطبيق عمليات معالجة الأسطح بالليزر الأكثر كفاءة، مثل المعالجة بالليزر فائق السرعة.

1. صناعة السيارات 

لقد تم تطبيق تقنية التقسية بالليزر بنجاح على تقوية أسطح الأجزاء الضعيفة في صناعة السيارات، مثل التروس وأسطح العمود والأدلة والفكوك والقوالب وما إلى ذلك. من خلال التبريد بالليزر، يتم تحسين صلابة السطح ومقاومة التآكل لهذه الأجزاء، ويتم إطالة عمر الخدمة بشكل كبير، ويكون تشوه قطعة العمل قبل التبريد وبعده ضئيلًا تقريبًا، ومناسب بشكل خاص للأجزاء ذات متطلبات الدقة العالية.

2. صناعة القالب

في تصنيع القوالب، يمكن أن يؤدي استخدام تكنولوجيا المعالجة السطحية بالليزر إلى تحسين الأداء السطحي للقالب. على سبيل المثال، يمكن استخدام تقنية الكسوة بالليزر لإصلاح القوالب البالية، وتحسين صلابة سطحها ومتانتها؛ يمكن للتبريد بالليزر أن يعزز صلابة ومقاومة التعب لسطح القالب، ويقلل من تآكل وتشوه القالب أثناء الاستخدام.

3. مجال الطيران

غالبًا ما يتم استخدام تقنية تقوية الصدمات بالليزر لتحسين مقاومة التعب ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل لأجزاء الفضاء الجوي. تستخدم هذه التقنية موجات صدمة البلازما الناتجة عن أشعة الليزر القوية لخلق ضغوط ضغط عميقة على سطح المكونات، وبالتالي إطالة عمر الخدمة. في الوقت نفسه، يمكن استخدام تقنية التلدين بالليزر لضبط هيكل المصفوفة للمادة، وتقليل الصلابة، وصقل الحبوب، والقضاء على الإجهاد الداخلي، وما إلى ذلك، في معالجة أشباه الموصلات يمكن أن تحسن تكامل الدوائر المتكاملة.

4. حماية الآثار الثقافية

تقنية التنظيف بالليزر لها تأثير تطبيقي جيد في تنظيف الآثار الثقافية. يمكنها إزالة الأوساخ والصدأ والطلاء وما إلى ذلك على سطح الآثار الثقافية، في حين لا تسبب ضررًا للآثار الثقافية. على سبيل المثال، يمكن استعادة بعض الآثار المعدنية القديمة والمنحوتات الحجرية والجداريات وما إلى ذلك إلى مظهرها الأصلي عن طريق التنظيف بالليزر.

5. تصنيع محرك الأسلاك المسطحة

تقنية إزالة طبقة أكسيد الأسلاك النحاسية المسطحة بالليزر من خلال التحكم الدقيق في طاقة شعاع الليزر، يمكنها إزالة طبقة أكسيد سطح الأسلاك النحاسية المسطحة بسرعة وكفاءة، ولا تسبب أي ضرر تقريبًا للسلك النحاسي نفسه. لا تعمل هذه التقنية على استعادة وتحسين التوصيل الكهربائي للمحرك فحسب، بل تعمل أيضًا على تحسين كفاءة الإنتاج وتقليل التلوث البيئي ونفايات المواد. في مجالات مركبات الطاقة الجديدة والأتمتة الصناعية، يتمتع محرك السلك المسطح المعالج بهذه التكنولوجيا بموصلية كهربائية أفضل واستقرار حراري، كما تم تحسين موثوقيته وعمره الافتراضي.

6. زراعة العظام

يمكن استخدام تقنية المعالجة السطحية بالليزر النانو ثانية التي طورها المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا للحث على تكوين طبقات العظام الاصطناعية. تلغي هذه التقنية الحاجة إلى تصنيع المواد الخام بشكل منفصل لطلاء العظام الاصطناعي، ويمكن إنشاء الطلاء باستخدام ليزر النانو ثانية، ويكون طلاء الهيدروكسيباتيت الناتج بقوة طلاء عالية. على سبيل المثال، عند تطبيقه على أجهزة تثبيت العظام المعتمدة على التيتانيا، فإنه يمكن أن يعزز خصائص توصيل العظام، ويحسن التوافق الحيوي، والقدرة العظمية، وتوصيل العظام للطلاء، ويمكن للطريقة الجديدة أن تشكل رابطة طلاء ثلاثة أضعاف مواد الطلاء التقليدية، ويمكن أن تشكل طلاءًا على سطح ليس فقط المعدن ولكن أيضًا مواد البوليمر.

7. معالجة سطح التيتانيوم

يستخدم المعهد الكوري لأبحاث الكهرباء المعالجة السطحية بليزر الفيمتو ثانية للتيتانيوم، والتي لا يمكنها تحسين الخصائص المتأصلة للتيتانيوم فحسب، بل يمكنها أيضًا إنشاء سطح وظيفي. يمكن تحضير مادة التيتانيوم المحبة للماء بعد العلاج بليزر الفيمتو ثانية إلى زراعة الأسنان، والتي لديها درجة عالية من التقارب مع جسم الإنسان ويمكن أن تحقق اندماجًا مستقرًا مع العظام البشرية، وبالتالي تقصير دورة العلاج للمرضى بشكل كبير. يمكن تحضير مادة التيتانيوم بعد العلاج الكاره للماء وتحويلها إلى أجهزة طبية لزراعتها في الجسم الحي، مما يساعد على تقليل تفاعل الجسم الغريب لدى المريض.

تقنية معالجة الأسطح بالليزر هي تقنية متقدمة لتغيير الخصائص السطحية للمواد بواسطة شعاع الليزر، والتي لها العديد من المزايا مثل الدقة العالية والمعالجة المحلية والتشوه الصغير. يتأثر تأثير المعالجة بمعلمات الليزر وسرعة المسح وحجم البقعة وخصائص المواد وبيئة المعالجة وعوامل أخرى. من أجل تحسين تأثير العلاج، يمكن البدء به من جوانب عديدة، مثل التحكم الدقيق في معلمات الليزر، وتحسين استراتيجية البقعة والمسح الضوئي، والجمع بين التكنولوجيا المساعدة وملاحظات المراقبة في الوقت الفعلي. هذه التكنولوجيا مناسبة للمعادن والسيراميك والبوليمرات والمواد المركبة وغيرها من المواد. يمكن تقييم تأثير المعالجة من عدة زوايا مثل شكل السطح والصلابة ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل. تشمل طرق تحسين كفاءة المعالجة تحسين معدات الليزر، واستخدام أنظمة المسح المتعددة الحزم والمتقدمة، وتخطيط مسارات المسح، وتحقيق التحكم الآلي. هناك حالات تطبيق ناجحة في العديد من المجالات مثل السيارات والقوالب والفضاء وحماية الآثار الثقافية، والتي لعبت دورًا مهمًا في تحسين أداء المنتج وجودته. في المستقبل، من المتوقع أن تستمر تكنولوجيا معالجة الأسطح بالليزر في التطور من حيث الدقة والكفاءة والذكاء والجوانب الأخرى، وتوسيع نطاق أوسع من مجالات التطبيق.

اتصل بنا