Technologia laserowej obróbki powierzchni o głębokiej rozdzielczości

Laserowa obróbka powierzchni to technologia zmieniająca właściwości powierzchni materiałów poprzez ogrzewanie, topienie i zamrażanie powierzchni materiałów za pomocą wiązki lasera. Można go przetwarzać w atmosferze, próżni i innych środowiskach, a jego zaletą jest bezdotykowa obróbka i minimalne odkształcenie przedmiotu obrabianego.

W zależności od różnych celów obróbki powierzchni, laserową obróbkę powierzchni można podzielić na obróbkę modyfikacji powierzchni i obróbkę usuwania. Wśród nich obróbka modyfikacji powierzchni obejmuje szkliwienie laserowe, przetapianie laserowe, stapianie laserowe, powlekanie laserowe itp. Zabieg usuwania dotyczy głównie czyszczenia laserowego.

Technologia laserowej obróbki powierzchni jest szeroko stosowana w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym, elektronicznym, maszynowym i innych gałęziach przemysłu. Na przykład w produkcji samochodów można zastosować laserową obróbkę powierzchni w celu poprawy odporności elementów silnika na zużycie i korozję; W sektorze lotniczym laserową obróbkę powierzchni można zastosować w celu poprawy właściwości powierzchni elementów samolotów, zwiększając ich trwałość zmęczeniową i niezawodność.

Laserowa obróbka powierzchni to metoda wykorzystująca wiązkę lasera do szybkiego i miejscowego nagrzania przedmiotu obrabianego w celu uzyskania miejscowego pilnego nagrzania lub schłodzenia, tak aby zmienić właściwości powierzchni materiału. W zależności od różnych celów obróbki powierzchni, laserową obróbkę powierzchni można podzielić na obróbkę modyfikacji powierzchni i obróbkę usuwania.

Obróbka laserowej modyfikacji powierzchni ma na celu poprawę właściwości powierzchni przedmiotu obrabianego poprzez zmianę struktury organizacyjnej samego materiału lub wprowadzenie innych materiałów podczas procesu skanowania laserowego, technologia może selektywnie obrabiać powierzchnię przedmiotu obrabianego, co sprzyja do utrzymania wystarczającej ciągliwości i wytrzymałości przedmiotu obrabianego jako całości oraz powierzchni w celu uzyskania wysokich i specyficznych parametrów, takich jak odporność na zużycie, odporność na korozję i odporność na zmęczenie, odporność na utlenianie. Typowe techniki laserowej modyfikacji powierzchni obejmują szkliwienie laserowe, przetapianie laserowe, stapianie laserowe i powlekanie laserowe.

Zabieg usuwania laserem odnosi się głównie do czyszczenia laserowego, które wykorzystuje wiązkę lasera do absorpcji przez zanieczyszczoną warstwę na obrabianej powierzchni, a absorpcja dużej energii tworzy szybko rozszerzającą się plazmę, generującą falę uderzeniową pod działaniem fala uderzeniowa, zanieczyszczenia rozpadają się na kawałki i są usuwane. W porównaniu z tradycyjnymi metodami czyszczenia, czyszczenie laserowe ma zalety bezdotykowe, wysoką wydajność, zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska i tak dalej.

Na efekt leczenia technologią laserowej obróbki powierzchni wpływają głównie następujące czynniki:

1. Parametry lasera

• Moc lasera: Wielkość mocy wpływa bezpośrednio na pobór energii, im wyższa moc, tym intensywniejszy efekt ogrzewania, co może prowadzić do głębszej obróbki 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 leczenia.
• Szerokość i częstotliwość impulsu: Krótkie szerokości impulsu umożliwiają dokładniejsze przetwarzanie, podczas gdy wysokie częstotliwości zwiększają wydajność przetwarzania.

2. Szybkość skanowania

Szybkość skanowania określa czas działania lasera w każdej pozycji, zbyt duża prędkość może prowadzić do nieprawidłowej obróbki, zbyt mała prędkość może powodować nadmierne nagrzewanie i rozszerzanie strefy wpływu ciepła.

3. Rozmiar plamki

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

4. Charakterystyka materiału

• Skład materiału: Zawartość i rodzaj różnych pierwiastków będzie miała wpływ na absorpcję i reakcję materiału na laser.
• Pierwotny stan mikrostruktury, taki jak wielkość ziaren i skład fazowy, będzie miał wpływ na przejście fazowe i ewolucję mikrostruktury po obróbce.

5.Środowisko leczenia

łącznie z atmosferą (taką jak próżnia, gaz obojętny, gaz utleniający itp.) i temperaturą, która będzie miała wpływ na utlenianie, azotowanie i inne reakcje chemiczne podczas procesu obróbki.

6. Stopień nakładania się

W przypadku wielokrotnego skanowania stopień nakładania się sąsiadujących ścieżek skanowania będzie miał wpływ na jednolitość i ciągłość przetwarzania.

7. Proces pomocniczy

takie jak dodanie gazu przedmuchowego w procesie leczenia, zastosowanie pola magnetycznego lub pola elektrycznego i innych środków pomocniczych, również będą miały wpływ na efekt leczenia.

Poniżej przedstawiono kilka sposobów optymalizacji efektu obróbki laserowej technologii obróbki powierzchni:

1. Precyzyjna kontrola parametrów lasera

• Przeprowadzaj szeroko zakrojone eksperymenty i symulacje, aby określić parametry, takie jak optymalna moc lasera, długość fali, szerokość impulsu, częstotliwość i prędkość skanowania dla określonych materiałów i wymagań przetwarzania.
• Zastosowanie zaawansowanego sprzętu laserowego w celu dokładniejszej regulacji parametrów i stabilności.

2. Zoptymalizuj jakość i kształt plamki

• Zastosowanie wysokiej jakości komponentów optycznych zapewniających równomierność plamki i dokładność ogniskowania.
• W zależności od wymagań przetwarzania wybierz odpowiedni kształt plamki, taki jak okrągły, prostokątny lub inny konkretny kształt.

3. Ulepsz zasady skanowania

• Zastosuj rozsądne planowanie ścieżki skanowania, takie jak 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 inną obróbkę wstępną, popraw współczynnik absorpcji lasera na powierzchni materiału i jednorodność obróbki.

5. Kontroluj środowisko przetwarzania

• W zależności od celu zabiegu dobiera się odpowiednie środowisko atmosferyczne, takie jak próżnia, ochrona przed gazem obojętnym lub określone gazy reaktywne.
• Kontroluj temperaturę podczas procesu obróbki, albo za pomocą urządzenia chłodzącego, albo za pomocą środków podgrzewania wstępnego.

6. Włącz procesy pomocnicze

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

7. Monitorowanie i informacje zwrotne w czasie rzeczywistym

• Korzystanie z technologii monitorowania online, takich jak pomiar temperatury w podczerwieni, obrazowanie optyczne itp., Monitorowanie w czasie rzeczywistym temperatury, morfologii i innych parametrów w procesie przetwarzania.
• Zgodnie z wynikami monitorowania należy w odpowiednim czasie dostosować parametry i procesy lasera, aby uzyskać kontrolę w pętli zamkniętej.

8. Kombinacja wielu procesów

• Połącz laserową obróbkę powierzchni z innymi technologiami obróbki powierzchni, takimi jak galwanizacja, chemiczna obróbka cieplna itp., aby wykorzystać ich zalety i uzyskać lepszą wydajność.

9. Opracowanie i selekcja materiałów

• Opracowuj i wybieraj nowe materiały o dobrej zdolności adaptacji do obróbki laserowej lub optymalizuj skład i strukturę organizacyjną istniejących materiałów.

10. Symulacja i symulacja procesu

• Użyj symulacji komputerowej i oprogramowania symulacyjnego, aby przewidzieć i zoptymalizować proces laserowej obróbki powierzchni, zmniejszyć liczbę eksperymentów i obniżyć koszty.

Ocenę efektu leczenia technologią laserowej obróbki powierzchni można przeprowadzić na podstawie następujących aspektów:

1. Morfologia i chropowatość powierzchni

• Za pomocą mikroskopu optycznego i skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) obserwuj mikroskopową morfologię powierzchni, aby sprawdzić, czy jest ona płaska, czy nie występują pęknięcia, pory i inne defekty.
• Zmierz chropowatość powierzchni za pomocą miernika chropowatości, aby ocenić gładkość obrobionej powierzchni.

2. Twardość i wytrzymałość

• Stosowanie metod badania twardości, takich jak twardość Rockwella, twardość Vickersa itp., w celu pomiaru wartości twardości obrabianej powierzchni w celu określenia stopnia poprawy twardości.
• Wykonaj testy rozciągania, ściskania i innych właściwości mechanicznych, aby ocenić zmianę wytrzymałości materiału.

3. Odporność na zużycie

• Test zużycia przeprowadzono przy użyciu maszyny do badania tarcia i zużycia w celu porównania odporności materiału na zużycie przed i po obróbce.

4. Odporność na korozję

• Ocenić odporność korozyjną materiałów po obróbce powierzchniowej za pomocą testu mgły solnej, testu korozji elektrochemicznej itp.

5. Stres resztkowy

• Zmierzyć rozkład naprężeń szczątkowych na powierzchni i wewnątrz, stosując techniki dyfrakcji promieni rentgenowskich itp., aby zrozumieć wpływ obróbki na stan naprężenia materiału.

6. Siła wiązania powłoki

• W przypadku procesów takich jak powlekanie laserowe bada się siłę wiązania powłoki z podłożem m.in. testowanie zarysowań.

7. Analiza mikrostruktury

• Zastosowanie mikroskopii metalograficznej, dyfrakcji wstecznego rozproszenia elektronów (EBSD) i innych metod analizy mikrostruktury po obróbce, takiej jak wielkość ziarna, skład fazowy i inne zmiany.

8. Skład chemiczny

• Wykorzystaj analizę dyspersji energii (EDS), rentgenowską spektroskopię fotoelektronów (XPS) i inne metody w celu określenia składu i rozmieszczenia elementów powierzchniowych.

Ocena powyższych aspektów pozwala kompleksowo i trafnie ocenić efekt obróbki technologii laserowej obróbki powierzchni oraz stanowić podstawę do dalszej optymalizacji procesu.

Następujące materiały nadają się do technologii laserowej obróbki powierzchni:

1. Materiały metalowe:

Stal: w tym stal węglowa, stal stopowa itp., często stosowana w celu poprawy jej twardości, odporności na zużycie i odporności na korozję.

• Aluminium i stop aluminium: mogą poprawić twardość powierzchni, odporność na zużycie i odporność na korozję.
• Tytan i stopy tytanu: zwiększają wytrzymałość powierzchniową i odporność na korozję, odpowiednie dla przemysłu lotniczego i innych dziedzin.
• Miedź i stopy miedzi: takie jak poprawa przewodności elektrycznej, odporności na zużycie itp.

2. Materiały ceramiczne: takie jak tlenek glinu, tlenek cyrkonu itp., poprawiają swoją wytrzymałość i jakość powierzchni poprzez obróbkę laserową.

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 powierzchniowego i odporność na zużycie.

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

6. Umrzeć stalą: takie jak Cr12MoV itp., po laserowej obróbce powierzchni w celu poprawy jakości powierzchni i żywotności matrycy.

Poniżej przedstawiono kilka sposobów poprawy wydajności przetwarzania technologii laserowej obróbki powierzchni:

1. Optymalizacja sprzętu laserowego

• Wybierz źródło lasera o dużej mocy i wysokiej częstotliwości powtarzania, aby zwiększyć moc wyjściową energii w jednostce czasu.
• Ulepsz układ optyczny, aby poprawić jakość i wydajność transmisji wiązki laserowej.

2. Technologia wielu wiązek

• Jednoczesna obróbka wieloma wiązkami laserowymi może znacznie zwiększyć obszar i prędkość obróbki.

3. Ulepsz system skanowania

• Użyj szybkiego galwanometru skanującego lub bardziej zaawansowanych urządzeń skanujących, aby poprawić szybkość i dokładność skanowania.

4. Zaplanuj odpowiednio ścieżkę skanowania

• Zaprojektuj optymalną ścieżkę skanowania, aby ograniczyć nieprawidłowe przemieszczanie się i nakładające się obszary oraz poprawić wydajność przetwarzania.

5. Automatyka i inteligentne sterowanie

• Połącz robotykę, aby zautomatyzować zaciskanie, pozycjonowanie i obsługę, skracając czas ręcznej interwencji.
• Użyj inteligentnego systemu sterowania, aby dostosować parametry lasera w czasie rzeczywistym zgodnie z charakterystyką materiału i wymaganiami dotyczącymi obsługi.

6. Przetwarzanie równoległe

• W przypadku detali produkowanych masowo można przetwarzać wiele detali jednocześnie.

7. Obróbka rozgrzewająca

• Obrabiany przedmiot jest odpowiednio podgrzewany, aby zmniejszyć zużycie energii i czas podczas obróbki laserowej.

8. Optymalizacja parametrów procesu

• Dzięki szeroko zakrojonym eksperymentom i symulacjom określ najlepszą kombinację mocy lasera, prędkości skanowania, częstotliwości impulsów i innych parametrów procesu, aby osiągnąć najwyższą wydajność przetwarzania.

9. Wstępna obróbka materiału

• Wstępna obróbka materiału, taka jak czyszczenie powierzchni i usuwanie warstwy utleniającej, w celu poprawy wydajności absorpcji i efektu obróbki laserem.

10. Optymalizacja układu chłodzenia

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

11. Opracuj nowe procesy leczenia

• Badania i zastosowanie bardziej wydajnych procesów laserowej obróbki powierzchni, takich jak ultraszybka obróbka laserowa.

1. Branża motoryzacyjna 

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. Dzięki hartowaniu laserowemu poprawia się twardość powierzchni i odporność na zużycie tych części, znacznie wydłuża się żywotność, a odkształcenie przedmiotu obrabianego przed i po hartowaniu jest prawie nieistotne, szczególnie nadaje się do części o wysokich wymaganiach dotyczących precyzji.

2. Przemysł form

W produkcji form zastosowanie technologii laserowej obróbki powierzchni może poprawić wydajność powierzchni formy. Na przykład technologię napawania laserowego można zastosować do naprawy zużytych form, poprawiając ich twardość powierzchni i trwałość; Hartowanie laserowe może zwiększyć twardość i odporność zmęczeniową powierzchni formy oraz zmniejszyć zużycie i odkształcenie formy podczas użytkowania.

3. Pole lotnicze

Technologia laserowego wzmacniania uderzeniowego jest często stosowana w celu poprawy odporności zmęczeniowej, odporności na zużycie i odporności na korozję części lotniczych. Technologia wykorzystuje fale uderzeniowe plazmy generowane przez silne wiązki lasera, aby wytworzyć głębokie naprężenia ściskające na powierzchni komponentów, wydłużając w ten sposób ich żywotność. Jednocześnie technologię wyżarzania laserowego można zastosować do dostosowania struktury matrycy materiału, zmniejszenia twardości, udoskonalenia ziarna, wyeliminowania naprężeń wewnętrznych itp. W obróbce półprzewodników może poprawić integrację układów scalonych.

4. Ochrona zabytków kultury

Technologia czyszczenia laserowego ma dobry efekt zastosowania w czyszczeniu zabytków kultury. Może usuwać brud, rdzę, powłoki itp. z powierzchni zabytków, nie powodując przy tym uszkodzeń zabytków. Na przykład niektórym starożytnym reliktom metalowym, rzeźbom w kamieniu, malowidłom ściennym itp. można przywrócić ich pierwotny wygląd za pomocą czyszczenia laserowego.

5. Produkcja silników z drutu płaskiego

Technologia laserowego usuwania warstwy tlenku płaskiego drutu miedzianego poprzez precyzyjne kontrolowanie energii wiązki lasera pozwala szybko i skutecznie usunąć warstwę tlenku z powierzchni płaskiego drutu miedzianego, prawie bez uszkodzenia samego drutu miedzianego. Technologia ta nie tylko przywraca i poprawia przewodność elektryczną silnika, ale także poprawia wydajność produkcji oraz zmniejsza zanieczyszczenie środowiska i straty materiałowe. W dziedzinie nowych pojazdów energetycznych i automatyki przemysłowej silnik z drutem płaskim poddany obróbce tą technologią ma lepszą przewodność elektryczną i stabilność termiczną, a także poprawia się jego niezawodność i żywotność.

6. Implanty kostne

Technologia obróbki powierzchni laserem nanosekundowym opracowana przez Koreański Instytut Zaawansowanej Nauki i Technologii może zostać wykorzystana do wywołania tworzenia sztucznych powłok kostnych. Technologia eliminuje konieczność osobnej syntezy surowców do pokrycia sztucznej kości, a powłokę można wytworzyć za pomocą laserów nanosekundowych, a uzyskana powłoka hydroksyapatytowa charakteryzuje się dużą wytrzymałością powłoki. Na przykład po zastosowaniu do urządzeń do mocowania kości na bazie tytanu może poprawić właściwości przewodnictwa kostnego, poprawić biokompatybilność, zdolność osteogenną i przewodność kości powłoki, a nowa metoda może wytworzyć wiązanie powłokowe trzykrotnie większe niż w przypadku tradycyjnych materiałów powłokowych. i może tworzyć powłokę na powierzchni nie tylko metali, ale także materiałów polimerowych.

7. Obróbka powierzchni tytanu

Korea Electric Research Institute wykorzystuje obróbkę powierzchni tytanu za pomocą lasera femtosekundowego, co może nie tylko poprawić naturalne właściwości tytanu, ale także stworzyć funkcjonalną powierzchnię. Hydrofilowy materiał tytanowy po zabiegu laserem femtosekundowym można przygotować na implanty dentystyczne, które charakteryzują się dużym powinowactwem z organizmem człowieka i mogą osiągnąć stabilne zespolenie z ludzką kością, co znacznie skraca cykl leczenia pacjentów. Materiał tytanowy po obróbce hydrofobowej może być przygotowany na wyroby medyczne do przeszczepów in vivo, co pozwala ograniczyć reakcję pacjenta na ciało obce.

Technologia laserowej obróbki powierzchni to zaawansowana technologia zmiany właściwości powierzchni materiałów za pomocą wiązki lasera, która ma wiele zalet, takich jak wysoka precyzja, miejscowa obróbka i małe odkształcenia. Na efekt przetwarzania wpływają parametry lasera, prędkość skanowania, rozmiar plamki, właściwości materiału, środowisko przetwarzania i inne czynniki. Aby zoptymalizować efekt leczenia, można zacząć od wielu aspektów, takich jak precyzyjna kontrola parametrów lasera, doskonalenie strategii punktowej i skanowania, połączenie technologii pomocniczej i sprzężenia zwrotnego monitorowania w czasie rzeczywistym. Technologia nadaje się do metalu, ceramiki, polimerów, materiałów kompozytowych i innych materiałów. Efekt obróbki można ocenić pod wieloma względami, takimi jak morfologia powierzchni, twardość, odporność na zużycie i odporność na korozję. Metody poprawy wydajności przetwarzania obejmują optymalizację sprzętu laserowego, wykorzystanie wielowiązkowych i zaawansowanych systemów skanowania, planowanie ścieżek skanowania i realizację automatycznego sterowania. Istnieją udane zastosowania w wielu dziedzinach, takich jak samochody, formy, lotnictwo i ochrona zabytków kultury, które odegrały ważną rolę w poprawie wydajności i jakości produktu. Oczekuje się, że w przyszłości technologia laserowej obróbki powierzchni będzie nadal rozwijać się pod względem precyzji, wydajności, inteligencji i innych aspektów, a także poszerzać szerszy zakres obszarów zastosowań.

Skontaktuj się z nami