Технология лазерной обработки поверхностей с высоким разрешением

Лазерная обработка поверхности — это технология, изменяющая свойства поверхности материалов путем нагрева, плавления и замораживания поверхности материалов с помощью лазерного луча. Обработка может проводиться в атмосфере, вакууме и других средах, и обладает преимуществами бесконтактной обработки и минимальной деформации заготовки.

В зависимости от цели обработки поверхности, лазерная обработка поверхности может быть разделена на модификацию поверхности и удаление покрытия. К модификации поверхности относятся лазерное напыление, лазерная переплавка, лазерное легирование, лазерное нанесение покрытия и т. д. Удаление покрытия в основном подразумевает лазерную очистку.

Технология лазерной обработки поверхностей широко применяется в автомобильной, аэрокосмической, электронной, машиностроительной и других отраслях промышленности. Например, в автомобилестроении лазерная обработка поверхностей может использоваться для повышения износостойкости и коррозионной стойкости компонентов двигателей; в аэрокосмической отрасли лазерная обработка поверхностей может использоваться для улучшения поверхностных свойств компонентов летательных аппаратов, увеличивая их усталостную долговечность и надежность.

Лазерная обработка поверхности — это метод, при котором лазерный луч быстро и локально нагревает заготовку, обеспечивая локальный нагрев или охлаждение и, следовательно, изменение поверхностных свойств материала. В зависимости от цели обработки поверхности лазерная обработка может быть разделена на модификацию поверхности и удаление дефектов.

Лазерная модификация поверхности — это улучшение характеристик поверхности заготовки за счет изменения организационной структуры самого материала или введения других материалов в процессе лазерного сканирования. Технология позволяет избирательно обрабатывать поверхность заготовки, что способствует сохранению достаточной прочности и ударной вязкости заготовки в целом, а также получению высоких и специфических характеристик поверхности, таких как износостойкость, коррозионная стойкость, усталостная стойкость и стойкость к окислению. К распространенным методам лазерной модификации поверхности относятся лазерное глазирование, лазерная переплавка, лазерное легирование и лазерное нанесение покрытий.

Лазерная обработка для удаления загрязнений в основном относится к лазерной очистке, при которой лазерный луч поглощается загрязненным слоем на обрабатываемой поверхности, а поглощенная большая энергия образует быстро расширяющуюся плазму, генерирующую ударную волну. Под действием ударной волны загрязняющие вещества фрагментируются и удаляются. По сравнению с традиционными методами очистки, лазерная очистка имеет преимущества бесконтактного метода, высокой эффективности, снижения загрязнения окружающей среды и т.д.

На эффективность лазерной обработки поверхности в основном влияют следующие факторы:

1. Параметры лазера

• Мощность лазера: Величина мощности напрямую влияет на подводимую энергию; чем выше мощность, тем интенсивнее эффект нагрева, что может привести к большей глубине обработки и более значительным изменениям в тканях.
• Длина волны лазера: Поглощающая и проникающая способность лазеров различной длины волны в материале различна, что влияет на эффективность лечения.
• Длительность и частота импульса: Короткая длительность импульса обеспечивает более точную обработку, а высокая частота повышает эффективность обработки.

2. Скорость сканирования

Скорость сканирования определяет время воздействия лазера на каждую точку; слишком высокая скорость может привести к некачественной обработке, слишком низкая скорость может вызвать чрезмерный нагрев и расширение зоны термического воздействия.

3. Размер пятна

Размер пятна влияет на концентрацию распределения энергии, и меньшие пятна позволяют осуществлять более точную локальную обработку.

4. Характеристики материала

• Состав материала: Содержание и тип различных элементов влияют на поглощение лазерного излучения и реакцию материала на него.
• Исходное состояние микроструктуры, такое как размер зерен и фазовый состав, будет влиять на фазовый переход и эволюцию микроструктуры после обработки.

5. Условия проведения лечения

включая атмосферу (например, вакуум, инертный газ, окисляющий газ и т. д.) и температуру, которые будут влиять на окисление, азотирование и другие химические реакции в процессе обработки.

6. Коэффициент перекрытия

При обработке с использованием нескольких сканирующих дорожек степень перекрытия между соседними сканирующими дорожками влияет на равномерность и непрерывность обработки.

7. Вспомогательный процесс

Такие методы, как добавление продувочного газа в процессе обработки, применение магнитного или электрического поля и другие вспомогательные средства, также будут влиять на эффективность обработки.

Ниже приведены некоторые способы оптимизации эффекта обработки поверхности с помощью лазерной технологии:

1. Точный контроль параметров лазера.

• Проведите обширные эксперименты и моделирование для определения таких параметров, как оптимальная мощность лазера, длина волны, ширина импульса, частота и скорость сканирования для конкретных материалов и технологических требований.
• Использование современного лазерного оборудования для более точной настройки параметров и обеспечения стабильности.

2. Оптимизация качества и формы пятна.

• Использование высококачественных оптических компонентов для обеспечения равномерности пятна и точности фокусировки.
• В соответствии с требованиями обработки выберите подходящую форму пятна, например, круглую, прямоугольную или другую специфическую форму.

3. Улучшить политику сканирования.

• Для достижения равномерного эффекта обработки следует применять рациональное планирование траектории сканирования, например, спиральное сканирование, параллельное сканирование и т. д.
• Отрегулируйте скорость склеивания, чтобы обеспечить непрерывность и однородность процесса в технологической зоне.

4. Предварительная обработка материала

• Очистка материала, удаление оксидного слоя и других предварительных обработок, повышение коэффициента поглощения лазерного излучения поверхностью материала и равномерности обработки.

5. Контроль условий обработки.

• В зависимости от цели обработки выбирается соответствующая атмосферная среда, например, вакуум, защита инертным газом или специальные реактивные газы.
• Контроль температуры в процессе обработки может осуществляться с помощью охлаждающего устройства или предварительного нагрева.

6. Внедрение вспомогательных процессов

• Введение продувочных газов, таких как азот, аргон и т. д., помогает удалять шлак и контролировать химические реакции.
• Для воздействия на процесс взаимодействия лазера с материалом следует использовать магнитные или электрические поля.

7. Мониторинг и обратная связь в режиме реального времени.

• Использование технологий онлайн-мониторинга, таких как инфракрасное измерение температуры, оптическая визуализация и т. д., позволяет осуществлять мониторинг температуры, морфологии и других параметров в режиме реального времени в процессе обработки.
• На основании результатов мониторинга необходимо своевременно корректировать параметры и процессы лазерной обработки для достижения замкнутого контура управления.

8. Комбинация многопроцессных решений

• Сочетание лазерной обработки поверхности с другими технологиями обработки поверхности, такими как гальваническое покрытие, химическая термообработка и т. д., позволяет использовать их преимущества и добиться лучших результатов.

9. Разработка и отбор материалов

• Разрабатывать и отбирать новые материалы с хорошей пригодностью для лазерной обработки, или оптимизировать состав и организационную структуру существующих материалов.

10. Моделирование процессов и имитация

• Используйте компьютерное моделирование и программное обеспечение для моделирования, чтобы прогнозировать и оптимизировать процесс лазерной обработки поверхности, сократить количество экспериментов и снизить затраты.

Оценить эффективность лазерной обработки поверхностей можно по следующим параметрам:

1. Морфология и шероховатость поверхности

• Для наблюдения за микроскопической морфологией поверхности и проверки ее ровности, наличия трещин, пор и других дефектов используйте оптический микроскоп и сканирующий электронный микроскоп (СЭМ).
• Для оценки гладкости обработанной поверхности измерьте шероховатость с помощью измерителя шероховатости.

2. Твердость и прочность

• Для определения степени повышения твердости обработанной поверхности используются методы измерения твердости, такие как твердость по Роквеллу, твердость по Виккерсу и др.
• Проведите испытания на растяжение, сжатие и другие механические свойства, чтобы оценить изменение прочности материала.

3. Износостойкость

• Для сравнения износостойкости материала до и после обработки были проведены испытания на износостойкость с использованием машины для испытаний на трение и износ.

4. Коррозионная стойкость

• Оцените коррозионную стойкость материалов после обработки поверхности с помощью испытаний в солевом тумане, электрохимических коррозионных испытаний и т. д.

5. Остаточное напряжение

• Для понимания влияния обработки на напряженное состояние материала необходимо измерить распределение остаточных напряжений на поверхности и внутри материала с помощью методов рентгеновской дифракции и т.д.

6. Прочность сцепления покрытия

• В таких процессах, как лазерное нанесение покрытий, проверяется прочность сцепления покрытия с подложкой, например, с помощью испытаний на царапание.

7. Микроструктурный анализ

• Для анализа микроструктуры после обработки, например, размера зерен, фазового состава и других изменений, используются металлографическая микроскопия, дифракция обратнорассеянных электронов (EBSD) и другие методы.

8. Химический состав

• Для определения состава и распределения элементов на поверхности следует использовать энергодисперсионный анализ (ЭДС), рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (РФЭС) и другие методы.

Оценка вышеуказанных аспектов позволяет всесторонне и точно судить об эффективности лазерной обработки поверхностей и служит основой для дальнейшей оптимизации процесса.

Для лазерной обработки поверхностей подходят следующие материалы:

1. Металлические материалы:

Сталь: включая углеродистую сталь, легированную сталь и т. д., часто используется для повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости.

• Алюминий и алюминиевые сплавы: могут улучшить твердость поверхности, износостойкость и коррозионную стойкость.
• Титан и титановые сплавы: повышают прочность поверхности и коррозионную стойкость, подходят для аэрокосмической и других отраслей.
• Медь и медные сплавы: например, для улучшения электропроводности, износостойкости и т. д.

2. Керамические материалы, такие как оксид алюминия, диоксид циркония и др., улучшают свою прочность и качество поверхности за счет лазерной обработки.

3. Полимерные материалы, такие как поликарбонат, полиэтилен и т. д., могут повысить твердость поверхности, износостойкость и адгезионные свойства.

4. Композитные материалы: такие как композитные материалы, армированные углеродным волокном (CFRP), могут улучшить свойства сцепления поверхности и износостойкость.

5. Твердосплав: часто используется в производстве инструментов и пресс-форм, лазерная обработка может продлить срок его службы.

6. Инструментальная сталь: например, Cr12MoV и др., после лазерной обработки поверхности улучшается качество поверхности и увеличивается срок службы штампа.

Ниже приведены некоторые способы повышения эффективности обработки поверхностей с помощью лазерной технологии:

1. Оптимизация лазерного оборудования

• Для увеличения выходной энергии в единицу времени выбирайте лазерный источник с высокой мощностью и высокой частотой повторения.
• Модернизировать оптическую систему для повышения качества и эффективности передачи лазерного луча.

2. Многолучевая технология

• Одновременная обработка несколькими лазерными лучами позволяет значительно увеличить площадь обработки и скорость.

3. Улучшить систему сканирования.

• Для повышения скорости и точности сканирования используйте высокоскоростной сканирующий гальванометр или более совершенные сканирующие устройства.

4. Правильно спланируйте траекторию сканирования.

• Разработайте оптимальную траекторию сканирования, чтобы уменьшить количество некорректных перемещений и перекрывающихся зон, а также повысить эффективность обработки.

5. Автоматизация и интеллектуальное управление

• Использование робототехники позволяет автоматизировать зажим, позиционирование и перемещение, сокращая время ручного вмешательства.
• Используйте интеллектуальную систему управления для корректировки параметров лазера в режиме реального времени в соответствии с характеристиками материала и требованиями к его обработке.

6. Параллельная обработка

• При серийном производстве деталей можно обрабатывать несколько заготовок одновременно.

7. Предварительная термообработка

• Для снижения энергопотребления и сокращения времени лазерной обработки заготовка предварительно нагревается.

8. Оптимизация параметров процесса

• Путем проведения обширных экспериментов и моделирования определить оптимальное сочетание мощности лазера, скорости сканирования, частоты импульсов и других параметров процесса для достижения максимальной эффективности обработки.

9. Предварительная обработка материала

• Предварительная обработка материала, такая как очистка поверхности и удаление оксидного слоя, позволяет повысить эффективность поглощения и эффективность обработки лазером.

10. Оптимизация системы охлаждения

• Обеспечивает эффективную систему охлаждения, предотвращающую перегрев заготовки, что увеличивает скорость обработки.

11. Разработка новых методов лечения.

• Исследование и применение более эффективных процессов лазерной обработки поверхностей, таких как сверхбыстрая лазерная обработка.

1. Автомобильная промышленность

Технология лазерной закалки успешно применяется для упрочнения поверхности уязвимых деталей в автомобильной промышленности, таких как шестерни, поверхности валов, направляющие, зажимные губки, пресс-формы и т. д. Благодаря лазерной закалке повышается твердость поверхности и износостойкость этих деталей, значительно увеличивается срок их службы, а деформация заготовки до и после закалки практически незначительна, что особенно подходит для деталей с высокими требованиями к точности.

2. Производство пресс-форм

В производстве пресс-форм использование технологии лазерной обработки поверхности может улучшить эксплуатационные характеристики пресс-форм. Например, технология лазерной наплавки может использоваться для ремонта изношенных пресс-форм, повышая их твердость и долговечность; лазерное закаливание может повысить твердость и усталостную прочность поверхности пресс-формы, а также уменьшить износ и деформацию пресс-формы во время эксплуатации.

3. Аэрокосмическая отрасль

Технология лазерного ударного упрочнения часто используется для повышения усталостной прочности, износостойкости и коррозионной стойкости деталей аэрокосмической отрасли. В этой технологии используются плазменные ударные волны, генерируемые мощными лазерными лучами, для создания глубоких сжимающих напряжений на поверхности компонентов, что продлевает срок их службы. Одновременно с этим, технология лазерного отжига позволяет корректировать матричную структуру материала, снижать твердость, измельчать зерна, устранять внутренние напряжения и т.д., что в полупроводниковой промышленности может улучшить интеграцию интегральных схем.

4. Охрана культурных ценностей

Технология лазерной очистки обладает хорошими свойствами при очистке культурных ценностей. Она позволяет удалять грязь, ржавчину, покрытия и т.д. с поверхности предметов культурного наследия, не причиняя им вреда. Например, некоторые древние металлические изделия, каменные резные фигуры, фрески и т.д. могут быть восстановлены до своего первоначального вида с помощью лазерной очистки.

5. Производство двигателей с плоским проводом

Технология лазерного удаления оксидного слоя с плоской медной проволоки, точно контролирующая энергию лазерного луча, позволяет быстро и эффективно удалять оксидный слой с поверхности плоской медной проволоки, практически не повреждая саму проволоку. Эта технология не только восстанавливает и улучшает электропроводность двигателя, но и повышает эффективность производства, снижает загрязнение окружающей среды и количество отходов материалов. В области электромобилей и промышленной автоматизации двигатель с плоской проволокой, обработанный по этой технологии, обладает лучшей электропроводностью и термической стабильностью, а также повышается его надежность и срок службы.

6. Костные имплантаты

Технология обработки поверхности наносекундным лазером, разработанная Корейским институтом передовых наук и технологий, может быть использована для создания искусственных костных покрытий. Технология устраняет необходимость в отдельном синтезе сырья для искусственного костного покрытия, и покрытие может быть создано с помощью наносекундных лазеров, при этом полученное гидроксиапатитовое покрытие обладает высокой прочностью. Например, при применении к костным фиксаторам на основе диоксида титана она может улучшить свойства костной проводимости, повысить биосовместимость, остеогенную способность и костную проводимость покрытия, а новый метод позволяет формировать в три раза более прочное покрытие, чем традиционные материалы, и может формировать покрытие не только на металле, но и на полимерных материалах.

7. Обработка поверхности титана

Корейский электротехнический научно-исследовательский институт использует фемтосекундную лазерную обработку поверхности титана, которая позволяет не только улучшить присущие титану свойства, но и создать функциональную поверхность. Гидрофильный титановый материал после фемтосекундной лазерной обработки может быть использован для изготовления зубных имплантатов, обладающих высокой адгезией к человеческому организму и способных к стабильному сращению с костью, что значительно сокращает цикл лечения пациентов. Гидрофобная обработка титанового материала позволяет изготавливать медицинские изделия для трансплантации in vivo, что помогает снизить реакцию организма на инородное тело.

Технология лазерной обработки поверхностей — это передовая технология изменения свойств поверхности материалов с помощью лазерного луча, обладающая множеством преимуществ, таких как высокая точность, локальная обработка и малая деформация. На эффект обработки влияют параметры лазера, скорость сканирования, размер пятна, свойства материала, условия обработки и другие факторы. Для оптимизации эффекта обработки можно начать с различных аспектов, таких как точный контроль параметров лазера, улучшение стратегии пятна и сканирования, сочетание вспомогательных технологий и обратной связи в режиме реального времени. Технология подходит для металлов, керамики, полимеров, композитных материалов и других материалов. Эффект обработки можно оценить с разных сторон, таких как морфология поверхности, твердость, износостойкость и коррозионная стойкость. Методы повышения эффективности обработки включают оптимизацию лазерного оборудования, использование многолучевых и современных систем сканирования, планирование траекторий сканирования и реализацию автоматического управления. Существуют успешные примеры применения во многих областях, таких как автомобилестроение, производство пресс-форм, аэрокосмическая промышленность и защита культурных ценностей, которые сыграли важную роль в повышении производительности и качества продукции. В будущем ожидается дальнейшее развитие технологии лазерной обработки поверхностей в таких аспектах, как точность, эффективность, интеллектуальность и другие, а также расширение спектра ее применения.

Связаться с нами