Tecnologia de tratamento de superfície a laser de resolução profunda

O tratamento de superfície a laser é uma tecnologia que altera as propriedades da superfície dos materiais aquecendo, derretendo e congelando a superfície dos materiais por meio de feixe de laser. Pode ser processado em atmosfera, vácuo e outros ambientes, e tem as vantagens do processamento sem contato e da deformação mínima da peça.

De acordo com a finalidade diferente do tratamento de superfície, o tratamento de superfície a laser pode ser dividido em tratamento de modificação de superfície e tratamento de remoção. Entre eles, o tratamento de modificação de superfície inclui envidraçamento a laser, refusão a laser, liga a laser, revestimento a laser, etc. O tratamento de remoção refere-se principalmente à limpeza a laser.

A tecnologia de tratamento de superfície a laser é amplamente utilizada nas indústrias automotiva, aeroespacial, eletrônica, máquinas e outras indústrias. Por exemplo, na fabricação automotiva, o tratamento de superfície a laser pode ser usado para melhorar o desgaste e a resistência à corrosão dos componentes do motor; No setor aeroespacial, o tratamento de superfície a laser pode ser utilizado para melhorar as propriedades superficiais dos componentes de aeronaves, aumentando sua vida útil em fadiga e confiabilidade.

Tratamento de superfície a laser é um método que usa o feixe de laser para aquecer rápida e localmente a peça de trabalho para obter aquecimento ou resfriamento local urgente, de modo a alterar as propriedades da superfície do material. De acordo com a finalidade diferente do tratamento de superfície, o tratamento de superfície a laser pode ser dividido em tratamento de modificação de superfície e tratamento de remoção.

O tratamento de modificação da superfície a laser visa melhorar o desempenho da superfície da peça através da mudança da estrutura organizacional do próprio material ou da introdução de outros materiais durante o processo de digitalização a laser, a tecnologia pode tratar seletivamente a superfície da peça, o que é propício para manter tenacidade e resistência suficientes da peça como um todo, e da superfície para obter desempenho alto e específico, como resistência ao desgaste, resistência à corrosão e resistência à fadiga, resistência à oxidação. As técnicas comuns de modificação de superfície a laser incluem envidraçamento a laser, refusão a laser, liga a laser e revestimento a laser.

O tratamento de remoção a laser refere-se principalmente à limpeza a laser, que utiliza o feixe de laser para ser absorvido pela camada contaminada da superfície a ser tratada, e a absorção de grande energia forma um plasma em rápida expansão, gerando uma onda de choque, sob a ação do onda de choque, os poluentes tornam-se fragmentos e são removidos. Em comparação com os métodos de limpeza tradicionais, a limpeza a laser tem as vantagens de não ter contato, alta eficiência, redução da poluição ambiental e assim por diante.

O efeito do tratamento da tecnologia de tratamento de superfície a laser é afetado principalmente pelos seguintes fatores:

1. Parâmetros do laser

• Potência do laser: O tamanho da potência afeta diretamente a entrada de energia, quanto maior a potência, mais intenso o efeito de aquecimento, o que pode levar a uma profundidade de processamento mais profunda e a alterações teciduais mais significativas.
• Comprimento de onda do laser: A capacidade de absorção e penetração dos diferentes comprimentos de onda do laser no material é diferente, o que afeta o efeito do tratamento.
• Largura e frequência de pulso: larguras de pulso curtas permitem um processamento mais preciso, enquanto altas frequências aumentam a eficiência do processamento.

2.Velocidade de digitalização

A velocidade de varredura determina o tempo de ação do laser em cada posição; uma velocidade muito rápida pode levar a um processamento inadequado; uma velocidade muito lenta pode causar aquecimento excessivo e expansão da zona afetada pelo calor.

3. Tamanho do ponto

O tamanho do ponto afeta a concentração da distribuição de energia, e pontos menores permitem um processamento local mais preciso.

4.Características do material

• Composição do material: O conteúdo e o tipo dos diferentes elementos afetarão a absorção e a reação do material ao laser.
• O estado original da microestrutura, como o tamanho do grão e a composição das fases, afetará a transição de fase e a evolução da microestrutura após o tratamento.

5. Ambiente de tratamento

incluindo atmosfera (como vácuo, gás inerte, gás oxidante, etc.) e temperatura, o que afetará a oxidação, nitretação e outras reações químicas durante o processo de tratamento.

6. Taxa de sobreposição

No processamento de varredura múltipla, o grau de sobreposição entre trilhas de varredura adjacentes afetará a uniformidade e a continuidade do processamento.

7.Processo auxiliar

como adicionar gás de sopro no processo de tratamento, aplicar campo magnético ou campo elétrico e outros meios auxiliares, também afetarão o efeito do tratamento.

A seguir estão algumas maneiras de otimizar o efeito do tratamento da tecnologia de tratamento de superfície a laser:

1. Controle preciso dos parâmetros do laser

• Realize experimentos e simulações extensivos para determinar parâmetros como potência ideal do laser, comprimento de onda, largura de pulso, frequência e velocidade de varredura para materiais específicos e requisitos de processamento.
• O uso de equipamento laser avançado para ajuste e estabilidade de parâmetros mais precisos.

2. Otimize a qualidade e o formato do ponto

• O uso de componentes ópticos de alta qualidade para garantir uniformidade pontual e precisão de foco.
• De acordo com os requisitos de processamento, selecione o formato de ponto apropriado, como redondo, retangular ou outro formato específico.

3. Melhore a política de verificação

• Adote um planejamento razoável do caminho de digitalização, como digitalização em espiral, digitalização paralela, etc., para obter um efeito de processamento uniforme.
• Ajuste a taxa de ligação para garantir continuidade e consistência na área de processamento.

4. Pré-tratamento de materiais

• Limpe o material, remova a camada de óxido e outros pré-tratamentos, melhore a taxa de absorção do laser da superfície do material e a uniformidade do tratamento.

5. Controle o ambiente de processamento

• Dependendo da finalidade do tratamento, é selecionado o ambiente atmosférico apropriado, como vácuo, proteção com gás inerte ou gases reativos específicos.
• Controle a temperatura durante o processo de tratamento, seja por dispositivo de resfriamento ou por meio de pré-aquecimento.

6. Incorporar processos auxiliares

• A introdução de gases de sopro, como nitrogênio, argônio, etc. ajuda a remover escórias e controlar reações químicas.
• Aplique campos magnéticos ou elétricos para afetar o processo de interação entre o laser e o material.

7. Monitoramento e feedback em tempo real

• Usando tecnologia de monitoramento on-line, como medição de temperatura infravermelha, imagem óptica, etc., monitoramento em tempo real de temperatura, morfologia e outros parâmetros no processo de processamento.
• De acordo com os resultados do monitoramento, ajuste oportunamente os parâmetros e processos do laser para obter controle de circuito fechado.

8. Combinação multiprocesso

• Combine o tratamento de superfície a laser com outras tecnologias de tratamento de superfície, como galvanoplastia, tratamento térmico químico, etc., para aproveitar suas respectivas vantagens e obter melhor desempenho.

9. Desenvolvimento e seleção de materiais

• Desenvolva e selecione novos materiais com boa adaptabilidade ao processamento a laser ou otimize a composição e estrutura organizacional dos materiais existentes.

10. Simulação e simulação de processos

• Use simulação computacional e software de simulação para prever e otimizar o processo de tratamento de superfície a laser, reduzir o número de experimentos e reduzir custos.

A avaliação do efeito do tratamento da tecnologia de tratamento de superfície a laser pode ser realizada a partir dos seguintes aspectos:

1. Morfologia e rugosidade da superfície

• Use microscópio óptico e microscópio eletrônico de varredura (MEV) para observar a morfologia microscópica da superfície para verificar se ela é plana, se há rachaduras, poros e outros defeitos.
• Meça a rugosidade da superfície com um medidor de rugosidade para avaliar a suavidade da superfície tratada.

2. Dureza e força

• Usando métodos de teste de dureza, como dureza Rockwell, dureza Vickers, etc., para medir o valor de dureza da superfície tratada para determinar o grau de melhoria da dureza.
• Realize testes de tração, compressão e outras propriedades mecânicas para avaliar a mudança de resistência do material.

3. Resistência ao desgaste

• O teste de desgaste foi realizado em uma máquina de teste de atrito e desgaste para comparar a resistência ao desgaste do material antes e depois do tratamento.

4. Resistência à corrosão

• Avalie a resistência à corrosão dos materiais após o tratamento de superfície por meio de teste de névoa salina, teste de corrosão eletroquímica, etc.

5. Estresse residual

• Meça a distribuição da tensão residual na superfície e no interior usando técnicas de difração de raios X, etc., para compreender o efeito do tratamento no estado de tensão do material.

6. Força de colagem do revestimento

• Para processos como revestimento a laser, a resistência de ligação do revestimento ao substrato é testada, por ex. teste de arranhões.

7. Análise microestrutural

• Usando microscopia metalográfica, difração de retroespalhamento de elétrons (EBSD) e outros meios para analisar a microestrutura após o tratamento, como tamanho de grão, composição de fases e outras alterações.

8. Composição química

• Use análise de energia dispersiva (EDS), espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e outros métodos para determinar a composição e distribuição de elementos de superfície.

A avaliação dos aspectos acima pode avaliar de forma abrangente e precisa o efeito do tratamento da tecnologia de tratamento de superfície a laser e fornecer uma base para otimização adicional do processo.

Os seguintes materiais são adequados para tecnologia de tratamento de superfície a laser:

1. Materiais metálicos:

Aço: incluindo aço carbono, aço-liga, etc., frequentemente usado para melhorar sua dureza, resistência ao desgaste e resistência à corrosão.

• Alumínio e liga de alumínio: pode melhorar a dureza superficial, resistência ao desgaste e resistência à corrosão.
• Titânio e ligas de titânio: melhoram a resistência superficial e a resistência à corrosão, adequadas para a indústria aeroespacial e outros campos.
• Cobre e ligas de cobre: ​​como melhoria da condutividade elétrica, resistência ao desgaste, etc.

2. Materiais cerâmicos: como alumina, zircônia, etc., melhoram sua tenacidade e qualidade superficial por meio do tratamento a laser.

3. Materiais poliméricos: como policarbonato, polietileno, etc., podem aumentar sua dureza superficial, resistência ao desgaste e propriedades de ligação.

4. Materiais compósitos: como materiais compósitos reforçados com fibra de carbono (CFRP), podem melhorar as propriedades de ligação da superfície e a resistência ao desgaste.

5. Metal duro: frequentemente usado na fabricação de ferramentas e moldes, o tratamento a laser pode prolongar sua vida útil.

6. Morrer aço: como Cr12MoV, etc., após tratamento de superfície a laser para melhorar a qualidade da superfície e a vida útil da matriz.

A seguir estão algumas maneiras de melhorar a eficiência de processamento da tecnologia de tratamento de superfície a laser:

1. Otimize o equipamento laser

• Escolha uma fonte de laser com alta potência e alta frequência de repetição para aumentar a produção de energia por unidade de tempo.
• Atualize o sistema óptico para melhorar a qualidade e a eficiência de transmissão do feixe de laser.

2. Tecnologia multifeixe

• O processamento simultâneo com vários feixes de laser pode aumentar significativamente a área e a velocidade de processamento.

3. Melhore o sistema de digitalização

• Use galvanômetro de varredura de alta velocidade ou dispositivos de varredura mais avançados para melhorar a velocidade e a precisão da varredura.

4. Planeje o caminho da digitalização adequadamente

• Projete o caminho de digitalização ideal para reduzir deslocamentos inválidos e áreas sobrepostas e melhorar a eficiência do processamento.

5. Automação e controle inteligente

• Combine a robótica para automatizar a fixação, o posicionamento e o manuseio, reduzindo o tempo de intervenção manual.
• Use um sistema de controle inteligente para ajustar os parâmetros do laser em tempo real de acordo com as características do material e requisitos de manuseio.

6. Processamento paralelo

• Para peças produzidas em massa, várias peças podem ser processadas simultaneamente.

7. Tratamento de pré-aquecimento

• A peça de trabalho é pré-aquecida adequadamente para reduzir o consumo de energia e o tempo durante o processamento a laser.

8. Otimização de parâmetros de processo

• Através de extensos experimentos e simulações, determine a melhor combinação de potência do laser, velocidade de varredura, frequência de pulso e outros parâmetros de processo para alcançar a mais alta eficiência de processamento.

9. Pré-tratamento de materiais

• Pré-tratamento do material, como limpeza de superfície e remoção da camada de oxidação, com antecedência para melhorar a eficiência de absorção e o efeito de tratamento do laser.

10. Otimização do sistema de refrigeração

• Garante um sistema de resfriamento eficiente que evita o superaquecimento da peça, aumentando assim a velocidade de processamento.

11. Desenvolver novos processos de tratamento

• Pesquisa e aplicação de processos de tratamento de superfície a laser mais eficientes, como o tratamento a laser ultrarrápido.

1. Indústria automobilística 

A tecnologia de endurecimento a laser tem sido aplicada com sucesso ao reforço superficial de peças vulneráveis ​​na indústria automotiva, como engrenagens, superfícies de eixos, guias, mandíbulas, moldes, etc. Com a têmpera a laser, a dureza superficial e a resistência ao desgaste dessas peças são melhoradas, a vida útil é significativamente estendida e a deformação da peça antes e depois da têmpera é quase insignificante, especialmente adequada para peças com requisitos de alta precisão.

2. Indústria de moldes

Na fabricação de moldes, o uso da tecnologia de tratamento de superfície a laser pode melhorar o desempenho da superfície do molde. Por exemplo, a tecnologia de revestimento a laser pode ser usada para reparar moldes desgastados, melhorando a dureza e durabilidade da superfície; A têmpera a laser pode aumentar a dureza e a resistência à fadiga da superfície do molde e reduzir o desgaste e a deformação do molde durante o uso.

3. Campo aeroespacial

A tecnologia de reforço por choque a laser é frequentemente usada para melhorar a resistência à fadiga, ao desgaste e à corrosão de peças aeroespaciais. A tecnologia utiliza ondas de choque de plasma geradas por fortes feixes de laser para criar tensões compressivas profundas na superfície dos componentes, prolongando assim a sua vida útil. Ao mesmo tempo, a tecnologia de recozimento a laser pode ser usada para ajustar a estrutura da matriz do material, reduzir a dureza, refinar o grão, eliminar o estresse interno, etc., no processamento de semicondutores pode melhorar a integração de circuitos integrados.

4. Proteção de relíquias culturais

A tecnologia de limpeza a laser tem um bom efeito de aplicação na limpeza de relíquias culturais. Pode remover sujeira, ferrugem, revestimento, etc., da superfície das relíquias culturais, sem causar danos às relíquias culturais. Por exemplo, algumas relíquias de metal antigas, esculturas em pedra, murais, etc., podem ser restauradas à sua aparência original por meio de limpeza a laser.

5. Fabricação de motores de fio plano

A tecnologia de camada de óxido de fio de cobre plano de remoção a laser, controlando com precisão a energia do feixe de laser, pode remover de forma rápida e eficiente a camada de óxido de superfície de fio de cobre plano e quase nenhum dano ao próprio fio de cobre. Esta tecnologia não só restaura e melhora a condutividade elétrica do motor, mas também melhora a eficiência da produção e reduz a poluição ambiental e o desperdício de materiais. Nas áreas de veículos de novas energias e automação industrial, o motor de fio plano tratado com esta tecnologia apresenta melhor condutividade elétrica e estabilidade térmica, e sua confiabilidade e vida útil também são melhoradas.

6. Implantes ósseos

A tecnologia de tratamento de superfície a laser de nanossegundos desenvolvida pelo Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia pode ser usada para induzir a formação de revestimentos ósseos artificiais. A tecnologia elimina a necessidade de sintetizar separadamente matérias-primas para o revestimento ósseo artificial, e o revestimento pode ser criado usando lasers de nanossegundos, e o revestimento de hidroxiapatita resultante tem uma alta resistência de revestimento. Por exemplo, quando aplicado a dispositivos de fixação óssea à base de titânio, pode melhorar as propriedades de condução óssea, melhorar a biocompatibilidade, a capacidade osteogênica e a condutividade óssea do revestimento, e o novo método pode formar uma ligação de revestimento três vezes maior que a dos materiais de revestimento tradicionais, e pode formar um revestimento na superfície não apenas de metal, mas também de materiais poliméricos.

7. Tratamento de superfície de titânio

O Korea Electric Research Institute usa tratamento de superfície de titânio com laser de femtosegundo, que pode não apenas melhorar as propriedades inerentes do titânio, mas também criar uma superfície funcional. O material de titânio hidrofílico após o tratamento com laser de femtosegundo pode ser preparado em implantes dentários, que possuem alta afinidade com o corpo humano e podem alcançar fusão estável com o osso humano, encurtando significativamente o ciclo de tratamento dos pacientes. O material de titânio após tratamento hidrofóbico pode ser preparado em dispositivos médicos para transplante in vivo, o que ajuda a reduzir a reação de corpo estranho no paciente.

A tecnologia de tratamento de superfície a laser é uma tecnologia avançada para alterar as propriedades superficiais dos materiais por feixe de laser, que apresenta muitas vantagens, como alta precisão, tratamento local e pequena deformação. O efeito de processamento é afetado pelos parâmetros do laser, velocidade de digitalização, tamanho do ponto, propriedades do material, ambiente de processamento e outros fatores. Para otimizar o efeito do tratamento, ele pode ser iniciado a partir de vários aspectos, como controle preciso dos parâmetros do laser, melhoria da estratégia de localização e varredura, combinação de tecnologia auxiliar e feedback de monitoramento em tempo real. A tecnologia é adequada para metais, cerâmicas, polímeros, materiais compósitos e outros materiais. O efeito do tratamento pode ser avaliado de vários ângulos, como morfologia da superfície, dureza, resistência ao desgaste e resistência à corrosão. Os métodos para melhorar a eficiência do processamento incluem a otimização do equipamento a laser, o uso de sistemas de varredura multifeixe e avançados, o planejamento de caminhos de varredura e a realização do controle automático. Existem casos de aplicação bem-sucedidos em muitos campos, como automóveis, moldes, aeroespacial e proteção de relíquias culturais, que desempenharam um papel importante na melhoria do desempenho e da qualidade dos produtos. No futuro, espera-se que a tecnologia de tratamento de superfície a laser continue a se desenvolver em precisão, eficiência, inteligência e outros aspectos, e expanda uma gama mais ampla de campos de aplicação.

Entre em contato conosco