Technologie de traitement de surface laser à haute résolution

Le traitement de surface au laser est une technologie qui modifie les propriétés de surface des matériaux en chauffant, fondant et gelant la surface des matériaux grâce à un faisceau laser. Il peut être traité dans l'atmosphère, sous vide et dans d'autres environnements, et présente les avantages d'un traitement sans contact et d'une déformation minimale de la pièce.

Selon les différents objectifs du traitement de surface, le traitement de surface au laser peut être divisé en traitement de modification de surface et traitement d'élimination. Parmi eux, le traitement de modification de surface comprend le vitrage laser, la refusion laser, l'alliage laser, le revêtement laser, etc. Le traitement de retrait fait principalement référence au nettoyage au laser.

La technologie de traitement de surface au laser est largement utilisée dans les secteurs de l’automobile, de l’aérospatiale, de l’électronique, des machines et autres. Par exemple, dans la construction automobile, le traitement de surface au laser peut être utilisé pour améliorer la résistance à l’usure et à la corrosion des composants du moteur ; Dans le secteur aérospatial, le traitement de surface au laser peut être utilisé pour améliorer les propriétés de surface des composants d’avions, augmentant ainsi leur durée de vie et leur fiabilité.

Traitement de surface au laser est une méthode qui utilise le faisceau laser pour chauffer rapidement et localement la pièce afin d'obtenir un chauffage ou un refroidissement local urgent, de manière à modifier les propriétés de surface du matériau. Selon les différents objectifs du traitement de surface, le traitement de surface au laser peut être divisé en traitement de modification de surface et traitement d'élimination.

Le traitement de modification de surface au laser consiste à améliorer les performances de surface de la pièce à usiner en modifiant la structure organisationnelle du matériau lui-même ou en introduisant d'autres matériaux pendant le processus de balayage laser. La technologie peut traiter sélectivement la surface de la pièce, ce qui est propice. pour maintenir une ténacité et une résistance suffisantes de la pièce dans son ensemble, et de la surface pour obtenir des performances élevées et spécifiques, telles que la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion et la résistance à la fatigue, la résistance à l'oxydation. Les techniques courantes de modification de surface au laser comprennent le vitrage au laser, la refusion au laser, l'alliage au laser et le revêtement au laser.

Le traitement d'élimination au laser fait principalement référence au nettoyage au laser, qui utilise le faisceau laser pour être absorbé par la couche contaminée sur la surface à traiter, et l'absorption d'une grande énergie forme un plasma en expansion rapide, générant une onde de choc, sous l'action du onde de choc, les polluants se fragmentent et sont éliminés. Par rapport aux méthodes de nettoyage traditionnelles, le nettoyage au laser présente les avantages d'un sans contact, d'une efficacité élevée, d'une réduction de la pollution de l'environnement, etc.

L'effet de traitement de la technologie de traitement de surface au laser est principalement affecté par les facteurs suivants:

1. Paramètres laser

• Puissance du laser : la taille de la puissance affecte directement l'apport d'énergie, plus la puissance est élevée, plus l'effet de chauffage est intense, ce qui peut conduire à une profondeur de traitement plus profonde et à des changements tissulaires plus importants.
• Longueur d'onde du laser : La capacité d'absorption et de pénétration des différentes longueurs d'onde du laser dans le matériau est différente, ce qui affecte l'effet du traitement.
• Largeur et fréquence d'impulsion : les largeurs d'impulsion courtes permettent un traitement plus fin, tandis que les hautes fréquences augmentent l'efficacité du traitement.

2. Vitesse de numérisation

La vitesse de balayage détermine le temps d'action du laser à chaque position, une vitesse trop rapide peut conduire à un traitement inadéquat, une vitesse trop lente peut provoquer un échauffement excessif et une expansion de la zone affectée par la chaleur.

3. Taille du spot

La taille du spot affecte la concentration de la distribution d'énergie, et des spots plus petits permettent un traitement local plus précis.

4. Caractéristiques du matériau

• Composition du matériau : Le contenu et le type des différents éléments affecteront l’absorption et la réaction du matériau au laser.
• L'état original de la microstructure, tel que la taille des grains et la composition des phases, affectera la transition de phase et l'évolution de la microstructure après traitement.

5.Environnement de traitement

y compris l'atmosphère (telle que le vide, le gaz inerte, le gaz oxydant, etc.) et la température, qui affecteront l'oxydation, la nitruration et d'autres réactions chimiques pendant le processus de traitement.

6. Taux de chevauchement

Dans le traitement à balayage multiple, le degré de chevauchement entre les pistes de balayage adjacentes affectera l'uniformité et la continuité du traitement.

7. Processus auxiliaire

comme l'ajout de gaz de soufflage dans le processus de traitement, l'application d'un champ magnétique ou d'un champ électrique et d'autres moyens auxiliaires, affecteront également l'effet du traitement.

Voici quelques façons d'optimiser l'effet de traitement de la technologie de traitement de surface au laser:

1. Contrôle précis des paramètres du laser

• Réalisez des expériences et des simulations approfondies pour déterminer des paramètres tels que la puissance laser optimale, la longueur d'onde, la largeur d'impulsion, la fréquence et la vitesse de balayage pour des matériaux et des exigences de traitement spécifiques.
• L'utilisation d'équipements laser avancés pour un réglage et une stabilité plus fins des paramètres.

2. Optimiser la qualité et la forme du spot

• L'utilisation de composants optiques de haute qualité pour garantir l'uniformité du spot et la précision de la mise au point.
• Selon les exigences de traitement, sélectionnez la forme du spot appropriée, telle qu'une forme ronde, rectangulaire ou autre.

3. Améliorer la politique d'analyse

• Adoptez une planification raisonnable du chemin de numérisation, telle que le balayage en spirale, le balayage parallèle, etc., pour obtenir un effet de traitement uniforme.
• Ajustez le taux de liaison pour assurer la continuité et la cohérence dans la zone de traitement.

4. Prétraitement des matériaux

• Nettoyez le matériau, retirez la couche d'oxyde et autres prétraitements, améliorez le taux d'absorption laser de la surface du matériau et l'uniformité du traitement.

5. Contrôler l’environnement de traitement

• En fonction de l'objectif du traitement, l'atmosphère appropriée est sélectionnée, telle que le vide, la protection contre les gaz inertes ou les gaz réactifs spécifiques.
• Contrôlez la température pendant le processus de traitement, soit par un dispositif de refroidissement, soit par des moyens de préchauffage.

6. Intégrer des processus auxiliaires

• L'introduction de gaz de soufflage, tels que l'azote, l'argon, etc. aide à éliminer les scories et à contrôler les réactions chimiques.
• Appliquez des champs magnétiques ou électriques pour affecter le processus d'interaction entre le laser et le matériau.

7. Surveillance et feedback en temps réel

• Utilisation d'une technologie de surveillance en ligne, telle que la mesure de la température infrarouge, l'imagerie optique, etc., surveillance en temps réel de la température, de la morphologie et d'autres paramètres du processus de traitement.
• Selon les résultats de la surveillance, ajustez en temps opportun les paramètres et les processus du laser pour obtenir un contrôle en boucle fermée.

8. Combinaison multi-processus

• Combinez le traitement de surface au laser avec d'autres technologies de traitement de surface, telles que la galvanoplastie, le traitement thermique chimique, etc., pour exploiter leurs avantages respectifs et obtenir de meilleures performances.

9. Développement et sélection des matériaux

• Développer et sélectionner de nouveaux matériaux avec une bonne adaptabilité au traitement laser, ou optimiser la composition et la structure organisationnelle des matériaux existants.

10. Simulation et simulation de processus

• Utilisez la simulation informatique et les logiciels de simulation pour prédire et optimiser le processus de traitement de surface au laser, réduire le nombre d'expériences et réduire les coûts.

L'évaluation de l'effet de traitement de la technologie de traitement de surface au laser peut être effectuée sous les aspects suivants:

1. Morphologie et rugosité de la surface

• Utilisez un microscope optique et un microscope électronique à balayage (MEB) pour observer la morphologie microscopique de la surface afin de vérifier si elle est plate, s'il y a des fissures, des pores et d'autres défauts.
• Mesurez la rugosité de la surface avec un rugosimètre pour évaluer la douceur de la surface traitée.

2. Dureté et résistance

• Utiliser des méthodes de test de dureté, telles que la dureté Rockwell, la dureté Vickers, etc., pour mesurer la valeur de dureté de la surface traitée afin de déterminer le degré d'amélioration de la dureté.
• Effectuez des tests de traction, de compression et d’autres propriétés mécaniques pour évaluer le changement de résistance du matériau.

3. Résistance à l'usure

• Un test d'usure a été réalisé à l'aide d'une machine de test de friction et d'usure pour comparer la résistance à l'usure du matériau avant et après traitement.

4. Résistance à la corrosion

• Évaluer la résistance à la corrosion des matériaux après traitement de surface au moyen d'un essai au brouillard salin, d'un essai de corrosion électrochimique, etc.

5. Stress résiduel

• Mesurez la répartition des contraintes résiduelles sur la surface et à l'intérieur à l'aide de techniques de diffraction des rayons X, etc., pour comprendre l'effet du traitement sur l'état de contrainte du matériau.

6. Force de liaison du revêtement

• Pour les processus tels que le revêtement laser, la force de liaison du revêtement au substrat est testée, par ex. test de rayures.

7. Analyse de la microstructure

• Utilisation de la microscopie métallographique, de la diffraction par rétrodiffusion électronique (EBSD) et d'autres moyens pour analyser la microstructure après traitement, telle que la taille des grains, la composition des phases et d'autres changements.

8. Composition chimique

• Utilisez l'analyse dispersive d'énergie (EDS), la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et d'autres méthodes pour déterminer la composition et la distribution des éléments de surface.

L'évaluation des aspects ci-dessus permet de juger de manière complète et précise de l'effet de traitement de la technologie de traitement de surface au laser et de fournir une base pour une optimisation ultérieure du processus.

Les matériaux suivants conviennent à la technologie de traitement de surface au laser:

1. Matériaux métalliques:

Acier : y compris l'acier au carbone, l'acier allié, etc., souvent utilisé pour améliorer sa dureté, sa résistance à l'usure et sa résistance à la corrosion.

• Aluminium et alliage d'aluminium : peuvent améliorer la dureté de la surface, la résistance à l'usure et la résistance à la corrosion.
• Titane et alliages de titane : améliorent leur résistance de surface et leur résistance à la corrosion, adaptés à l'aérospatiale et à d'autres domaines.
• Cuivre et alliages de cuivre : comme l'amélioration de la conductivité électrique, de la résistance à l'usure, etc.

2. Matériaux céramiques : tels que l'alumine, la zircone, etc., améliorent leur ténacité et leur qualité de surface grâce au traitement laser.

3. Matériaux polymères : tels que le polycarbonate, le polyéthylène, etc., peuvent améliorer la dureté de sa surface, sa résistance à l'usure et ses propriétés de liaison.

4. Matériaux composites : tels que les matériaux composites renforcés de fibres de carbone (CFRP), peuvent améliorer les propriétés de liaison de surface et la résistance à l'usure.

5. Carbure cémenté : souvent utilisé dans la fabrication d’outils et de moules, le traitement laser peut prolonger sa durée de vie.

6. Acier pour matrice : tel que Cr12MoV, etc., après traitement de surface au laser pour améliorer la qualité de surface et la durée de vie de la matrice.

Voici quelques moyens d'améliorer l'efficacité du traitement de la technologie de traitement de surface au laser.:

1. Optimiser les équipements laser

• Choisissez une source laser avec une puissance élevée et une fréquence de répétition élevée pour augmenter la production d’énergie par unité de temps.
• Améliorez le système optique pour améliorer la qualité et l'efficacité de la transmission du faisceau laser.

2. Technologie multifaisceaux

• Le traitement simultané avec plusieurs faisceaux laser peut augmenter considérablement la zone et la vitesse de traitement.

3. Améliorer le système de numérisation

• Utilisez un galvanomètre à balayage à grande vitesse ou des appareils de balayage plus avancés pour améliorer la vitesse et la précision du balayage.

4. Planifiez correctement le chemin d'analyse

• Concevez le chemin de numérisation optimal pour réduire les déplacements non valides et les zones de chevauchement et améliorer l'efficacité du traitement.

5. Automatisation et contrôle intelligent

• Combinez la robotique pour automatiser le serrage, le positionnement et la manipulation, réduisant ainsi le temps d'intervention manuelle.
• Utilisez un système de contrôle intelligent pour ajuster les paramètres du laser en temps réel en fonction des caractéristiques des matériaux et des exigences de manipulation.

6. Traitement parallèle

• Pour les pièces produites en série, plusieurs pièces peuvent être traitées simultanément.

7. Traitement de préchauffage

• La pièce à usiner est correctement préchauffée pour réduire la consommation d'énergie et le temps pendant le traitement laser.

8. Optimisation des paramètres du processus

• Grâce à des expériences et des simulations approfondies, déterminez la meilleure combinaison de puissance laser, de vitesse de balayage, de fréquence d'impulsion et d'autres paramètres de processus pour obtenir la plus haute efficacité de traitement.

9. Prétraitement des matériaux

• Prétraitement du matériau tel que le nettoyage de la surface et l'élimination de la couche d'oxydation à l'avance pour améliorer l'efficacité d'absorption et l'effet de traitement du laser.

10. Optimisation du système de refroidissement

• Assure un système de refroidissement efficace qui empêche la pièce de surchauffer, augmentant ainsi la vitesse de traitement.

11. Développer de nouveaux procédés de traitement

• Recherche et application de procédés de traitement de surface laser plus efficaces, tels que le traitement laser ultrarapide.

1. Industrie automobile 

La technologie de durcissement au laser a été appliquée avec succès au renforcement de surface de pièces vulnérables dans l'industrie automobile, telles que les engrenages, les surfaces d'arbres, les guides, les mâchoires, les moules, etc. Grâce à la trempe laser, la dureté de surface et la résistance à l'usure de ces pièces sont améliorées, la durée de vie est considérablement prolongée et la déformation de la pièce avant et après la trempe est presque négligeable, particulièrement adaptée aux pièces ayant des exigences de haute précision.

2. Industrie du moule

Dans la fabrication de moules, l’utilisation de la technologie de traitement de surface au laser peut améliorer les performances de surface du moule. Par exemple, la technologie de revêtement laser peut être utilisée pour réparer des moules usés, améliorant ainsi leur dureté et leur durabilité de surface ; La trempe laser peut améliorer la dureté et la résistance à la fatigue de la surface du moule, et réduire l'usure et la déformation du moule pendant l'utilisation.

3. Domaine aérospatial

La technologie de renforcement des chocs laser est souvent utilisée pour améliorer la résistance à la fatigue, la résistance à l’usure et la résistance à la corrosion des pièces aérospatiales. La technologie utilise des ondes de choc plasma générées par de puissants faisceaux laser pour créer de profondes contraintes de compression sur la surface des composants, prolongeant ainsi leur durée de vie. Dans le même temps, la technologie de recuit laser peut être utilisée pour ajuster la structure matricielle du matériau, réduire la dureté, affiner le grain, éliminer les contraintes internes, etc., dans le traitement des semi-conducteurs, peut améliorer l'intégration des circuits intégrés.

4. Protection des reliques culturelles

La technologie de nettoyage au laser a un bon effet d’application dans le nettoyage des reliques culturelles. Il peut éliminer la saleté, la rouille, le revêtement, etc. sur la surface des reliques culturelles, sans endommager les reliques culturelles. Par exemple, certaines reliques métalliques anciennes, sculptures sur pierre, peintures murales, etc., peuvent retrouver leur aspect d'origine grâce au nettoyage au laser.

5. Fabrication de moteurs à fil plat

La technologie d'élimination au laser de la couche d'oxyde de fil de cuivre plat en contrôlant avec précision l'énergie du faisceau laser, peut éliminer rapidement et efficacement la couche d'oxyde de surface du fil de cuivre plat, et presque aucun dommage au fil de cuivre lui-même. Cette technologie non seulement restaure et améliore la conductivité électrique du moteur, mais améliore également l'efficacité de la production et réduit la pollution environnementale et les déchets de matériaux. Dans les domaines des véhicules à énergies nouvelles et de l'automatisation industrielle, le moteur à fil plat traité avec cette technologie présente une meilleure conductivité électrique et une meilleure stabilité thermique, et sa fiabilité et sa durée de vie sont également améliorées.

6. Implants osseux

La technologie de traitement de surface au laser nanoseconde développée par l'Institut avancé des sciences et technologies de Corée peut être utilisée pour induire la formation de revêtements osseux artificiels. La technologie élimine le besoin de synthétiser séparément les matières premières pour le revêtement osseux artificiel, et le revêtement peut être créé à l'aide de lasers nanosecondes, et le revêtement d'hydroxyapatite résultant présente une résistance de revêtement élevée. Par exemple, lorsqu'il est appliqué à des dispositifs de fixation osseuse à base de titane, il peut améliorer les propriétés de conduction osseuse, améliorer la biocompatibilité, la capacité ostéogénique et la conductivité osseuse du revêtement, et la nouvelle méthode peut former une liaison de revêtement trois fois supérieure à celle des matériaux de revêtement traditionnels. et peut former un revêtement sur la surface non seulement du métal mais également des matériaux polymères.

7. Traitement de surface en titane

L'Institut coréen de recherche électrique utilise un traitement de surface du titane au laser femtoseconde, qui peut non seulement améliorer les propriétés inhérentes du titane, mais également créer une surface fonctionnelle. Le matériau de titane hydrophile après traitement au laser femtoseconde peut être préparé pour fabriquer des implants dentaires, qui ont une grande affinité avec le corps humain et peuvent réaliser une fusion stable avec l'os humain, raccourcissant ainsi considérablement le cycle de traitement des patients. Le matériau en titane après traitement hydrophobe peut être transformé en dispositifs médicaux destinés à une transplantation in vivo, ce qui contribue à réduire la réaction à un corps étranger chez le patient.

La technologie de traitement de surface au laser est une technologie avancée permettant de modifier les propriétés de surface des matériaux par faisceau laser, qui présente de nombreux avantages tels qu'une haute précision, un traitement local et une faible déformation. L'effet du traitement est affecté par les paramètres laser, la vitesse de numérisation, la taille du point, les propriétés du matériau, l'environnement de traitement et d'autres facteurs. Afin d'optimiser l'effet du traitement, il peut être démarré sous de nombreux aspects, tels que le contrôle précis des paramètres du laser, l'amélioration de la stratégie de spot et de balayage, la combinaison de la technologie auxiliaire et le retour d'information de surveillance en temps réel. La technologie convient aux métaux, céramiques, polymères, matériaux composites et autres matériaux. L'effet du traitement peut être évalué sous de nombreux angles tels que la morphologie de la surface, la dureté, la résistance à l'usure et la résistance à la corrosion. Les méthodes permettant d'améliorer l'efficacité du traitement comprennent l'optimisation de l'équipement laser, l'utilisation de systèmes de numérisation multifaisceaux et avancés, la planification des chemins de numérisation et la réalisation d'un contrôle automatique. Il existe des cas d'application réussis dans de nombreux domaines tels que l'automobile, les moules, l'aérospatiale et la protection des reliques culturelles, qui ont joué un rôle important dans l'amélioration des performances et de la qualité des produits. À l'avenir, la technologie de traitement de surface au laser devrait continuer à se développer en termes de précision, d'efficacité, d'intelligence et d'autres aspects, et élargir une gamme plus large de domaines d'application.

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