Công nghệ xử lý bề mặt bằng laser độ phân giải sâu

Xử lý bề mặt bằng laser là công nghệ làm thay đổi tính chất bề mặt của vật liệu bằng cách nung nóng, nấu chảy và đóng băng bề mặt vật liệu thông qua chùm tia laser. Nó có thể được xử lý trong khí quyển, chân không và các môi trường khác, đồng thời có ưu điểm là xử lý không tiếp xúc và biến dạng phôi tối thiểu.

Theo mục đích khác nhau của xử lý bề mặt, xử lý bề mặt bằng laser có thể được chia thành xử lý sửa đổi bề mặt và xử lý loại bỏ. Trong số đó, xử lý biến đổi bề mặt bao gồm tráng men bằng laser, nấu chảy lại bằng laser, hợp kim hóa bằng laser, phủ laze, v.v. Điều trị loại bỏ chủ yếu đề cập đến làm sạch bằng laser.

Công nghệ xử lý bề mặt bằng laser được sử dụng rộng rãi trong ô tô, hàng không vũ trụ, điện tử, máy móc và các ngành công nghiệp khác. Ví dụ, trong sản xuất ô tô, xử lý bề mặt bằng laser có thể được sử dụng để cải thiện khả năng chống mài mòn và ăn mòn của các bộ phận động cơ; Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, xử lý bề mặt bằng laser có thể được sử dụng để cải thiện tính chất bề mặt của các bộ phận máy bay, tăng tuổi thọ và độ tin cậy của chúng.

Xử lý bề mặt bằng laser là phương pháp sử dụng chùm tia laze để làm nóng phôi nhanh chóng và cục bộ nhằm đạt được sự gia nhiệt hoặc làm mát khẩn cấp cục bộ, nhằm thay đổi tính chất bề mặt của vật liệu. Theo mục đích khác nhau của xử lý bề mặt, xử lý bề mặt bằng laser có thể được chia thành xử lý sửa đổi bề mặt và xử lý loại bỏ.

Xử lý biến đổi bề mặt bằng laser là cải thiện hiệu suất bề mặt của phôi thông qua việc thay đổi cơ cấu tổ chức của vật liệu hoặc đưa các vật liệu khác vào trong quá trình quét laser, công nghệ có thể xử lý có chọn lọc bề mặt của phôi, điều này có lợi để duy trì đủ độ dẻo dai và độ bền của toàn bộ phôi và bề mặt để đạt được hiệu suất cao và cụ thể, chẳng hạn như chống mài mòn, chống ăn mòn và chống mỏi, chống oxy hóa. Các kỹ thuật sửa đổi bề mặt bằng laser phổ biến bao gồm tráng men bằng laser, nấu chảy lại bằng laser, hợp kim hóa bằng laser và phủ laze.

Điều trị loại bỏ bằng laser chủ yếu đề cập đến làm sạch bằng laser, sử dụng chùm tia laser để được hấp thụ bởi lớp ô nhiễm trên bề mặt cần xử lý và sự hấp thụ năng lượng lớn tạo thành plasma giãn nở nhanh chóng, tạo ra sóng xung kích, dưới tác động của sóng xung kích, các chất ô nhiễm trở thành mảnh vỡ và bị loại bỏ. So với các phương pháp làm sạch truyền thống, làm sạch bằng laser có ưu điểm là không tiếp xúc, hiệu quả cao, giảm ô nhiễm môi trường, v.v.

Hiệu quả xử lý của công nghệ xử lý bề mặt bằng laser chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

1. Thông số laser

• Công suất laser: Kích thước công suất ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng đầu vào, công suất càng cao thì hiệu ứng làm nóng càng mạnh, điều này có thể dẫn đến độ sâu xử lý sâu hơn và những thay đổi mô đáng kể hơn.
• Bước sóng laser: Khả năng hấp thụ và xuyên thấu của các bước sóng laser khác nhau trong vật liệu là khác nhau, ảnh hưởng đến hiệu quả điều trị.
• Độ rộng xung và tần số: Độ rộng xung ngắn cho phép xử lý tốt hơn, trong khi tần số cao tăng hiệu quả xử lý.

2.Tốc độ quét

Tốc độ quét xác định thời gian tác động của tia laser tại mỗi vị trí, tốc độ quá nhanh có thể dẫn đến xử lý không đầy đủ, tốc độ quá chậm có thể gây nóng quá mức và mở rộng vùng ảnh hưởng nhiệt.

3. Kích thước điểm

Kích thước điểm ảnh hưởng đến nồng độ phân phối năng lượng và các điểm nhỏ hơn cho phép xử lý cục bộ chính xác hơn.

4. Đặc tính vật liệu

• Thành phần vật liệu: Hàm lượng và loại nguyên tố khác nhau sẽ ảnh hưởng đến sự hấp thụ và phản ứng của vật liệu với tia laser.
• Trạng thái cấu trúc vi mô ban đầu, chẳng hạn như kích thước hạt và thành phần pha, sẽ ảnh hưởng đến quá trình chuyển pha và sự phát triển cấu trúc vi mô sau khi xử lý.

5.Môi trường điều trị

bao gồm không khí (như chân không, khí trơ, khí oxy hóa, v.v.) và nhiệt độ, sẽ ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa, thấm nitơ và các phản ứng hóa học khác trong quá trình xử lý.

6.Tỷ lệ chồng chéo

Trong xử lý nhiều lần quét, mức độ chồng chéo giữa các rãnh quét liền kề sẽ ảnh hưởng đến tính đồng nhất và tính liên tục của quá trình xử lý.

7. Quy trình phụ trợ

chẳng hạn như thêm khí thổi vào quá trình xử lý, áp dụng từ trường hoặc điện trường và các phương tiện phụ trợ khác cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.

Sau đây là một số cách tối ưu hóa hiệu quả xử lý của công nghệ xử lý bề mặt bằng laser:

1. Kiểm soát chính xác các thông số laser

• Thực hiện các thí nghiệm và mô phỏng mở rộng để xác định các thông số như công suất laser, bước sóng, độ rộng xung, tần số và tốc độ quét tối ưu cho các vật liệu cụ thể và yêu cầu xử lý.
• Việc sử dụng thiết bị laser tiên tiến để điều chỉnh thông số tốt hơn và ổn định hơn.

2. Tối ưu hóa chất lượng và hình dạng điểm

• Việc sử dụng các thành phần quang học chất lượng cao để đảm bảo tính đồng nhất tại chỗ và độ chính xác lấy nét.
• Theo yêu cầu xử lý, chọn hình dạng điểm thích hợp, chẳng hạn như hình tròn, hình chữ nhật hoặc hình dạng cụ thể khác.

3. Cải thiện chính sách quét

• Áp dụng quy hoạch đường quét hợp lý, chẳng hạn như quét xoắn ốc, quét song song, v.v., để đạt được hiệu quả xử lý thống nhất.
• Điều chỉnh tốc độ liên kết để đảm bảo tính liên tục và nhất quán trong khu vực xử lý.

4. Tiền xử lý vật liệu

• Làm sạch vật liệu, loại bỏ lớp oxit và tiền xử lý khác, cải thiện tốc độ hấp thụ tia laser của bề mặt vật liệu và tính đồng nhất của xử lý.

5. Kiểm soát môi trường xử lý

• Tùy thuộc vào mục đích xử lý mà chọn môi trường khí quyển thích hợp, chẳng hạn như chân không, bảo vệ khí trơ hoặc các loại khí phản ứng cụ thể.
• Kiểm soát nhiệt độ trong quá trình xử lý bằng thiết bị làm mát hoặc phương tiện làm nóng trước.

6. Tích hợp các quy trình phụ trợ

• Việc sử dụng các loại khí thổi như nitơ, argon, v.v. giúp loại bỏ xỉ và kiểm soát các phản ứng hóa học.
• Áp dụng từ trường hoặc điện trường để tác động lên quá trình tương tác giữa tia laser và vật liệu.

7. Giám sát và phản hồi theo thời gian thực

• Sử dụng công nghệ giám sát trực tuyến, chẳng hạn như đo nhiệt độ hồng ngoại, hình ảnh quang học, v.v., theo dõi thời gian thực về nhiệt độ, hình thái và các thông số khác trong quá trình xử lý.
• Theo kết quả giám sát, điều chỉnh kịp thời các thông số và quy trình laser để đạt được điều khiển vòng kín.

8. Kết hợp nhiều quá trình

• Kết hợp xử lý bề mặt bằng laser với các công nghệ xử lý bề mặt khác, chẳng hạn như mạ điện, xử lý nhiệt hóa học, v.v., để phát huy các ưu điểm tương ứng và đạt được hiệu suất tốt hơn.

9. Phát triển và lựa chọn vật liệu

• Phát triển và lựa chọn các vật liệu mới có khả năng thích ứng xử lý laser tốt hoặc tối ưu hóa thành phần và cơ cấu tổ chức của các vật liệu hiện có.

10. Quá trình mô phỏng và mô phỏng

• Sử dụng phần mềm mô phỏng và mô phỏng trên máy tính để dự đoán và tối ưu hóa quá trình xử lý bề mặt bằng laser, giảm số lượng thí nghiệm và giảm chi phí.

Đánh giá hiệu quả xử lý của công nghệ xử lý bề mặt bằng laser có thể được thực hiện từ các khía cạnh sau::

1. Hình thái bề mặt và độ nhám

• Sử dụng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái vi mô của bề mặt để kiểm tra xem nó có phẳng hay không, có vết nứt, lỗ chân lông và các khuyết tật khác hay không.
• Đo độ nhám bề mặt bằng máy đo độ nhám để đánh giá độ mịn của bề mặt được xử lý.

2. Độ cứng và sức mạnh

• Sử dụng các phương pháp kiểm tra độ cứng, chẳng hạn như độ cứng Rockwell, độ cứng Vickers, v.v., để đo giá trị độ cứng của bề mặt được xử lý để xác định mức độ cải thiện độ cứng.
• Thực hiện các thử nghiệm kéo, nén và các tính chất cơ học khác để đánh giá sự thay đổi độ bền của vật liệu.

3. Chống mài mòn

• Thử nghiệm mài mòn được thực hiện bằng máy thử ma sát và mài mòn để so sánh khả năng chống mài mòn của vật liệu trước và sau khi xử lý.

4. Chống ăn mòn

• Đánh giá khả năng chống ăn mòn của vật liệu sau khi xử lý bề mặt bằng phương pháp thử phun muối, thử ăn mòn điện hóa, v.v.

5. Ứng suất dư

• Đo sự phân bố ứng suất dư trên bề mặt và bên trong bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X, v.v., để hiểu tác động của việc xử lý lên trạng thái ứng suất của vật liệu.

6. Độ bền liên kết của lớp phủ

• Đối với các quy trình như phủ laze, độ bền liên kết của lớp phủ với chất nền được kiểm tra, ví dụ: thử nghiệm vết xước.

7. Phân tích cấu trúc vi mô

• Sử dụng kính hiển vi kim loại, nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử (EBSD) và các phương tiện khác để phân tích cấu trúc vi mô sau khi xử lý, chẳng hạn như kích thước hạt, thành phần pha và các thay đổi khác.

8. Thành phần hóa học

• Sử dụng phân tích tán sắc năng lượng (EDS), quang phổ quang điện tử tia X (XPS) và các phương pháp khác để xác định thành phần và sự phân bố của các nguyên tố bề mặt.

Việc đánh giá các khía cạnh trên có thể đánh giá toàn diện và chính xác hiệu quả xử lý của công nghệ xử lý bề mặt bằng laser và tạo cơ sở để tối ưu hóa hơn nữa quy trình.

Các vật liệu sau phù hợp với công nghệ xử lý bề mặt bằng laser:

1. Vật liệu kim loại:

Thép: bao gồm thép cacbon, thép hợp kim, v.v., thường được sử dụng để cải thiện độ cứng, chống mài mòn và chống ăn mòn.

• Hợp kim nhôm và nhôm: có thể cải thiện độ cứng bề mặt, chống mài mòn và chống ăn mòn.
• Hợp kim titan và titan: tăng cường độ bền bề mặt và khả năng chống ăn mòn, thích hợp cho hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác.
• Đồng và hợp kim đồng: như cải thiện tính dẫn điện, chống mài mòn, v.v.

2. Vật liệu gốm sứ: chẳng hạn như alumina, zirconia, v.v., cải thiện độ dẻo dai và chất lượng bề mặt của chúng thông qua xử lý bằng laser.

3. Vật liệu polyme: chẳng hạn như polycarbonate, polyetylen, v.v., có thể tăng cường độ cứng bề mặt, khả năng chống mài mòn và tính chất liên kết của nó.

4. Vật liệu tổng hợp: chẳng hạn như vật liệu composite gia cố bằng sợi carbon (CFRP), có thể cải thiện đặc tính liên kết bề mặt và khả năng chống mài mòn.

5. cacbua xi măng: thường được sử dụng trong sản xuất công cụ và khuôn mẫu, xử lý bằng laser có thể kéo dài tuổi thọ của nó.

6. Thép chết: chẳng hạn như Cr12MoV, v.v., sau khi xử lý bề mặt bằng laser để cải thiện chất lượng bề mặt và tuổi thọ của khuôn.

Sau đây là một số cách nâng cao hiệu quả xử lý của công nghệ xử lý bề mặt bằng laser:

1. Tối ưu hóa thiết bị laser

• Chọn nguồn laser có công suất cao và tần số lặp lại cao để tăng năng lượng phát ra trên một đơn vị thời gian.
• Nâng cấp hệ thống quang học để nâng cao chất lượng và hiệu suất truyền của chùm tia laser.

2. Công nghệ đa tia

• Xử lý đồng thời với nhiều chùm tia laser có thể làm tăng đáng kể diện tích và tốc độ xử lý.

3. Cải thiện hệ thống quét

• Sử dụng điện kế quét tốc độ cao hoặc các thiết bị quét tiên tiến hơn để cải thiện tốc độ và độ chính xác của quá trình quét.

4. Lập kế hoạch đường dẫn quét đúng cách

• Thiết kế đường quét tối ưu để giảm các khu vực di chuyển và chồng chéo không hợp lệ, đồng thời nâng cao hiệu quả xử lý.

5. Tự động hóa và điều khiển thông minh

• Kết hợp robot để tự động hóa việc kẹp, định vị và xử lý, giảm thời gian can thiệp thủ công.
• Sử dụng hệ thống điều khiển thông minh để điều chỉnh các thông số laser theo thời gian thực theo đặc tính vật liệu và yêu cầu xử lý.

6. Xử lý song song

• Đối với phôi được sản xuất hàng loạt, nhiều phôi có thể được xử lý đồng thời.

7. Xử lý nhiệt trước

• Phôi được gia nhiệt trước đúng cách để giảm mức tiêu thụ năng lượng và thời gian trong quá trình xử lý bằng laser.

8. Tối ưu hóa các thông số quy trình

• Thông qua các thử nghiệm và mô phỏng mở rộng, xác định sự kết hợp tốt nhất giữa công suất laser, tốc độ quét, tần số xung và các thông số quy trình khác để đạt được hiệu quả xử lý cao nhất.

9. Tiền xử lý vật liệu

• Xử lý trước vật liệu như làm sạch bề mặt và loại bỏ lớp oxy hóa trước để cải thiện hiệu quả hấp thụ và hiệu quả xử lý của laser.

10. Tối ưu hóa hệ thống làm mát

• Đảm bảo hệ thống làm mát hiệu quả giúp phôi không bị quá nóng, từ đó tăng tốc độ xử lý.

11. Phát triển các quy trình điều trị mới

• Nghiên cứu và ứng dụng các quy trình xử lý bề mặt bằng laser hiệu quả hơn như xử lý laser cực nhanh.

1. ngành công nghiệp ô tô 

Công nghệ làm cứng bằng laser đã được áp dụng thành công để tăng cường bề mặt của các bộ phận dễ bị tổn thương trong ngành công nghiệp ô tô, như bánh răng, bề mặt trục, thanh dẫn hướng, hàm, khuôn, v.v. Bằng cách làm nguội bằng laser, độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn của các bộ phận này được cải thiện, tuổi thọ được kéo dài đáng kể và độ biến dạng của phôi trước và sau khi làm nguội gần như không đáng kể, đặc biệt phù hợp với các bộ phận có yêu cầu độ chính xác cao.

2. Công nghiệp khuôn mẫu

Trong sản xuất khuôn, việc sử dụng công nghệ xử lý bề mặt bằng laser có thể cải thiện hiệu suất bề mặt của khuôn. Ví dụ, công nghệ phủ laze có thể được sử dụng để sửa chữa các khuôn bị mòn, cải thiện độ cứng và độ bền bề mặt của chúng; Làm nguội bằng laser có thể tăng cường độ cứng và khả năng chống mỏi của bề mặt khuôn, đồng thời giảm sự mài mòn và biến dạng của khuôn trong quá trình sử dụng.

3. lĩnh vực hàng không vũ trụ

Công nghệ tăng cường sốc bằng laser thường được sử dụng để cải thiện khả năng chống mỏi, chống mài mòn và chống ăn mòn của các bộ phận hàng không vũ trụ. Công nghệ này sử dụng sóng xung kích plasma được tạo ra bởi chùm tia laser mạnh để tạo ra ứng suất nén sâu trên bề mặt các bộ phận, từ đó kéo dài tuổi thọ sử dụng của chúng. Đồng thời, công nghệ ủ laser có thể được sử dụng để điều chỉnh cấu trúc ma trận của vật liệu, giảm độ cứng, tinh chỉnh hạt, loại bỏ ứng suất bên trong, v.v., trong xử lý chất bán dẫn có thể cải thiện khả năng tích hợp của các mạch tích hợp.

4. Bảo vệ di tích văn hóa

Công nghệ làm sạch bằng laser có tác dụng ứng dụng tốt trong việc làm sạch các di tích văn hóa. Nó có thể loại bỏ bụi bẩn, rỉ sét, lớp phủ, v.v. trên bề mặt của các di tích văn hóa mà không gây hư hại cho các di tích văn hóa. Ví dụ, một số di vật cổ bằng kim loại, chạm khắc trên đá, tranh tường, v.v., có thể được khôi phục lại hình dáng ban đầu bằng cách làm sạch bằng laser.

5. Sản xuất động cơ dây dẹt

Công nghệ loại bỏ lớp oxit dây đồng phẳng bằng laser bằng cách kiểm soát chính xác năng lượng của chùm tia laser, có thể loại bỏ lớp oxit bề mặt dây đồng phẳng một cách nhanh chóng và hiệu quả và hầu như không làm hỏng dây đồng. Công nghệ này không chỉ phục hồi và cải thiện độ dẫn điện của động cơ mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm ô nhiễm môi trường và lãng phí vật liệu. Trong lĩnh vực phương tiện năng lượng mới và tự động hóa công nghiệp, động cơ dây phẳng được xử lý bằng công nghệ này có độ dẫn điện và ổn định nhiệt tốt hơn, đồng thời độ tin cậy và tuổi thọ của nó cũng được cải thiện.

6. Cấy ghép xương

Công nghệ xử lý bề mặt bằng laser nano giây do Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc phát triển có thể được sử dụng để tạo ra sự hình thành lớp phủ xương nhân tạo. Công nghệ này loại bỏ nhu cầu tổng hợp riêng biệt các nguyên liệu thô cho lớp phủ xương nhân tạo và lớp phủ có thể được tạo ra bằng cách sử dụng tia laser nano giây và lớp phủ hydroxyapatite thu được có độ bền lớp phủ cao. Ví dụ, khi áp dụng cho các thiết bị cố định xương làm từ Titania, nó có thể tăng cường đặc tính dẫn truyền xương, cải thiện khả năng tương thích sinh học, khả năng tạo xương và độ dẫn xương của lớp phủ và phương pháp mới có thể hình thành liên kết lớp phủ gấp ba lần so với vật liệu phủ truyền thống, và có thể tạo thành lớp phủ trên bề mặt không chỉ kim loại mà còn cả vật liệu polymer.

7. Xử lý bề mặt titan

Viện nghiên cứu điện Hàn Quốc sử dụng phương pháp xử lý bề mặt titan bằng tia laser femto giây, điều này không chỉ có thể cải thiện các đặc tính vốn có của titan mà còn tạo ra bề mặt chức năng. Vật liệu titan ưa nước sau khi điều trị bằng laser femto giây có thể được chế tạo thành cấy ghép nha khoa, có ái lực cao với cơ thể con người và có thể đạt được sự kết hợp ổn định với xương người, do đó rút ngắn đáng kể chu kỳ điều trị của bệnh nhân. Vật liệu titan sau khi xử lý kỵ nước có thể được chế tạo thành các thiết bị y tế để cấy ghép in vivo, giúp giảm phản ứng của vật thể lạ ở bệnh nhân.

Công nghệ xử lý bề mặt bằng laser là công nghệ tiên tiến làm thay đổi tính chất bề mặt của vật liệu bằng chùm tia laser, có nhiều ưu điểm như độ chính xác cao, xử lý cục bộ và biến dạng nhỏ. Hiệu quả xử lý bị ảnh hưởng bởi các thông số laser, tốc độ quét, kích thước điểm, tính chất vật liệu, môi trường xử lý và các yếu tố khác. Để tối ưu hóa hiệu quả điều trị, có thể bắt đầu từ nhiều khía cạnh, chẳng hạn như kiểm soát chính xác các thông số laser, cải thiện chiến lược quét và điểm, kết hợp công nghệ phụ trợ và phản hồi theo dõi thời gian thực. Công nghệ này phù hợp với kim loại, gốm sứ, polyme, vật liệu composite và các vật liệu khác. Hiệu quả xử lý có thể được đánh giá từ nhiều góc độ như hình thái bề mặt, độ cứng, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn. Các phương pháp nâng cao hiệu quả xử lý bao gồm tối ưu hóa thiết bị laser, sử dụng hệ thống quét đa tia và tiên tiến, lập kế hoạch đường quét và thực hiện điều khiển tự động. Có những trường hợp ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực như ô tô, khuôn mẫu, hàng không vũ trụ và bảo vệ di tích văn hóa, những lĩnh vực này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Trong tương lai, công nghệ xử lý bề mặt bằng laser dự kiến ​​sẽ tiếp tục phát triển về độ chính xác, hiệu quả, trí thông minh và các khía cạnh khác, đồng thời mở rộng phạm vi ứng dụng rộng hơn.

Liên hệ với chúng tôi