Technologia laserowej obróbki powierzchni o głębokiej rozdzielczości

Laserowa obróbka powierzchni to technologia, która zmienia właściwości powierzchniowe materiałów poprzez nagrzewanie, topienie i zamrażanie powierzchni za pomocą wiązki laserowej. Może być ona przetwarzana w atmosferze, próżni i innych środowiskach, a jej zaletą jest bezkontaktowość i minimalne odkształcenie przedmiotu obrabianego.

Ze względu na cel obróbki powierzchni, laserową obróbkę powierzchni można podzielić na modyfikację powierzchni i usuwanie powłoki. Wśród nich modyfikacja powierzchni obejmuje laserowe szkliwienie, laserowe przetapianie, laserowe stopowanie, laserowe powlekanie itp. Obróbka usuwania powłoki odnosi się głównie do czyszczenia laserowego.

Technologia laserowej obróbki powierzchni jest szeroko stosowana w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym, elektronicznym, maszynowym i innych gałęziach przemysłu. Na przykład, w produkcji samochodów, laserowa obróbka powierzchni może być stosowana w celu poprawy odporności na zużycie i korozję elementów silnika. W sektorze lotniczym, laserowa obróbka powierzchni może być stosowana w celu poprawy właściwości powierzchniowych elementów samolotu, zwiększając ich trwałość zmęczeniową i niezawodność.

Laserowa obróbka powierzchni to metoda wykorzystująca wiązkę lasera do szybkiego i miejscowego nagrzewania przedmiotu obrabianego w celu uzyskania miejscowego, szybkiego nagrzania lub schłodzenia, co pozwala na zmianę właściwości powierzchniowych materiału. Ze względu na cel obróbki powierzchni, laserową obróbkę powierzchni można podzielić na modyfikację powierzchni i usuwanie materiału.

Laserowa modyfikacja powierzchni ma na celu poprawę właściwości powierzchni przedmiotu obrabianego poprzez zmianę struktury organizacyjnej samego materiału lub wprowadzenie innych materiałów podczas procesu skanowania laserowego. Technologia ta pozwala na selektywną obróbkę powierzchni przedmiotu obrabianego, co sprzyja utrzymaniu odpowiedniej wytrzymałości i wytrzymałości całego przedmiotu obrabianego, a także zapewnia wysoką i specyficzną wydajność, taką jak odporność na zużycie, odporność na korozję i zmęczenie oraz odporność na utlenianie. Do popularnych technik laserowej modyfikacji powierzchni należą: laserowe szkliwienie, laserowe przetapianie, laserowe stopowanie i laserowe powlekanie.

Usuwanie zanieczyszczeń laserem to przede wszystkim czyszczenie laserowe, które wykorzystuje wiązkę laserową do absorpcji zanieczyszczonej warstwy na czyszczonej powierzchni. Absorpcja dużej energii tworzy szybko rozprężającą się plazmę, generującą falę uderzeniową. Pod jej wpływem zanieczyszczenia rozpadają się na fragmenty i są usuwane. W porównaniu z tradycyjnymi metodami czyszczenia, czyszczenie laserowe charakteryzuje się bezkontaktowością, wysoką wydajnością i redukcją zanieczyszczenia środowiska.

Na skuteczność technologii laserowej obróbki powierzchni wpływają przede wszystkim następujące czynniki:

1.Parametry lasera

• Moc lasera: Wielkość mocy lasera ma bezpośredni wpływ na ilość wprowadzanej energii. Im wyższa moc, tym intensywniejszy efekt cieplny, co może prowadzić do głębszego przetwarzania i bardziej znaczących zmian w tkankach.
• Długość fali lasera: Zdolność absorpcji i penetracji różnych długości fal lasera w materiale jest różna, co wpływa na efekt zabiegu.
• Szerokość i częstotliwość impulsu: Krótkie szerokości impulsów pozwalają na dokładniejsze przetwarzanie, natomiast wysokie częstotliwości zwiększają wydajność przetwarzania.

2.Prędkość skanowania

Prędkość skanowania określa czas działania lasera w każdej pozycji. Zbyt duża prędkość może prowadzić do nieodpowiedniego przetwarzania, natomiast zbyt mała prędkość może powodować nadmierne nagrzewanie i rozszerzanie się strefy wpływu ciepła.

3. Rozmiar plamki

Rozmiar plamki wpływa na koncentrację rozprowadzanej energii, a mniejsze plamki umożliwiają dokładniejsze przetwarzanie lokalne.

4. Charakterystyka materiału

• Skład materiału: Zawartość i rodzaj różnych pierwiastków wpływa na absorpcję i reakcję materiału na laser.
• Oryginalny stan mikrostruktury, taki jak wielkość ziarna i skład fazowy, będzie miał wpływ na przemianę fazową i ewolucję mikrostruktury po obróbce.

5. Środowisko leczenia

w tym atmosfera (taka jak próżnia, gaz obojętny, gaz utleniający itp.) i temperatura, które mają wpływ na utlenianie, azotowanie i inne reakcje chemiczne zachodzące w trakcie procesu obróbki.

6. Współczynnik nakładania się

W przypadku przetwarzania obejmującego wielokrotne skanowanie, stopień nakładania się sąsiadujących ścieżek skanowania wpływa na jednorodność i ciągłość przetwarzania.

7.Proces pomocniczy

takie jak dodawanie gazu w procesie obróbki, stosowanie pola magnetycznego lub pola elektrycznego i innych środków pomocniczych, również wpływają na skuteczność obróbki.

Poniżej przedstawiono kilka sposobów optymalizacji efektu obróbki powierzchni metodą laserową:

1. Precyzyjna kontrola parametrów lasera

• Przeprowadź obszerne eksperymenty i symulacje w celu określenia parametrów, takich jak optymalna moc lasera, długość fali, szerokość impulsu, częstotliwość i prędkość skanowania dla konkretnych materiałów i wymagań przetwarzania.
• Zastosowanie zaawansowanego sprzętu laserowego w celu dokładniejszej regulacji parametrów i stabilności.

2. Zoptymalizuj jakość i kształt plamy

• Zastosowanie najwyższej jakości komponentów optycznych gwarantuje jednorodność plamki i dokładność ustawiania ostrości.
• W zależności od wymagań przetwarzania należy wybrać odpowiedni kształt plamki, np. okrągły, prostokątny lub inny określony kształt.

3. Ulepsz zasady skanowania

• Należy zastosować rozsądne planowanie ścieżki skanowania, np. skanowanie spiralne, skanowanie równoległe itp., aby uzyskać jednolity efekt przetwarzania.
• Dostosuj szybkość wiązania, aby zapewnić ciągłość i spójność w obszarze przetwarzania.

4. Wstępna obróbka materiału

• Oczyść materiał, usuń warstwę tlenku i inne wstępne zabiegi, popraw szybkość absorpcji lasera przez powierzchnię materiału i równomierność obróbki.

5. Kontroluj środowisko przetwarzania

• W zależności od celu zabiegu dobiera się odpowiednią atmosferę, np. próżnię, ochronę gazem obojętnym lub określone gazy reaktywne.
• Kontroluj temperaturę w trakcie procesu obróbki, albo za pomocą urządzenia chłodzącego, albo za pomocą środków podgrzewających.

6. Włącz procesy pomocnicze

• Wprowadzenie gazów pędnych, takich jak azot, argon itp., pomaga usunąć żużel i kontrolować reakcje chemiczne.
• Zastosuj pola magnetyczne lub elektryczne, aby wpłynąć na proces interakcji pomiędzy laserem a materiałem.

7. Monitorowanie w czasie rzeczywistym i informacja zwrotna

• Korzystając z technologii monitorowania online, takiej jak pomiar temperatury w podczerwieni, obrazowanie optyczne itp., można w czasie rzeczywistym monitorować temperaturę, morfologię i inne parametry procesu przetwarzania.
• Na podstawie wyników monitorowania można na bieżąco dostosowywać parametry lasera i procesy, aby uzyskać kontrolę w pętli zamkniętej.

8. Połączenie wielu procesów

• Łączenie laserowej obróbki powierzchni z innymi technologiami obróbki powierzchni, takimi jak galwanizacja, obróbka cieplno-chemiczna itp., pozwala wykorzystać ich zalety i uzyskać lepszą wydajność.

9. Opracowanie i dobór materiałów

• Opracowywanie i dobór nowych materiałów, które dobrze nadają się do obróbki laserowej, lub optymalizacja składu i struktury organizacyjnej istniejących materiałów.

10. Symulacja procesów i symulacja

• Wykorzystaj symulację komputerową i oprogramowanie symulacyjne do przewidywania i optymalizacji procesu obróbki powierzchni laserowej, zmniejsz liczbę eksperymentów i obniż koszty.

Ocenę skuteczności technologii laserowej obróbki powierzchni można przeprowadzić biorąc pod uwagę następujące aspekty:

1. Morfologia i chropowatość powierzchni

• Za pomocą mikroskopu optycznego i skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) można dokonać mikroskopowej obserwacji morfologii powierzchni i sprawdzić, czy jest ona płaska, czy nie występują na niej pęknięcia, pory lub inne defekty.
• Zmierz chropowatość powierzchni za pomocą miernika chropowatości, aby ocenić gładkość obrabianej powierzchni.

2. Twardość i wytrzymałość

• Wykorzystanie metod pomiaru twardości, takich jak twardość Rockwella, twardość Vickersa itp., do pomiaru wartości twardości obrabianej powierzchni w celu określenia stopnia poprawy twardości.
• Przeprowadzanie testów wytrzymałości na rozciąganie, ściskanie i innych właściwości mechanicznych w celu oceny zmiany wytrzymałości materiału.

3. Odporność na zużycie

• Badanie zużycia przeprowadzono przy użyciu maszyny do badania tarcia i zużycia, aby porównać odporność materiału na zużycie przed i po obróbce.

4. Odporność na korozję

• Ocena odporności na korozję materiałów po obróbce powierzchniowej za pomocą testu w mgle solnej, elektrochemicznego testu korozyjnego itp.

5. Naprężenie szczątkowe

• Zmierz rozkład naprężeń szczątkowych na powierzchni i wewnątrz, wykorzystując technikę dyfrakcji rentgenowskiej itp., aby zrozumieć wpływ obróbki na stan naprężeń materiału.

6. Wytrzymałość wiązania powłoki

• W przypadku procesów takich jak powlekanie laserowe, testowana jest wytrzymałość wiązania powłoki z podłożem, np. poprzez badanie zarysowań.

7. Analiza mikrostruktury

• Wykorzystując mikroskopię metalograficzną, dyfrakcję elektronową wstecznie rozproszoną (EBSD) i inne metody, analizuje się mikrostrukturę po obróbce, np. wielkość ziarna, skład fazowy i inne zmiany.

8. Skład chemiczny

• Wykorzystuj analizę dyspersji energii (EDS), spektroskopię fotoelektronów rentgenowskich (XPS) i inne metody w celu określenia składu i rozmieszczenia pierwiastków powierzchniowych.

Ocena powyższych aspektów pozwala na kompleksową i dokładną ocenę skuteczności technologii laserowej obróbki powierzchni oraz stanowi podstawę do dalszej optymalizacji procesu.

Następujące materiały nadają się do technologii obróbki powierzchni laserowej:

1. Materiały metalowe:

Stal: obejmująca stal węglową, stal stopową itp., często stosowana w celu zwiększenia jej twardości, odporności na zużycie i odporności na korozję.

• Aluminium i stopy aluminium: mogą poprawić twardość powierzchni, odporność na zużycie i korozję.
• Tytan i stopy tytanu: zwiększają wytrzymałość powierzchni i odporność na korozję, nadają się do zastosowań w lotnictwie i innych dziedzinach.
• Miedź i stopy miedzi: np. poprawa przewodnictwa elektrycznego, odporności na zużycie itp.

2. Materiały ceramiczne: takie jak tlenek glinu, tlenek cyrkonu itp. ulegają poprawie pod wpływem obróbki laserowej, zwiększając swoją wytrzymałość i jakość powierzchni.

3. Materiały polimerowe: takie jak poliwęglan, polietylen itp. mogą zwiększyć twardość powierzchni, odporność na zużycie i właściwości wiążące.

4. Materiały kompozytowe: takie jak materiały kompozytowe wzmocnione włóknem węglowym (CFRP), mogą poprawić właściwości wiązania powierzchni i odporność na zużycie.

5. Węglik spiekany: często stosowany w produkcji narzędzi i form; obróbka laserowa może wydłużyć jego żywotność.

6. Stal matrycowa: np. Cr12MoV itp., poddana obróbce powierzchni laserowej w celu poprawy jakości powierzchni i żywotności matrycy.

Poniżej przedstawiono kilka sposobów na zwiększenie wydajności przetwarzania technologii obróbki powierzchni laserowej:

1. Zoptymalizuj sprzęt laserowy

• Wybierz źródło laserowe o dużej mocy i wysokiej częstotliwości powtarzania, aby zwiększyć wydajność energii w jednostce czasu.
• Modernizacja układu optycznego w celu zwiększenia jakości i wydajności transmisji wiązki laserowej.

2. Technologia wielowiązkowa

• Jednoczesne przetwarzanie przy użyciu wielu wiązek laserowych może znacząco zwiększyć obszar przetwarzania i szybkość.

3. Ulepsz system skanowania

• Aby zwiększyć prędkość i dokładność skanowania, należy stosować szybki galwanometr skanujący lub bardziej zaawansowane urządzenia skanujące.

4. Zaplanuj prawidłowo ścieżkę skanowania

• Zaprojektuj optymalną ścieżkę skanowania, aby ograniczyć liczbę nieprawidłowych przejść i nakładających się obszarów oraz poprawić wydajność przetwarzania.

5. Automatyzacja i inteligentne sterowanie

• Połącz robotykę, aby zautomatyzować zaciskanie, pozycjonowanie i obsługę, redukując czas ręcznej interwencji.
• Użyj inteligentnego systemu sterowania, aby na bieżąco dostosowywać parametry lasera do właściwości materiału i wymagań dotyczących obsługi.

6. Przetwarzanie równoległe

• W przypadku przedmiotów produkowanych masowo możliwa jest jednoczesna obróbka wielu przedmiotów.

7. Obróbka cieplna

• Podczas obróbki laserowej przedmiot obrabiany jest odpowiednio podgrzewany, co pozwala ograniczyć zużycie energii i skrócić czas obróbki.

8. Optymalizacja parametrów procesu

• Poprzez szeroko zakrojone eksperymenty i symulacje określimy najlepszą kombinację mocy lasera, szybkości skanowania, częstotliwości impulsów i innych parametrów procesu w celu osiągnięcia najwyższej wydajności przetwarzania.

9. Wstępna obróbka materiału

• Wstępna obróbka materiału, taka jak czyszczenie powierzchni i usuwanie warstwy utleniającej, ma na celu zwiększenie efektywności absorpcji i skuteczności obróbki laserem.

10. Optymalizacja układu chłodzenia

• Zapewnia wydajny układ chłodzenia, który zapobiega przegrzaniu przedmiotu obrabianego, zwiększając tym samym prędkość obróbki.

11. Opracuj nowe procesy leczenia

• Badania i zastosowanie wydajniejszych procesów obróbki powierzchni laserowej, np. ultraszybkiej obróbki laserowej.

1. Przemysł motoryzacyjny

Technologia hartowania laserowego została z powodzeniem zastosowana do wzmacniania powierzchni wrażliwych części w przemyśle motoryzacyjnym, takich jak koła zębate, powierzchnie wałów, prowadnice, szczęki, formy itp. Hartowanie laserowe pozwala na poprawę twardości powierzchni i odporności na zużycie tych części, znaczne wydłużenie ich żywotności, a odkształcenia przedmiotu obrabianego przed i po hartowaniu są praktycznie niezauważalne, co jest szczególnie przydatne w przypadku części o wysokich wymaganiach dotyczących precyzji.

2. Przemysł formowy

W produkcji form, zastosowanie technologii laserowej obróbki powierzchni może poprawić jej parametry. Na przykład, technologia napawania laserowego może być stosowana do naprawy zużytych form, poprawiając ich twardość i trwałość. Hartowanie laserowe może zwiększyć twardość i odporność na zmęczenie powierzchni formy oraz zmniejszyć zużycie i odkształcenia formy podczas użytkowania.

3. Dziedzina lotnictwa i kosmonautyki

Technologia laserowego wzmacniania udarowego jest często stosowana w celu poprawy odporności na zmęczenie, zużycie i korozję części lotniczych. Technologia ta wykorzystuje fale uderzeniowe plazmy generowane przez silne wiązki laserowe do tworzenia głębokich naprężeń ściskających na powierzchni komponentów, wydłużając w ten sposób ich żywotność. Jednocześnie technologia wyżarzania laserowego może być wykorzystywana do modyfikacji struktury matrycy materiału, zmniejszenia twardości, uszlachetnienia ziarna, eliminacji naprężeń wewnętrznych itp. w procesie przetwarzania półprzewodników, co może poprawić integrację układów scalonych.

4. Ochrona zabytków kultury

Technologia czyszczenia laserowego ma dobre zastosowanie w czyszczeniu zabytków kultury. Pozwala ona usunąć brud, rdzę, naloty itp. z powierzchni zabytków, nie powodując przy tym ich uszkodzenia. Na przykład, niektóre starożytne metalowe relikwie, kamienne rzeźby, malowidła ścienne itp. można przywrócić do pierwotnego wyglądu za pomocą czyszczenia laserowego.

5. Produkcja silników z płaskim drutem

Technologia laserowego usuwania warstwy tlenku z płaskiego drutu miedzianego, wykorzystująca precyzyjną kontrolę energii wiązki laserowej, pozwala szybko i skutecznie usunąć warstwę tlenku z powierzchni płaskiego drutu miedzianego, praktycznie nie powodując uszkodzeń samego drutu. Technologia ta nie tylko przywraca i poprawia przewodność elektryczną silnika, ale także poprawia wydajność produkcji oraz redukuje zanieczyszczenie środowiska i marnotrawstwo materiałów. W dziedzinie nowych pojazdów elektrycznych i automatyki przemysłowej, silniki z płaskim drutem poddane tej technologii charakteryzują się lepszą przewodnością elektryczną i stabilnością termiczną, a także zwiększoną niezawodnością i żywotnością.

6. Implanty kostne

Technologia obróbki powierzchni laserem nanosekundowym, opracowana przez Koreański Instytut Zaawansowanej Nauki i Technologii, może być wykorzystana do indukcji formowania sztucznych powłok kostnych. Technologia ta eliminuje konieczność oddzielnej syntezy surowców do produkcji sztucznej powłoki kostnej, a powłokę można uzyskać za pomocą laserów nanosekundowych, a uzyskana powłoka hydroksyapatytowa charakteryzuje się wysoką wytrzymałością. Na przykład, zastosowana w urządzeniach do stabilizacji kości na bazie tlenku tytanu, może poprawić przewodnictwo kostne, biozgodność, zdolność osteogenną i przewodnictwo kostne powłoki. Nowa metoda pozwala na utworzenie trzykrotnie silniejszego wiązania powłoki niż w przypadku tradycyjnych materiałów powłokowych, a także na utworzenie powłoki nie tylko na powierzchni metalu, ale także materiałów polimerowych.

7. Obróbka powierzchni tytanu

Koreański Instytut Badań Elektrycznych (Korea Electric Research Institute) wykorzystuje obróbkę powierzchni tytanu laserem femtosekundowym, co nie tylko poprawia jego naturalne właściwości, ale także tworzy powierzchnię funkcjonalną. Hydrofilowy materiał tytanowy po obróbce laserem femtosekundowym może być wykorzystany w implantach stomatologicznych, które charakteryzują się wysokim powinowactwem do ludzkiego ciała i umożliwiają stabilne zespolenie z kością, co znacznie skraca cykl leczenia pacjentów. Materiał tytanowy po obróbce hydrofobowej może być wykorzystany w urządzeniach medycznych do transplantacji in vivo, co pomaga zmniejszyć reakcję na ciało obce u pacjenta.

Technologia laserowej obróbki powierzchni to zaawansowana technologia zmiany właściwości powierzchniowych materiałów za pomocą wiązki laserowej, która oferuje wiele zalet, takich jak wysoka precyzja, miejscowe przetwarzanie i niewielkie odkształcenia. Na efekt obróbki wpływają parametry lasera, prędkość skanowania, rozmiar plamki, właściwości materiału, środowisko przetwarzania i inne czynniki. Aby zoptymalizować efekt obróbki, można ją rozpocząć od wielu aspektów, takich jak precyzyjna kontrola parametrów lasera, udoskonalenie strategii skanowania i punktowania, połączenie technologii pomocniczych i monitorowanie w czasie rzeczywistym. Technologia ta nadaje się do obróbki metali, ceramiki, polimerów, materiałów kompozytowych i innych materiałów. Efekt obróbki można oceniać pod wieloma kątami, takimi jak morfologia powierzchni, twardość, odporność na zużycie i korozję. Metody poprawy wydajności obróbki obejmują optymalizację sprzętu laserowego, wykorzystanie systemów skanowania wielowiązkowego i zaawansowanego, planowanie ścieżek skanowania oraz realizację sterowania automatycznego. Istnieją przypadki udanych zastosowań w wielu dziedzinach, takich jak motoryzacja, formy, przemysł lotniczy i kosmiczny oraz ochrona zabytków kultury, które odegrały istotną rolę w poprawie wydajności i jakości produktów. Oczekuje się, że w przyszłości technologia obróbki powierzchni laserowej będzie się rozwijać pod względem precyzji, wydajności, inteligencji i innych aspektów, a także poszerzy zakres obszarów zastosowań.

Skontaktuj się z nami