Hochauflösende Laser-Oberflächenbehandlungstechnologie

Bei der Laseroberflächenbehandlung handelt es sich um eine Technologie, die die Oberflächeneigenschaften von Materialien durch Erhitzen, Schmelzen und Gefrieren der Materialoberfläche durch einen Laserstrahl verändert. Es kann in Atmosphäre, Vakuum und anderen Umgebungen bearbeitet werden und bietet die Vorteile einer berührungslosen Bearbeitung und einer minimalen Werkstückverformung.

Je nach dem unterschiedlichen Zweck der Oberflächenbehandlung kann die Laseroberflächenbehandlung in eine Oberflächenmodifizierungsbehandlung und eine Entfernungsbehandlung unterteilt werden. Zu den Oberflächenmodifizierungsbehandlungen gehören unter anderem Laserglasieren, Laserumschmelzen, Laserlegieren, Laserbeschichten usw. Die Entfernungsbehandlung bezieht sich hauptsächlich auf die Laserreinigung.

Die Laseroberflächenbehandlungstechnologie wird häufig in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Elektronik-, Maschinenbau- und anderen Industriezweigen eingesetzt. Beispielsweise kann im Automobilbau die Laseroberflächenbehandlung eingesetzt werden, um die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Motorkomponenten zu verbessern; Im Luft- und Raumfahrtsektor kann die Laseroberflächenbehandlung zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Flugzeugkomponenten eingesetzt werden und so deren Ermüdungslebensdauer und Zuverlässigkeit erhöhen.

Laser-Oberflächenbehandlung ist eine Methode, bei der der Laserstrahl verwendet wird, um das Werkstück schnell und lokal zu erwärmen, um eine lokale dringende Erwärmung oder Abkühlung zu erreichen und so die Oberflächeneigenschaften des Materials zu verändern. Je nach dem unterschiedlichen Zweck der Oberflächenbehandlung kann die Laseroberflächenbehandlung in eine Oberflächenmodifizierungsbehandlung und eine Entfernungsbehandlung unterteilt werden.

Bei der Laser-Oberflächenmodifikationsbehandlung geht es darum, die Oberflächenleistung des Werkstücks durch die Änderung der Organisationsstruktur des Materials selbst oder die Einführung anderer Materialien während des Laserscanvorgangs zu verbessern. Die Technologie kann die Oberfläche des Werkstücks selektiv behandeln, was förderlich ist zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Zähigkeit und Festigkeit des Werkstücks als Ganzes und der Oberfläche, um hohe und spezifische Leistungen zu erzielen, wie z. B. Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit. Zu den gängigen Techniken zur Laseroberflächenmodifizierung gehören Laserglasieren, Laserumschmelzen, Laserlegieren und Laserbeschichten.

Die Laserentfernungsbehandlung bezieht sich hauptsächlich auf die Laserreinigung, bei der der Laserstrahl von der kontaminierten Schicht auf der zu behandelnden Oberfläche absorbiert wird und durch die Absorption großer Energie ein sich schnell ausdehnendes Plasma entsteht, das unter der Wirkung eine Stoßwelle erzeugt Durch die Druckwelle zerfallen die Schadstoffe in Bruchstücke und werden abtransportiert. Im Vergleich zu herkömmlichen Reinigungsmethoden bietet die Laserreinigung die Vorteile einer berührungslosen Reinigung, einer hohen Effizienz, einer geringeren Umweltverschmutzung usw.

Der Behandlungseffekt der Laser-Oberflächenbehandlungstechnologie wird hauptsächlich durch die folgenden Faktoren beeinflusst:

1.Laserparameter

• Laserleistung: Die Leistungsgröße wirkt sich direkt auf den Energieeintrag aus. Je höher die Leistung, desto intensiver der Heizeffekt, was zu einer tieferen Bearbeitungstiefe und stärkeren Gewebeveränderungen führen kann.
• Laserwellenlänge: Die Absorptions- und Durchdringungskapazität verschiedener Laserwellenlängen im Material ist unterschiedlich, was sich auf den Behandlungseffekt auswirkt.
• Impulsbreite und -frequenz: Kurze Impulsbreiten ermöglichen eine feinere Verarbeitung, während hohe Frequenzen die Verarbeitungseffizienz erhöhen.

2. Scangeschwindigkeit

Die Scangeschwindigkeit bestimmt die Wirkungszeit des Lasers an jeder Position. Eine zu hohe Geschwindigkeit kann zu einer unzureichenden Verarbeitung führen, eine zu langsame Geschwindigkeit kann zu übermäßiger Erwärmung und Ausdehnung der Wärmeeinflusszone führen.

3.Spotgröße

Die Spotgröße beeinflusst die Konzentration der Energieverteilung und kleinere Spots ermöglichen eine genauere lokale Verarbeitung.

4.Materialeigenschaften

• Materialzusammensetzung: Der Gehalt und die Art der verschiedenen Elemente beeinflussen die Absorption und Reaktion des Materials auf den Laser.
• Der ursprüngliche Mikrostrukturzustand, wie Korngröße und Phasenzusammensetzung, beeinflusst den Phasenübergang und die Mikrostrukturentwicklung nach der Behandlung.

5. Behandlungsumgebung

einschließlich Atmosphäre (wie Vakuum, Inertgas, Oxidationsgas usw.) und Temperatur, die sich auf die Oxidation, Nitrierung und andere chemische Reaktionen während des Behandlungsprozesses auswirken.

6.Überlappungsrate

Bei der Verarbeitung mehrerer Scans wirkt sich der Grad der Überlappung zwischen benachbarten Scanspuren auf die Gleichmäßigkeit und Kontinuität der Verarbeitung aus.

7. Hilfsprozess

B. die Zugabe von Blasgas im Behandlungsprozess, die Anwendung eines Magnetfelds oder eines elektrischen Felds und anderer Hilfsmittel, wirken sich ebenfalls auf den Behandlungseffekt aus.

Im Folgenden finden Sie einige Möglichkeiten zur Optimierung des Behandlungseffekts der Laser-Oberflächenbehandlungstechnologie:

1. Präzise Steuerung der Laserparameter

• Führen Sie umfangreiche Experimente und Simulationen durch, um Parameter wie optimale Laserleistung, Wellenlänge, Impulsbreite, Frequenz und Scangeschwindigkeit für bestimmte Materialien und Verarbeitungsanforderungen zu bestimmen.
• Der Einsatz fortschrittlicher Lasergeräte für eine feinere Parametereinstellung und Stabilität.

2. Optimieren Sie Spotqualität und -form

• Der Einsatz hochwertiger optischer Komponenten sorgt für Punktgleichmäßigkeit und Fokussiergenauigkeit.
• Wählen Sie entsprechend den Verarbeitungsanforderungen die entsprechende Spotform aus, z. B. rund, rechteckig oder eine andere spezifische Form.

3. Verbessern Sie die Scanrichtlinie

• Übernehmen Sie eine angemessene Planung des Scanpfads, z. B. Spiralscannen, Parallelscannen usw., um einen gleichmäßigen Verarbeitungseffekt zu erzielen.
• Passen Sie die Bindungsrate an, um Kontinuität und Konsistenz im Verarbeitungsbereich sicherzustellen.

4. Materialvorbehandlung

• Reinigen Sie das Material, entfernen Sie die Oxidschicht und andere Vorbehandlungen, verbessern Sie die Laserabsorptionsrate der Materialoberfläche und die Gleichmäßigkeit der Behandlung.

5. Kontrollieren Sie die Verarbeitungsumgebung

• Abhängig vom Zweck der Behandlung wird die geeignete Atmosphärenumgebung ausgewählt, beispielsweise Vakuum, Inertgasschutz oder bestimmte reaktive Gase.
• Kontrollieren Sie die Temperatur während des Behandlungsprozesses, entweder durch eine Kühlvorrichtung oder eine Vorheizvorrichtung.

6. Integrieren Sie Hilfsprozesse

• Das Einbringen von Blasgasen wie Stickstoff, Argon etc. hilft, Schlacken zu entfernen und chemische Reaktionen zu kontrollieren.
• Wenden Sie magnetische oder elektrische Felder an, um den Wechselwirkungsprozess zwischen Laser und Material zu beeinflussen.

7. Überwachung und Feedback in Echtzeit

• Mithilfe von Online-Überwachungstechnologien wie Infrarot-Temperaturmessung, optischer Bildgebung usw. können Temperatur, Morphologie und andere Parameter im Verarbeitungsprozess in Echtzeit überwacht werden.
• Passen Sie die Laserparameter und -prozesse entsprechend den Überwachungsergebnissen rechtzeitig an, um eine Regelung im geschlossenen Regelkreis zu erreichen.

8. Multiprozesskombination

• Kombinieren Sie die Laseroberflächenbehandlung mit anderen Oberflächenbehandlungstechnologien wie Galvanisieren, chemischer Wärmebehandlung usw., um ihre jeweiligen Vorteile auszunutzen und eine bessere Leistung zu erzielen.

9. Materialentwicklung und -auswahl

• Entwickeln und wählen Sie neue Materialien mit guter Anpassungsfähigkeit an die Laserbearbeitung aus oder optimieren Sie die Zusammensetzung und Organisationsstruktur vorhandener Materialien.

10. Prozesssimulation und Simulation

• Verwenden Sie Computersimulation und Simulationssoftware, um den Prozess der Laseroberflächenbehandlung vorherzusagen und zu optimieren, die Anzahl der Experimente zu reduzieren und die Kosten zu senken.

Die Bewertung des Behandlungseffekts der Laser-Oberflächenbehandlungstechnologie kann unter folgenden Aspekten erfolgen:

1. Oberflächenmorphologie und Rauheit

• Verwenden Sie ein optisches Mikroskop und ein Rasterelektronenmikroskop (REM), um die mikroskopische Morphologie der Oberfläche zu beobachten und zu prüfen, ob sie flach ist und ob Risse, Poren und andere Defekte vorhanden sind.
• Messen Sie die Oberflächenrauheit mit einem Rauheitsmessgerät, um die Glätte der behandelten Oberfläche zu beurteilen.

2. Härte und Stärke

• Verwendung von Härteprüfmethoden wie Rockwell-Härte, Vickers-Härte usw. zur Messung des Härtewerts der behandelten Oberfläche, um den Grad der Härteverbesserung zu bestimmen.
• Führen Sie Zug-, Druck- und andere mechanische Eigenschaftstests durch, um die Festigkeitsänderung des Materials zu bewerten.

3. Verschleißfestigkeit

• Der Verschleißtest wurde mit einer Reibungs- und Verschleißtestmaschine durchgeführt, um die Verschleißfestigkeit des Materials vor und nach der Behandlung zu vergleichen.

4. Korrosionsbeständigkeit

• Bewerten Sie die Korrosionsbeständigkeit von Materialien nach der Oberflächenbehandlung mittels Salzsprühtest, elektrochemischem Korrosionstest usw.

5. Verbleibender Stress

• Messen Sie die Eigenspannungsverteilung auf der Oberfläche und im Inneren mithilfe von Röntgenbeugungstechniken usw., um die Auswirkung der Behandlung auf den Spannungszustand des Materials zu verstehen.

6. Haftfestigkeit der Beschichtung

• Bei Verfahren wie der Laserbeschichtung wird die Haftfestigkeit der Beschichtung zum Untergrund geprüft, z.B. Kratzprüfung.

7. Mikrostrukturanalyse

• Mithilfe von metallografischer Mikroskopie, Elektronenrückstreubeugung (EBSD) und anderen Methoden wird die Mikrostruktur nach der Behandlung analysiert, beispielsweise Korngröße, Phasenzusammensetzung und andere Veränderungen.

8. Chemische Zusammensetzung

• Verwenden Sie energiedispersive Analyse (EDS), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und andere Methoden, um die Zusammensetzung und Verteilung von Oberflächenelementen zu bestimmen.

Die Bewertung der oben genannten Aspekte kann den Behandlungseffekt der Laser-Oberflächenbehandlungstechnologie umfassend und genau beurteilen und eine Grundlage für die weitere Optimierung des Prozesses bilden.

Folgende Materialien sind für die Laser-Oberflächenbehandlungstechnik geeignet:

1. Metallmaterialien:

Stahl: einschließlich Kohlenstoffstahl, legierter Stahl usw., der häufig zur Verbesserung seiner Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit verwendet wird.

• Aluminium und Aluminiumlegierungen: können die Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbessern.
• Titan und Titanlegierungen: verbessern ihre Oberflächenfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit und eignen sich für die Luft- und Raumfahrt und andere Bereiche.
• Kupfer und Kupferlegierungen: z. B. zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit, Verschleißfestigkeit usw.

2. Keramische Materialien wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid usw. verbessern durch Laserbehandlung ihre Zähigkeit und Oberflächenqualität.

3. Polymermaterialien wie Polycarbonat, Polyethylen usw. können die Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit und Klebeeigenschaften verbessern.

4. Verbundwerkstoffe: wie kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK), können die Oberflächenbindungseigenschaften und die Verschleißfestigkeit verbessern.

5. Hartmetall: Wird häufig im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt und kann durch Laserbehandlung die Lebensdauer verlängern.

6. Matrizenstahl: wie Cr12MoV usw., nach einer Laseroberflächenbehandlung zur Verbesserung der Oberflächenqualität und Lebensdauer der Matrize.

Im Folgenden finden Sie einige Möglichkeiten zur Verbesserung der Verarbeitungseffizienz der Laser-Oberflächenbehandlungstechnologie:

1. Laserausrüstung optimieren

• Wählen Sie eine Laserquelle mit hoher Leistung und hoher Wiederholfrequenz, um die Energieabgabe pro Zeiteinheit zu erhöhen.
• Rüsten Sie das optische System auf, um die Qualität und Übertragungseffizienz des Laserstrahls zu verbessern.

2. Mehrstrahltechnik

• Durch die gleichzeitige Bearbeitung mit mehreren Laserstrahlen können Bearbeitungsfläche und -geschwindigkeit deutlich erhöht werden.

3. Verbessern Sie das Scansystem

• Verwenden Sie Hochgeschwindigkeits-Scangalvanometer oder fortschrittlichere Scangeräte, um die Scangeschwindigkeit und -genauigkeit zu verbessern.

4. Planen Sie den Scanpfad richtig

• Entwerfen Sie den optimalen Scanpfad, um ungültige Bewegungen und überlappende Bereiche zu reduzieren und die Verarbeitungseffizienz zu verbessern.

5. Automatisierung und intelligente Steuerung

• Kombinieren Sie Robotik, um Spannen, Positionieren und Handling zu automatisieren und so die Zeit für manuelle Eingriffe zu reduzieren.
• Nutzen Sie ein intelligentes Steuerungssystem, um die Laserparameter in Echtzeit entsprechend den Materialeigenschaften und Handhabungsanforderungen anzupassen.

6. Parallelverarbeitung

• Bei Massenwerkstücken können mehrere Werkstücke gleichzeitig bearbeitet werden.

7. Vorwärmbehandlung

• Das Werkstück wird richtig vorgewärmt, um den Energieverbrauch und die Zeit während der Laserbearbeitung zu reduzieren.

8. Optimierung von Prozessparametern

• Bestimmen Sie durch umfangreiche Experimente und Simulationen die beste Kombination aus Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Pulsfrequenz und anderen Prozessparametern, um die höchste Bearbeitungseffizienz zu erreichen.

9. Materialvorbehandlung

• Vorbehandlung des Materials wie Oberflächenreinigung und Entfernung der Oxidationsschicht im Vorfeld, um die Absorptionseffizienz und Behandlungswirkung des Lasers zu verbessern.

10. Optimierung des Kühlsystems

• Sorgt für ein effizientes Kühlsystem, das eine Überhitzung des Werkstücks verhindert und dadurch die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht.

11. Entwickeln Sie neue Behandlungsverfahren

• Erforschung und Anwendung effizienterer Laser-Oberflächenbehandlungsverfahren, wie beispielsweise der ultraschnellen Laserbehandlung.

1. Automobilindustrie 

Die Laserhärtetechnologie wird erfolgreich zur Oberflächenverstärkung gefährdeter Teile in der Automobilindustrie eingesetzt, wie z. B. Zahnräder, Wellenoberflächen, Führungen, Backen, Formen usw. Durch das Laserhärten werden die Oberflächenhärte und die Verschleißfestigkeit dieser Teile verbessert, die Lebensdauer deutlich verlängert und die Verformung des Werkstücks vor und nach dem Härten ist nahezu vernachlässigbar, was besonders für Teile mit hohen Präzisionsanforderungen geeignet ist.

2. Formenbau

Im Formenbau kann der Einsatz der Laser-Oberflächenbehandlungstechnologie die Oberflächenleistung der Form verbessern. Mit der Laserbeschichtungstechnologie können beispielsweise abgenutzte Formen repariert und so deren Oberflächenhärte und Haltbarkeit verbessert werden. Das Laserabschrecken kann die Härte und Ermüdungsbeständigkeit der Formoberfläche verbessern und den Verschleiß und die Verformung der Form während des Gebrauchs verringern.

3. Luft- und Raumfahrtbereich

Die Laserschockverfestigungstechnologie wird häufig zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Luft- und Raumfahrtteilen eingesetzt. Die Technologie nutzt Plasmastoßwellen, die durch starke Laserstrahlen erzeugt werden, um tiefe Druckspannungen auf der Oberfläche von Bauteilen zu erzeugen und so deren Lebensdauer zu verlängern. Gleichzeitig kann die Laser-Annealing-Technologie verwendet werden, um die Matrixstruktur des Materials anzupassen, die Härte zu reduzieren, die Körnung zu verfeinern, innere Spannungen zu beseitigen usw. Bei der Halbleiterverarbeitung kann die Integration integrierter Schaltkreise verbessert werden.

4. Schutz kultureller Relikte

Die Laserreinigungstechnologie hat eine gute Anwendungswirkung bei der Reinigung kultureller Relikte. Es kann Schmutz, Rost, Beschichtungen usw. von der Oberfläche von Kulturdenkmälern entfernen, ohne die Kulturdenkmäler zu beschädigen. Beispielsweise können einige antike Metallrelikte, Steinschnitzereien, Wandgemälde usw. durch Laserreinigung in ihrem ursprünglichen Aussehen wiederhergestellt werden.

5. Herstellung von Flachdrahtmotoren

Die Laserentfernungstechnologie für die Oxidschicht flacher Kupferdrähte kann durch präzise Steuerung der Energie des Laserstrahls die Oxidschicht der Oberfläche flacher Kupferdrähte schnell und effizient entfernen, ohne dass der Kupferdraht selbst beschädigt wird. Diese Technologie stellt nicht nur die elektrische Leitfähigkeit des Motors wieder her und verbessert sie, sondern verbessert auch die Produktionseffizienz und reduziert Umweltverschmutzung und Materialverschwendung. In den Bereichen neue Energiefahrzeuge und Industrieautomation weisen die mit dieser Technologie behandelten Flachdrahtmotoren eine bessere elektrische Leitfähigkeit und thermische Stabilität auf, und auch ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer werden verbessert.

6. Knochenimplantate

Mithilfe der vom Korea Advanced Institute of Science and Technology entwickelten Nanosekundenlaser-Oberflächenbehandlungstechnologie kann die Bildung künstlicher Knochenbeschichtungen induziert werden. Durch die Technologie entfällt die Notwendigkeit, Rohstoffe für die künstliche Knochenbeschichtung separat zu synthetisieren, und die Beschichtung kann mithilfe von Nanosekundenlasern erzeugt werden, und die resultierende Hydroxylapatit-Beschichtung weist eine hohe Beschichtungsfestigkeit auf. Wenn es beispielsweise auf Titandioxid-basierte Knochenfixierungsgeräte angewendet wird, kann es die Knochenleitungseigenschaften verbessern, die Biokompatibilität, die osteogenen Fähigkeiten und die Knochenleitfähigkeit der Beschichtung verbessern, und das neue Verfahren kann eine Beschichtungsbindung bilden, die dreimal so hoch ist wie bei herkömmlichen Beschichtungsmaterialien. und kann eine Beschichtung nicht nur auf der Oberfläche von Metall, sondern auch von Polymermaterialien bilden.

7. Titanoberflächenbehandlung

Das Korea Electric Research Institute nutzt die Femtosekundenlaser-Oberflächenbehandlung von Titan, die nicht nur die inhärenten Eigenschaften von Titan verbessern, sondern auch eine funktionelle Oberfläche schaffen kann. Das hydrophile Titanmaterial kann nach der Femtosekundenlaserbehandlung zu Zahnimplantaten verarbeitet werden, die eine hohe Affinität zum menschlichen Körper aufweisen und eine stabile Fusion mit menschlichem Knochen erreichen können, wodurch der Behandlungszyklus der Patienten erheblich verkürzt wird. Das Titanmaterial kann nach der hydrophoben Behandlung zu medizinischen Geräten für die Transplantation in vivo verarbeitet werden, was dazu beiträgt, die Fremdkörperreaktion beim Patienten zu reduzieren.

Die Laser-Oberflächenbehandlungstechnologie ist eine fortschrittliche Technologie zur Veränderung der Oberflächeneigenschaften von Materialien durch Laserstrahlen, die viele Vorteile wie hohe Präzision, lokale Behandlung und geringe Verformung bietet. Der Bearbeitungseffekt wird durch Laserparameter, Scangeschwindigkeit, Punktgröße, Materialeigenschaften, Bearbeitungsumgebung und andere Faktoren beeinflusst. Um den Behandlungseffekt zu optimieren, kann von vielen Aspekten ausgegangen werden, wie z. B. der präzisen Steuerung der Laserparameter, der Verbesserung der Spot- und Scanstrategie, der Kombination von Hilfstechnologie und Echtzeit-Überwachungsfeedback. Die Technologie eignet sich für Metall, Keramik, Polymere, Verbundwerkstoffe und andere Materialien. Der Behandlungseffekt kann aus vielen Blickwinkeln bewertet werden, z. B. Oberflächenmorphologie, Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Zu den Methoden zur Verbesserung der Verarbeitungseffizienz gehören die Optimierung der Laserausrüstung, der Einsatz von Mehrstrahl- und fortschrittlichen Scansystemen, die Planung von Scanpfaden und die Realisierung einer automatischen Steuerung. Es gibt erfolgreiche Anwendungsfälle in vielen Bereichen wie Automobil, Formen, Luft- und Raumfahrt und Schutz kultureller Relikte, die eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Produktleistung und -qualität gespielt haben. Es wird erwartet, dass sich die Laser-Oberflächenbehandlungstechnologie in Zukunft hinsichtlich Präzision, Effizienz, Intelligenz und anderen Aspekten weiterentwickeln und ein breiteres Spektrum an Anwendungsfeldern erweitern wird.

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