Tecnología de tratamiento de superficies con láser de resolución profunda

El tratamiento de superficies con láser es una tecnología que cambia las propiedades de la superficie de los materiales calentando, derritiendo y congelando la superficie de los materiales mediante un rayo láser. Puede procesarse en atmósfera, vacío y otros entornos, y tiene las ventajas de un procesamiento sin contacto y una deformación mínima de la pieza de trabajo.

Según los diferentes propósitos del tratamiento de superficie, el tratamiento de superficie con láser se puede dividir en tratamiento de modificación de superficie y tratamiento de eliminación. Entre ellos, el tratamiento de modificación de superficies incluye vidriado con láser, refundición con láser, aleación con láser, recubrimiento con láser, etc. El tratamiento de eliminación se refiere principalmente a la limpieza con láser.

La tecnología de tratamiento de superficies con láser se utiliza ampliamente en la industria automotriz, aeroespacial, electrónica, maquinaria y otras industrias. Por ejemplo, en la fabricación de automóviles, se puede utilizar el tratamiento superficial con láser para mejorar la resistencia al desgaste y a la corrosión de los componentes del motor; En el sector aeroespacial, el tratamiento de superficies con láser se puede utilizar para mejorar las propiedades de la superficie de los componentes de las aeronaves, aumentando su vida útil y su confiabilidad.

Tratamiento de superficies con láser es un método que utiliza el rayo láser para calentar rápida y localmente la pieza de trabajo para lograr un calentamiento o enfriamiento local urgente, a fin de cambiar las propiedades de la superficie del material. Según los diferentes propósitos del tratamiento de superficie, el tratamiento de superficie con láser se puede dividir en tratamiento de modificación de superficie y tratamiento de eliminación.

El tratamiento de modificación de la superficie con láser consiste en mejorar el rendimiento de la superficie de la pieza de trabajo mediante el cambio de la estructura organizativa del material en sí o la introducción de otros materiales durante el proceso de escaneo láser. La tecnología puede tratar selectivamente la superficie de la pieza de trabajo, lo cual es propicio. para mantener suficiente tenacidad y resistencia de la pieza de trabajo en su conjunto, y la superficie para obtener un rendimiento alto y específico, como resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y resistencia a la fatiga, resistencia a la oxidación. Las técnicas comunes de modificación de superficies con láser incluyen el glaseado con láser, la refundición con láser, la aleación con láser y el recubrimiento con láser.

El tratamiento de eliminación con láser se refiere principalmente a la limpieza con láser, que utiliza el rayo láser para ser absorbido por la capa contaminada en la superficie a tratar, y la absorción de una gran energía forma un plasma que se expande rápidamente, generando una onda de choque, bajo la acción del onda de choque, los contaminantes se fragmentan y se eliminan. En comparación con los métodos de limpieza tradicionales, la limpieza con láser tiene las ventajas de no contacto, alta eficiencia, reducción de la contaminación ambiental, etc.

El efecto del tratamiento de la tecnología de tratamiento de superficies con láser se ve afectado principalmente por los siguientes factores:

1.Parámetros del láser

• Potencia del láser: el tamaño de la potencia afecta directamente la entrada de energía; cuanto mayor es la potencia, más intenso es el efecto de calentamiento, lo que puede conducir a una profundidad de procesamiento más profunda y cambios tisulares más significativos.
• Longitud de onda del láser: la capacidad de absorción y penetración de diferentes longitudes de onda del láser en el material es diferente, lo que afecta el efecto del tratamiento.
• Ancho y frecuencia del pulso: los anchos de pulso cortos permiten un procesamiento más fino, mientras que las frecuencias altas aumentan la eficiencia del procesamiento.

2.Velocidad de escaneo

La velocidad de escaneo determina el tiempo de acción del láser en cada posición; una velocidad demasiado rápida puede provocar un procesamiento inadecuado, una velocidad demasiado lenta puede provocar un calentamiento excesivo y una expansión de la zona afectada por el calor.

3.Tamaño del punto

El tamaño del punto afecta la concentración de la distribución de energía y los puntos más pequeños permiten un procesamiento local más preciso.

4.Características del material

• Composición del material: El contenido y el tipo de diferentes elementos afectarán la absorción y reacción del material al láser.
• El estado original de la microestructura, como el tamaño del grano y la composición de las fases, afectarán la transición de fase y la evolución de la microestructura después del tratamiento.

5.Entorno de tratamiento

incluida la atmósfera (como vacío, gas inerte, gas oxidante, etc.) y la temperatura, que afectarán la oxidación, nitruración y otras reacciones químicas durante el proceso de tratamiento.

6.Tasa de superposición

En el procesamiento de escaneo múltiple, el grado de superposición entre pistas de escaneo adyacentes afectará la uniformidad y continuidad del procesamiento.

7.Proceso auxiliar

como agregar gas soplador en el proceso de tratamiento, aplicar un campo magnético o un campo eléctrico y otros medios auxiliares, también afectarán el efecto del tratamiento.

Las siguientes son algunas formas de optimizar el efecto del tratamiento de la tecnología de tratamiento de superficies con láser.:

1. Control preciso de los parámetros del láser.

• Realice extensos experimentos y simulaciones para determinar parámetros como la potencia óptima del láser, la longitud de onda, el ancho del pulso, la frecuencia y la velocidad de escaneo para materiales y requisitos de procesamiento específicos.
• El uso de equipos láser avanzados para un ajuste y estabilidad de parámetros más precisos.

2. Optimice la calidad y la forma del punto

• El uso de componentes ópticos de alta calidad para garantizar la uniformidad del punto y la precisión del enfoque.
• De acuerdo con los requisitos de procesamiento, seleccione la forma del punto adecuada, como redonda, rectangular u otra forma específica.

3. Mejorar la política de escaneo

• Adopte una planificación razonable de la ruta de escaneo, como escaneo en espiral, escaneo paralelo, etc., para lograr un efecto de procesamiento uniforme.
• Ajuste la tasa de unión para garantizar la continuidad y consistencia en el área de procesamiento.

4. Pretratamiento de materiales

• Limpie el material, elimine la capa de óxido y otros tratamientos previos, mejore la tasa de absorción del láser de la superficie del material y la uniformidad del tratamiento.

5. Controlar el entorno de procesamiento.

• Dependiendo del objetivo del tratamiento, se selecciona el entorno atmosférico adecuado, como vacío, protección con gas inerte o gases reactivos específicos.
• Controlar la temperatura durante el proceso de tratamiento, ya sea mediante dispositivo de enfriamiento o medio de precalentamiento.

6. Incorporar procesos auxiliares

• La introducción de gases sopladores, como nitrógeno, argón, etc. Ayuda a eliminar escorias y controlar reacciones químicas.
• Aplique campos magnéticos o eléctricos para afectar el proceso de interacción entre el láser y el material.

7. Monitoreo y retroalimentación en tiempo real

• Utilizando tecnología de monitoreo en línea, como medición de temperatura por infrarrojos, imágenes ópticas, etc., monitoreo en tiempo real de la temperatura, morfología y otros parámetros en el proceso de procesamiento.
• De acuerdo con los resultados del monitoreo, ajuste oportunamente los parámetros y procesos del láser para lograr un control de circuito cerrado.

8. Combinación multiproceso

• Combine el tratamiento de superficies con láser con otras tecnologías de tratamiento de superficies, como galvanoplastia, tratamiento térmico químico, etc., para aprovechar sus respectivas ventajas y obtener un mejor rendimiento.

9. Desarrollo y selección de materiales.

• Desarrollar y seleccionar nuevos materiales con buena adaptabilidad al procesamiento láser u optimizar la composición y estructura organizativa de los materiales existentes.

10. Simulación y simulación de procesos.

• Utilice software de simulación y simulación por computadora para predecir y optimizar el proceso de tratamiento de superficies con láser, reducir la cantidad de experimentos y reducir costos.

La evaluación del efecto del tratamiento de la tecnología de tratamiento de superficies con láser se puede realizar desde los siguientes aspectos:

1. Morfología y rugosidad de la superficie.

• Utilice un microscopio óptico y un microscopio electrónico de barrido (SEM) para observar la morfología microscópica de la superficie y comprobar si es plana, si hay grietas, poros y otros defectos.
• Mida la rugosidad de la superficie con un rugosímetro para evaluar la suavidad de la superficie tratada.

2. Dureza y fuerza

• Utilizar métodos de prueba de dureza, como dureza Rockwell, dureza Vickers, etc., para medir el valor de dureza de la superficie tratada para determinar el grado de mejora de la dureza.
• Realice pruebas de tracción, compresión y otras propiedades mecánicas para evaluar el cambio de resistencia del material.

3. Resistencia al desgaste

• La prueba de desgaste se llevó a cabo utilizando una máquina de prueba de desgaste y fricción para comparar la resistencia al desgaste del material antes y después del tratamiento.

4. Resistencia a la corrosión

• Evaluar la resistencia a la corrosión de los materiales después del tratamiento superficial mediante prueba de niebla salina, prueba de corrosión electroquímica, etc.

5. Estrés residual

• Mida la distribución de tensiones residuales en la superficie y en el interior utilizando técnicas de difracción de rayos X, etc., para comprender el efecto del tratamiento sobre el estado de tensión del material.

6. Fuerza de unión del revestimiento

• Para procesos como el recubrimiento por láser, se prueba la fuerza de unión del recubrimiento al sustrato, p. prueba de rayado.

7. Análisis de microestructura

• Utilizando microscopía metalográfica, difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) y otros medios para analizar la microestructura después del tratamiento, como el tamaño de grano, la composición de fases y otros cambios.

8. Composición química

• Utilice análisis de dispersión de energía (EDS), espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y otros métodos para determinar la composición y distribución de los elementos de la superficie.

La evaluación de los aspectos anteriores puede juzgar de manera integral y precisa el efecto del tratamiento de la tecnología de tratamiento de superficies con láser y proporcionar una base para una mayor optimización del proceso.

Los siguientes materiales son adecuados para la tecnología de tratamiento de superficies con láser.:

1. Materiales metálicos:

Acero: incluido el acero al carbono, el acero aleado, etc., que se utiliza a menudo para mejorar su dureza, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión.

• Aluminio y aleación de aluminio: puede mejorar la dureza de la superficie, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión.
• Titanio y aleaciones de titanio: mejoran la resistencia superficial y la resistencia a la corrosión, adecuadas para el sector aeroespacial y otros campos.
• Cobre y aleaciones de cobre: ​​como mejorar la conductividad eléctrica, la resistencia al desgaste, etc.

2. Materiales cerámicos: como alúmina, circonita, etc., mejoran su tenacidad y calidad superficial mediante tratamiento láser.

3. Materiales poliméricos: como policarbonato, polietileno, etc., pueden mejorar la dureza de su superficie, su resistencia al desgaste y sus propiedades de unión.

4. Materiales compuestos: como los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono (CFRP), pueden mejorar las propiedades de unión de la superficie y la resistencia al desgaste.

5. Carburo cementado: Utilizado a menudo en la fabricación de herramientas y moldes, el tratamiento con láser puede prolongar su vida útil.

6. Troquel de acero: como Cr12MoV, etc., después del tratamiento superficial con láser para mejorar la calidad de la superficie y la vida útil de la matriz.

Las siguientes son algunas formas de mejorar la eficiencia del procesamiento de la tecnología de tratamiento de superficies con láser.:

1. Optimizar el equipo láser

• Elija una fuente láser con alta potencia y alta frecuencia de repetición para aumentar la producción de energía por unidad de tiempo.
• Actualice el sistema óptico para mejorar la calidad y la eficiencia de transmisión del rayo láser.

2. Tecnología multihaz

• El procesamiento simultáneo con múltiples rayos láser puede aumentar significativamente el área y la velocidad de procesamiento.

3. Mejorar el sistema de escaneo

• Utilice un galvanómetro de escaneo de alta velocidad o dispositivos de escaneo más avanzados para mejorar la velocidad y precisión del escaneo.

4. Planifique la ruta de escaneo correctamente

• Diseñe la ruta de escaneo óptima para reducir los viajes no válidos y las áreas superpuestas y mejorar la eficiencia del procesamiento.

5. Automatización y control inteligente

• Combina la robótica para automatizar la sujeción, el posicionamiento y la manipulación, reduciendo el tiempo de intervención manual.
• Utilice un sistema de control inteligente para ajustar los parámetros del láser en tiempo real según las características del material y los requisitos de manipulación.

6. Procesamiento en paralelo

• Para piezas producidas en masa, se pueden procesar varias piezas simultáneamente.

7. Tratamiento de precalentamiento

• La pieza de trabajo se precalienta adecuadamente para reducir el consumo de energía y el tiempo durante el procesamiento con láser.

8. Optimización de los parámetros del proceso.

• A través de extensos experimentos y simulaciones, determine la mejor combinación de potencia del láser, velocidad de escaneo, frecuencia de pulso y otros parámetros del proceso para lograr la mayor eficiencia de procesamiento.

9. Pretratamiento de materiales

• Pretratamiento del material, como limpieza de la superficie y eliminación de la capa de oxidación por adelantado, para mejorar la eficiencia de absorción y el efecto del tratamiento del láser.

10. Optimización del sistema de refrigeración.

• Asegura un sistema de enfriamiento eficiente que evita que la pieza de trabajo se sobrecaliente, aumentando así la velocidad de procesamiento.

11. Desarrollar nuevos procesos de tratamiento.

• Investigación y aplicación de procesos de tratamiento de superficies con láser más eficientes, como el tratamiento con láser ultrarrápido.

1. Industria automotriz 

La tecnología de endurecimiento por láser se ha aplicado con éxito al refuerzo superficial de piezas vulnerables en la industria automotriz, como engranajes, superficies de ejes, guías, mordazas, moldes, etc. Mediante el enfriamiento con láser, se mejoran la dureza de la superficie y la resistencia al desgaste de estas piezas, la vida útil se prolonga significativamente y la deformación de la pieza de trabajo antes y después del enfriamiento es casi insignificante, lo que es especialmente adecuado para piezas con requisitos de alta precisión.

2. Industria del molde

En la fabricación de moldes, el uso de tecnología de tratamiento de superficies con láser puede mejorar el rendimiento de la superficie del molde. Por ejemplo, la tecnología de revestimiento láser se puede utilizar para reparar moldes desgastados, mejorando la dureza y durabilidad de su superficie; El enfriamiento con láser puede mejorar la dureza y la resistencia a la fatiga de la superficie del molde y reducir el desgaste y la deformación del molde durante el uso.

3. Campo aeroespacial

La tecnología de fortalecimiento de impactos láser se utiliza a menudo para mejorar la resistencia a la fatiga, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión de piezas aeroespaciales. La tecnología utiliza ondas de choque de plasma generadas por potentes rayos láser para crear tensiones de compresión profundas en la superficie de los componentes, extendiendo así su vida útil. Al mismo tiempo, la tecnología de recocido láser se puede utilizar para ajustar la estructura de la matriz del material, reducir la dureza, refinar el grano, eliminar la tensión interna, etc., en el procesamiento de semiconductores puede mejorar la integración de los circuitos integrados.

4. Protección de reliquias culturales

La tecnología de limpieza láser tiene un buen efecto de aplicación en la limpieza de reliquias culturales. Puede eliminar la suciedad, el óxido, el revestimiento, etc., en la superficie de las reliquias culturales, sin causar daños a las reliquias culturales. Por ejemplo, algunas reliquias metálicas antiguas, tallas de piedra, murales, etc., se pueden restaurar a su apariencia original mediante limpieza con láser.

5. Fabricación de motores de alambre plano.

La tecnología de eliminación por láser de la capa de óxido del alambre de cobre plano, al controlar con precisión la energía del rayo láser, puede eliminar rápida y eficientemente la capa de óxido de la superficie del alambre de cobre plano y casi no daña el alambre de cobre en sí. Esta tecnología no solo restaura y mejora la conductividad eléctrica del motor, sino que también mejora la eficiencia de producción y reduce la contaminación ambiental y el desperdicio de materiales. En los campos de los vehículos de nueva energía y la automatización industrial, el motor de alambre plano tratado con esta tecnología tiene mejor conductividad eléctrica y estabilidad térmica, y también mejora su confiabilidad y vida útil.

6. Implantes óseos

La tecnología de tratamiento de superficies con láser de nanosegundos desarrollada por el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea se puede utilizar para inducir la formación de recubrimientos óseos artificiales. La tecnología elimina la necesidad de sintetizar por separado materias primas para el recubrimiento de hueso artificial, y el recubrimiento se puede crear utilizando láseres de nanosegundos, y el recubrimiento de hidroxiapatita resultante tiene una alta resistencia. Por ejemplo, cuando se aplica a dispositivos de fijación ósea a base de titania, puede mejorar las propiedades de conducción ósea, mejorar la biocompatibilidad, la capacidad osteogénica y la conductividad ósea del recubrimiento, y el nuevo método puede formar una unión de recubrimiento tres veces mayor que la de los materiales de recubrimiento tradicionales. y puede formar un recubrimiento sobre la superficie no solo de metales sino también de materiales poliméricos.

7. Tratamiento de superficie de titanio

El Instituto de Investigación Eléctrica de Corea utiliza un tratamiento de superficie de titanio con láser de femtosegundo, que no solo puede mejorar las propiedades inherentes del titanio, sino también crear una superficie funcional. El material de titanio hidrófilo después del tratamiento con láser de femtosegundo se puede preparar en implantes dentales, que tienen una alta afinidad con el cuerpo humano y pueden lograr una fusión estable con el hueso humano, acortando así en gran medida el ciclo de tratamiento de los pacientes. El material de titanio después del tratamiento hidrofóbico se puede preparar en dispositivos médicos para trasplante in vivo, lo que ayuda a reducir la reacción a cuerpos extraños en el paciente.

La tecnología de tratamiento de superficies con láser es una tecnología avanzada para cambiar las propiedades de la superficie de los materiales mediante un rayo láser, que tiene muchas ventajas, como alta precisión, tratamiento local y pequeña deformación. El efecto del procesamiento se ve afectado por los parámetros del láser, la velocidad de escaneo, el tamaño del punto, las propiedades del material, el entorno de procesamiento y otros factores. Para optimizar el efecto del tratamiento, se puede comenzar desde muchos aspectos, como el control preciso de los parámetros del láser, la mejora de la estrategia de escaneo y el punto, la combinación de tecnología auxiliar y la retroalimentación de monitoreo en tiempo real. La tecnología es adecuada para metales, cerámicas, polímeros, materiales compuestos y otros materiales. El efecto del tratamiento se puede evaluar desde muchos ángulos, como la morfología de la superficie, la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión. Los métodos para mejorar la eficiencia del procesamiento incluyen la optimización del equipo láser, el uso de sistemas de escaneo avanzados y de haces múltiples, la planificación de rutas de escaneo y la realización de control automático. Existen casos de aplicaciones exitosas en muchos campos, como automóviles, moldes, aeroespacial y protección de reliquias culturales, que han desempeñado un papel importante en la mejora del rendimiento y la calidad del producto. En el futuro, se espera que la tecnología de tratamiento de superficies con láser continúe desarrollándose en precisión, eficiencia, inteligencia y otros aspectos, y amplíe una gama más amplia de campos de aplicación.

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