Технология лазерной обработки поверхности глубокого разрешения

Лазерная обработка поверхности — это технология, которая изменяет свойства поверхности материалов путем нагрева, плавления и замораживания поверхности материалов лазерным лучом. Его можно обрабатывать в атмосфере, вакууме и других средах, он обладает преимуществами бесконтактной обработки и минимальной деформации заготовки.

В зависимости от различных целей обработки поверхности лазерную обработку поверхности можно разделить на обработку модификации поверхности и обработку удаления. Среди них обработка модификации поверхности включает лазерное глазурование, лазерное переплавление, лазерное легирование, лазерное нанесение покрытия и т. д. Удаление в основном относится к лазерной чистке.

Технология лазерной обработки поверхности широко используется в автомобильной, аэрокосмической, электронной, машиностроительной и других отраслях промышленности. Например, в автомобилестроении лазерная обработка поверхности может использоваться для повышения износостойкости и коррозионной стойкости компонентов двигателя; В аэрокосмической отрасли лазерная обработка поверхности может использоваться для улучшения свойств поверхности компонентов летательных аппаратов, увеличения их усталостной долговечности и надежности.

Лазерная обработка поверхности Это метод, в котором лазерный луч используется для быстрого и локального нагрева заготовки для достижения локального срочного нагрева или охлаждения с целью изменения свойств поверхности материала. В зависимости от различных целей обработки поверхности лазерную обработку поверхности можно разделить на обработку модификации поверхности и обработку удаления.

Обработка лазерной модификации поверхности заключается в улучшении характеристик поверхности заготовки за счет изменения организационной структуры самого материала или введения других материалов в процессе лазерного сканирования. Технология может выборочно обрабатывать поверхность заготовки, что способствует для поддержания достаточной ударной вязкости и прочности заготовки в целом и поверхности для получения высоких и специфических показателей, таких как износостойкость, коррозионная стойкость и усталостная стойкость, стойкость к окислению. Обычные методы лазерной модификации поверхности включают лазерное глазирование, лазерное переплавление, лазерное легирование и лазерное нанесение покрытий.

Лечение лазерным удалением в основном относится к лазерной очистке, при которой лазерный луч поглощается загрязненным слоем на обрабатываемой поверхности, а поглощение большой энергии образует быстро расширяющуюся плазму, генерирующую ударную волну под действием ударной волной, загрязняющие вещества превращаются в фрагменты и удаляются. По сравнению с традиционными методами очистки лазерная очистка имеет такие преимущества, как бесконтактность, высокая эффективность, снижение загрязнения окружающей среды и т. д.

На эффект обработки лазерной технологии обработки поверхности в основном влияют следующие факторы::

1.Параметры лазера

• Мощность лазера: Величина мощности напрямую влияет на подводимую энергию: чем выше мощность, тем интенсивнее нагревательный эффект, что может привести к более глубокой глубине обработки и более значительным изменениям тканей.
• Длина волны лазера: способность поглощения и проникновения лазера разных длин волн в материал различна, что влияет на эффект лечения.
• Ширина и частота импульса. Короткая ширина импульса обеспечивает более точную обработку, а высокие частоты повышают эффективность обработки.

2. Скорость сканирования

Скорость сканирования определяет время действия лазера в каждой позиции, слишком высокая скорость может привести к неадекватной обработке, слишком низкая скорость может вызвать чрезмерный нагрев и расширение зоны термического воздействия.

3. Размер пятна

Размер пятна влияет на концентрацию распределения энергии, а меньшие пятна обеспечивают более точную локальную обработку.

4. Характеристики материала

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

5. Обработка окружающей среды

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

6. Скорость перекрытия

При многократной обработке сканирования степень перекрытия соседних дорожек сканирования будет влиять на однородность и непрерывность обработки.

7. Вспомогательный процесс

такие как добавление ударного газа в процесс лечения, применение магнитного или электрического поля и другие вспомогательные средства также повлияют на эффект лечения.

Ниже приведены некоторые способы оптимизации эффекта лазерной обработки поверхности.:

1. Точный контроль параметров лазера

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

2. Оптимизация качества и формы пятен

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

3. Улучшите политику сканирования

• Примите разумное планирование пути сканирования, например спиральное сканирование, параллельное сканирование и т. д., для достижения равномерного эффекта обработки.
• Отрегулируйте скорость склеивания, чтобы обеспечить непрерывность и последовательность в зоне обработки.

4. Предварительная обработка материала

• Очистите материал, удалите оксидный слой и другую предварительную обработку, улучшите скорость лазерного поглощения поверхности материала и однородность обработки.

5. Контролируйте среду обработки

• В зависимости от цели обработки выбирается соответствующая атмосфера, например, вакуум, защита инертным газом или специальные химически активные газы.
• Контролируйте температуру во время процесса обработки либо с помощью охлаждающего устройства, либо с помощью средств предварительного нагрева.

6. Включите вспомогательные процессы

• Введение продувочных газов, таких как азот, аргон и т.д. помогает удалять шлаки и контролировать химические реакции.
• Применяйте магнитные или электрические поля, чтобы повлиять на процесс взаимодействия лазера и материала.

7. Мониторинг и обратная связь в режиме реального времени

• Использование технологий онлайн-мониторинга, таких как измерение инфракрасной температуры, оптическая визуализация и т. д., мониторинг температуры, морфологии и других параметров в процессе обработки в режиме реального времени.
• По результатам мониторинга своевременно корректируйте параметры лазера и процессы для достижения замкнутого управления.

8. Многопроцессная комбинация

• Сочетайте лазерную обработку поверхности с другими технологиями обработки поверхности, такими как гальваника, химико-термическая обработка и т. д., чтобы получить соответствующие преимущества и повысить производительность.

9. Разработка и выбор материала

• Разрабатывайте и выбирайте новые материалы с хорошей адаптируемостью к лазерной обработке или оптимизируйте состав и организационную структуру существующих материалов.

10. Моделирование процессов и симуляция

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

Оценку эффекта обработки лазерной технологией обработки поверхности можно провести по следующим аспектам::

1. Морфология и шероховатость поверхности

• Используйте оптический микроскоп и сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), чтобы наблюдать микроскопическую морфологию поверхности, чтобы проверить, является ли она плоской, нет ли трещин, пор и других дефектов.
• Измерьте шероховатость поверхности измерителем шероховатости, чтобы оценить гладкость обработанной поверхности.

2. Твердость и прочность

• Использование методов определения твердости, таких как твердость по Роквеллу, твердость по Виккерсу и т. д., для измерения значения твердости обработанной поверхности и определения степени улучшения твердости.
• Выполните испытания на растяжение, сжатие и другие механические свойства, чтобы оценить изменение прочности материала.

3. Износостойкость

• Испытание на износ проводилось с использованием машины для испытания на трение и износ для сравнения износостойкости материала до и после обработки.

4. Устойчивость к коррозии

• Оценить коррозионную стойкость материалов после обработки поверхности с помощью испытания в солевом тумане, испытания на электрохимическую коррозию и т. д.

5. Остаточный стресс

• Измерьте распределение остаточных напряжений на поверхности и внутри, используя методы дифракции рентгеновских лучей и т. д., чтобы понять влияние обработки на напряженное состояние материала.

6. Прочность сцепления покрытия

• Для таких процессов, как нанесение лазерного покрытия, проверяется прочность сцепления покрытия с подложкой, например. скретч-тестирование.

7. Анализ микроструктуры

• Использование металлографической микроскопии, дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) и других средств для анализа микроструктуры после обработки, такой как размер зерна, фазовый состав и другие изменения.

8. Химический состав

• Используйте энергодисперсионный анализ (ЭДС), рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (РФЭС) и другие методы для определения состава и распределения поверхностных элементов.

Оценка вышеуказанных аспектов позволяет всесторонне и точно оценить эффект обработки от технологии лазерной обработки поверхности и обеспечить основу для дальнейшей оптимизации процесса.

Следующие материалы подходят для технологии лазерной обработки поверхности.:

1. Металлические материалы:

Сталь: в том числе углеродистая сталь, легированная сталь и т. д., часто используется для повышения ее твердости, износостойкости и коррозионной стойкости.

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

2. Керамические материалы: такие как оксид алюминия, цирконий и т. д., 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 клеящие свойства.

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

5. Цементированный карбид: Лазерная обработка, часто используемая при производстве инструментов и пресс-форм, может продлить срок их службы.

6. Штамповочная сталь: такие как Cr12MoV и т. д., после лазерной обработки поверхности, чтобы улучшить качество поверхности и срок службы штампа.

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

1. Оптимизация лазерного оборудования

• Выберите лазерный источник с высокой мощностью и высокой частотой повторения, чтобы увеличить выход энергии в единицу времени.
• Модернизируйте оптическую систему, чтобы улучшить качество и эффективность передачи лазерного луча.

2. Многолучевая технология

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

3. Улучшить систему сканирования

• Используйте высокоскоростной сканирующий гальванометр или более совершенные сканирующие устройства для повышения скорости и точности сканирования.

4. Правильно спланируйте путь сканирования

• Спроектируйте оптимальный путь сканирования, чтобы уменьшить количество недопустимых перемещений и перекрывающихся областей, а также повысить эффективность обработки.

5. Автоматизация и интеллектуальное управление

• Объедините робототехнику для автоматизации зажима, позиционирования и обработки, сокращая время ручного вмешательства.
• Используйте интеллектуальную систему управления для настройки параметров лазера в режиме реального времени в соответствии с характеристиками материала и требованиями к обращению.

6. Параллельная обработка

• Для заготовок массового производства можно обрабатывать несколько заготовок одновременно.

7. Предварительная термическая обработка

• Заготовка предварительно нагревается должным образом, чтобы снизить энергопотребление и время лазерной обработки.

8. Оптимизация параметров процесса

• С помощью обширных экспериментов и моделирования определите наилучшее 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 предварительное удаление оксидного слоя, чтобы улучшить эффективность поглощения и эффект обработки лазера.

10. Оптимизация системы охлаждения

• Обеспечивает эффективную систему охлаждения, которая предотвращает перегрев заготовки, тем самым увеличивая скорость обработки.

11. Разработать новые процессы лечения

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

1. Автоматизированная индустрия 

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

2. Пресс-формы

При производстве пресс-форм использование технологии лазерной обработки поверхности может улучшить характеристики поверхности пресс-формы. Например, технологию лазерной наплавки можно использовать для ремонта изношенных форм, повышая твердость и долговечность их поверхности; Лазерная закалка может повысить твердость и усталостную прочность поверхности формы, а также уменьшить износ и деформацию формы во время использования.

3. Аэрокосмическая область

Технология лазерного ударного упрочнения часто используется для повышения усталостной прочности, износостойкости и коррозионной стойкости деталей аэрокосмической промышленности. В технологии используются плазменные ударные волны, генерируемые сильными лазерными лучами, для создания глубоких сжимающих напряжений на поверхности компонентов, тем самым продлевая срок их службы. В то же время технология лазерного отжига может использоваться для корректировки матричной структуры материала, уменьшения твердости, измельчения зерна, устранения внутренних напряжений и т. д. при обработке полупроводников может улучшить интеграцию интегральных схем.

4. Защита культурных реликвий

Технология лазерной очистки имеет хороший эффект при очистке культурных реликвий. Он может удалять грязь, ржавчину, покрытие и т. д. с поверхности культурных реликвий, не нанося при этом ущерба культурным реликвиям. Например, некоторым древним металлическим реликвиям, резьбе по камню, фрескам и т. д. можно вернуть первоначальный вид с помощью лазерной очистки.

5. Производство двигателей с плоской проволокой

Технология лазерного удаления оксидного слоя плоской медной проволоки за счет точного контроля энергии лазерного луча позволяет быстро и эффективно удалить оксидный слой с поверхности плоской медной проволоки, практически не повреждая саму медную проволоку. Эта технология не только восстанавливает и улучшает электропроводность двигателя, но также повышает эффективность производства и снижает загрязнение окружающей среды и количество отходов материалов. В области транспортных средств на новых источниках энергии и промышленной автоматизации двигатель с плоской проволокой, обработанный по этой технологии, имеет лучшую электропроводность и термическую стабильность, а его надежность и срок службы также улучшаются.

6. Костные имплантаты

Технология обработки поверхности наносекундным лазером, разработанная Корейским передовым институтом науки и технологий, может использоваться для формирования искусственных костных покрытий. Технология исключает необходимость отдельно синтезировать сырье для покрытия искусственной кости, покрытие можно создавать с помощью наносекундных лазеров, а полученное гидроксиапатитное покрытие имеет высокую прочность покрытия. Например, при применении к устройствам для фиксации костей на основе диоксида титана он может улучшить свойства костной проводимости, улучшить биосовместимость, остеогенную способность и костную проводимость покрытия, а новый метод может образовывать связь покрытия в три раза больше, чем у традиционных материалов покрытия. и может образовывать покрытие на поверхности не только металлических, но и полимерных материалов.

7. Обработка поверхности титаном

Корейский институт электрических исследований использует фемтосекундную лазерную обработку поверхности титана, которая может не только улучшить свойства титана, но и создать функциональную поверхность. Из гидрофильного титанового материала после фемтосекундной лазерной обработки можно изготовить зубные имплантаты, которые имеют высокое сродство к человеческому телу и могут обеспечить стабильное слияние с человеческой костью, что значительно сокращает цикл лечения пациентов. Титановый материал после гидрофобной обработки может быть использован в медицинских изделиях для трансплантации in vivo, что помогает снизить реакцию на инородное тело у пациента.

Технология лазерной обработки поверхности — это передовая технология изменения свойств поверхности материалов с помощью лазерного луча, которая имеет множество преимуществ, таких как высокая точность, локальная обработка и небольшая деформация. На эффект обработки влияют параметры лазера, скорость сканирования, размер пятна, свойства материала, среда обработки и другие факторы. Чтобы оптимизировать эффект лечения, его можно начинать с многих аспектов, таких как точный контроль параметров лазера, улучшение стратегии пятна и сканирования, сочетание вспомогательных технологий и обратной связи по мониторингу в реальном времени. Технология подходит для металла, керамики, полимеров, композиционных материалов и других материалов. Эффект обработки можно оценить с разных точек зрения, таких как морфология поверхности, твердость, износостойкость и коррозионная стойкость. Методы повышения эффективности обработки включают оптимизацию лазерного оборудования, использование многолучевых и передовых систем сканирования, планирование траекторий сканирования и реализацию автоматического управления. Существуют успешные примеры применения во многих областях, таких как автомобили, пресс-формы, аэрокосмическая промышленность и защита культурных реликвий, которые сыграли важную роль в улучшении характеристик и качества продукции. Ожидается, что в будущем технология лазерной обработки поверхности продолжит развиваться в плане точности, эффективности, интеллекта и других аспектов, а также расширит спектр областей применения.

Свяжитесь с нами