Od dawna technologia laserowa jest znana ze swojego szerokiego zastosowania w spawaniu, cięciu i znakowaniu. W ciągu ostatnich dwóch lat, wraz ze stopniową popularyzacją czyszczenia laserowego, koncepcja obróbki powierzchni laserowej stała się coraz bardziej przedmiotem zainteresowania ludzi i pojawiła się w ich umysłach. Obróbka laserowa jest bezkontaktowa, wysoce elastyczna, szybka i cicha, z małą strefą wpływu ciepła i bez uszkodzeń podłoża, bez materiałów eksploatacyjnych, przyjazna dla środowiska i niskoemisyjna.
Oprócz czyszczenia laserowego, obróbka powierzchni laserem ma wiele zastosowań, takich jak polerowanie laserowe, napawanie laserowe, hartowanie laserowe itp. Metody te służą do zmiany określonych właściwości fizycznych i chemicznych powierzchni materiału, np. nadania powierzchni właściwości hydrofobowych lub wykorzystania impulsów laserowych do generowania małych wgłębień o średnicy około 10 mikronów i głębokości zaledwie kilku mikronów w celu zwiększenia chropowatości i polepszenia przyczepności powierzchni.
Czy znasz, oprócz czyszczenia laserowego, następujące metody obróbki powierzchni laserem?
01. Hartowanie laserowe
Hartowanie laserowe jest jednym z rozwiązań do obróbki złożonych części o wysokim naprężeniu. Może sprawić, że części o dużym zużyciu, takie jak wałki rozrządu i narzędzia do gięcia, wytrzymają większe naprężenie i wydłużą żywotność.
Zasada polega na przegrupowaniu atomów węgla w sieci metalowej (austenizacja) poprzez podgrzanie powierzchni przedmiotu obrabianego zawierającego węgiel do temperatury nieznacznie poniżej temperatury topnienia (900-1400 stopnia 40% mocy promieniowania jest absorbowane), a następnie wiązka lasera stabilnie podgrzewa powierzchnię wzdłuż kierunku podawania. Gdy wiązka lasera się porusza, otaczający materiał szybko się chłodzi, a sieć metalowa nie może powrócić do pierwotnej formy, co powoduje powstanie martenzytu, który znacznie zwiększa twardość.
Głębokość hartowania zewnętrznej warstwy stali węglowej uzyskana przez hartowanie laserowe wynosi zwykle 0.1-1.5mm, a w przypadku niektórych materiałów może wynosić 2,5 mm lub więcej. W porównaniu z tradycyjnymi metodami hartowania, jego zalety to:
1. Docelowe ciepło wejściowe jest ograniczone do tego samego obszaru, więc prawie nie dochodzi do odkształcania się komponentów podczas przetwarzania. Koszty przeróbek są zmniejszone lub nawet całkowicie wyeliminowane:
2. Może również utwardzać złożone powierzchnie geometryczne i precyzyjne części, a także umożliwia precyzyjne utwardzanie lokalnie ograniczonych powierzchni funkcjonalnych, których nie można hartować tradycyjnymi metodami hartowania:
3. Brak zniekształceń. Tradycyjne procesy hartowania powodują odkształcenia z powodu większego wkładu energii i hartowania, ale w procesach hartowania laserowego dopływ ciepła można precyzyjnie kontrolować dzięki technologii laserowej i kontroli temperatury. Komponent pozostaje niemal w swoim pierwotnym stanie:
4. Geometria twardości komponentu może być zmieniona „natychmiast”. Oznacza to, że nie ma potrzeby konwertowania optyki/całego systemu.
02. Teksturowanie laserowe
Teksturowanie laserowe jest jednym ze sposobów modyfikacji powierzchni materiałów metalowych. Podczas procesu strukturyzacji laser tworzy regularnie ułożone geometrie w warstwie lub podłożu, aby zmienić właściwości techniczne w sposób ukierunkowany i opracować nowe funkcje. Proces polega w przybliżeniu na wykorzystaniu promieniowania laserowego (zwykle laserów krótkoimpulsowych) do generowania regularnie ułożonych geometrii na powierzchni w sposób powtarzalny. Wiązka laserowa topi materiał w sposób kontrolowany i krzepnie w zdefiniowaną strukturę poprzez odpowiednie zarządzanie procesem.
Na przykład hydrofobowa struktura powierzchni pozwala wodzie spływać z powierzchni. Tę cechę można uzyskać, tworząc submikronowe struktury na powierzchni za pomocą laserów ultrakrótkich impulsów, a tworzona struktura może być precyzyjnie kontrolowana poprzez zmianę parametrów lasera. Można również uzyskać efekt przeciwny, taki jak powierzchnia hydrofilowa:
W przypadku malowania paneli samochodowych „mikrowżery” muszą być równomiernie rozłożone na powierzchni cienkiej płyty, aby zwiększyć przyczepność farby. Impulsowa wiązka laserowa o częstotliwości od tysięcy do dziesiątek tysięcy razy na sekundę jest skupiana i pada na powierzchnię wałka. Na powierzchni wałka w punkcie skupienia tworzy się maleńkie jeziorko stopu. Jednocześnie maleńkie jeziorko stopu jest rozdmuchiwane na boki, aby umożliwić stopowi w jeziorku stopu gromadzenie się jak największej ilości na krawędzi jeziorka stopu zgodnie z określonymi wymaganiami, aby utworzyć łukowaty występ. Te małe wżery i mikrowżery mogą nie tylko zwiększyć chropowatość powierzchni materiału i zwiększyć przyczepność farby, ale także zwiększyć twardość powierzchni materiału i wydłużyć żywotność.
Niektóre cechy są generowane przez strukturyzację laserową, takie jak charakterystyki tarcia lub przewodnictwo elektryczne i cieplne niektórych materiałów metalowych. Ponadto strukturyzacja laserowa zwiększa również wytrzymałość wiązania i żywotność przedmiotu obrabianego.
Shuishang Boguang
W porównaniu z tradycyjnymi metodami, strukturyzacja powierzchni laserowa jest bardziej przyjazna dla środowiska i nie wymaga stosowania dodatkowych środków piaskujących ani chemikaliów: Powtarzalność i precyzja – laser osiąga kontrolowaną strukturę z dokładnością do mikronów i jest bardzo łatwy do powielenia: Niskie wymagania konserwacyjne – w porównaniu do narzędzi mechanicznych, które szybko się zużywają – laser działa bezkontaktowo, a zatem jest całkowicie odporny na zużycie: Nie jest wymagana żadna obróbka końcowa, a na częściach poddanych obróbce laserowej nie pozostają żadne pozostałości stopu ani inne pozostałości po obróbce.
03. Kolorowa obróbka powierzchni laserem
Hartowanie laserowe jest często stosowane w laserowej obróbce powierzchni kolorowych, znanej również jako laserowe znakowanie kolorem. Zasada procesu polega na tym, że gdy laser podgrzewa materiał, metal jest podgrzewany do temperatury nieznacznie poniżej temperatury topnienia. Przy odpowiednich parametrach procesu struktura bramki ulegnie zmianie: na powierzchni przedmiotu obrabianego utworzy się warstwa tlenku. Gdy ta warstwa zostanie wystawiona na działanie światła, padające światło zakłóca, powodując pojawienie się w tym czasie różnych kolorów hartowania. Kolorowa warstwa znakowania utworzona na powierzchni zmienia się przy różnych kątach patrzenia. Wzór znaku również zmieni się na różne kolory. Kolory te pozostają stabilne w temperaturach do około 200 "C. W wyższych temperaturach brama powróci do stanu początkowego — znakowanie zniknie. Jakość powierzchni zostanie całkowicie zachowana. Posiada wysoki stopień bezpieczeństwa i identyfikowalności w zastosowaniach antyfałszerskich. W ostatnich latach jest dojrzale stosowany w dziedzinie technologii medycznej. Oprócz nowego czarnego znakowania za pomocą laserów o ultrakrótkich impulsach, jest również bardzo odpowiedni do identyfikacji produktu, dzięki czemu uzyskuje się unikalną identyfikowalność zgodnie z dyrektywą UDI.
04. Nakładanie laserowe
Jest to proces wytwarzania addytywnego odpowiedni dla materiałów metalowych i metalowo-ceramicznych hybrydowych. Może być stosowany do tworzenia lub modyfikowania geometrii 3D. Laser może być również stosowany do ich naprawy lub powlekania przy użyciu tej metody produkcji. W sektorze lotniczym wytwarzanie addytywne jest zatem stosowane do naprawy łopatek turbin.
W produkcji narzędzi i matryc, złamane lub zużyte krawędzie i ukształtowane powierzchnie funkcjonalne można naprawić, a nawet opancerzyć. W technologii energetycznej lub petrochemii, łożyska, rolki lub elementy hydrauliczne są powlekane w celu ochrony przed zużyciem i korozją. Produkcja addytywna jest również stosowana w budownictwie samochodowym. Tutaj modyfikuje się dużą liczbę elementów.
W konwencjonalnym laserowym osadzaniu metalu wiązka lasera najpierw podgrzewa obrabiany przedmiot lokalnie, a następnie tworzy roztopiony zbiornik. Drobny proszek metalowy jest następnie rozpylany bezpośrednio do roztopionego zbiornika z dyszy głowicy obróbki laserowej. W szybkim laserowym osadzaniu metalu cząstki proszku są już podgrzewane do temperatury bliskiej temperaturze topnienia ponad powierzchnią podłoża. Dlatego potrzeba mniej czasu, aby stopić cząstki proszku.
Efekt: znacznie zwiększona prędkość procesu. Dzięki zmniejszonym efektom cieplnym, materiały bardzo wrażliwe na ciepło, takie jak stopy aluminium i stopy żeliwa, mogą być również powlekane za pomocą szybkiego osadzania metalu laserowego. Wysokie prędkości powierzchniowe do 1500 obr./min można osiągnąć na powierzchniach obrotowo symetrycznych za pomocą procesu HS-LMD. cm/min. Jednocześnie osiągane są prędkości posuwu do kilkuset metrów na minutę.
Napraw drogie komponenty lub formy szybko i łatwo dzięki laserowemu osadzaniu proszku. Uszkodzenia wszystkich rozmiarów można naprawić szybko i prawie bez pozostawiania śladów. Możliwe są również zmiany konstrukcyjne. Oszczędza to czas, energię i materiał. Jest to szczególnie wartościowe w przypadku drogich metali, takich jak nikiel lub tytan. Typowymi przykładami zastosowań są łopatki turbin, różne tłoki, zawory, wały lub formy.
05. Obróbka cieplna laserowa
Tysiące mikrolaserów (VCSEL) jest zamontowanych na jednym chipie. Każdy emiter jest wyposażony w 56 takich chipów, a moduł składa się z kilku emiterów. Prostokątne pole promieniowania może zawierać miliony mikrolaserów i może wyprowadzać kilka kilowatów mocy lasera podczerwonego.
Lasery VCSEL generują wiązki bliskiej podczerwieni o natężeniu promieniowania 100 W/cm² z dużym, kierunkowym prostokątnym przekrojem poprzecznym wiązki. Zasadniczo technologia ta nadaje się do wszystkich procesów przemysłowych, które wymagają niezwykle wysokiej precyzji w kontroli powierzchni i temperatury.
Moduły obróbki cieplnej laserowej są szczególnie odpowiednie do zastosowań grzewczych na dużych powierzchniach o wymagających i elastycznych wymaganiach. W porównaniu z tradycyjnymi metodami ogrzewania, ten nowy proces ogrzewania ma większą elastyczność, precyzję i oszczędności kosztów.
Tę technologię można stosować do uszczelniania ogniw typu workowego, aby zapobiec marszczeniu się folii aluminiowej, wydłużając w ten sposób żywotność akumulatora. Można jej również używać do suszenia folii aluminiowej akumulatora, naświetlania paneli słonecznych i precyzyjnej obróbki powierzchni grzejnej określonych materiałów (takich jak stal i wafle krzemowe).
06. Polerowanie laserowe
Mechanizm technologii polerowania laserowego polega na wąskim topnieniu powierzchni i przetopieniu powierzchni, polegającym na przetopieniu powierzchni i ponownym zestaleniu warstwy przetopionej laserowo. Gdy powierzchnia metalu zostanie napromieniowana wystarczająco wysokoenergetycznym laserem, jej powierzchnia ulega pewnemu stopniowi przetopienia i redystrybucji, a poprzez działanie rozciągającego naprężenia powierzchniowego i grawitacji, gładka powierzchnia jest osiągana przed zestaleniem.
Całkowita grubość warstwy stopionej jest mniejsza niż wysokość od koryta do szczytu, tak że cały stopiony metal wypełnia pobliskie koryto. Siła napędowa tego wypełnienia jest osiągana poprzez efekt kapilarny, podczas gdy grubsza warstwa spowoduje, że ciekły metal będzie wypływał na zewnątrz ze środka jeziorka stopionego. Siłą napędową jest termiczny efekt kapilarny lub efekt Marconiego, tak aby mógł być redystrybuowany.
Shuici Bieguang
Przykłady zastosowań obejmują ceramikę z węglika krzemu, która jest używana jako komponenty optyczne lekkich i dużych teleskopów (zwłaszcza reflektorów o dużych rozmiarach i złożonych kształtach). RB-SiC jest typowym materiałem o wysokiej twardości i złożonej fazie, a technologia precyzyjnego polerowania jego powierzchni jest trudna i nieefektywna. Powierzchnia RB-SiC wstępnie pokryta proszkiem Si jest modyfikowana laserem femtosekundowym. Po zaledwie 4,5 godzinach polerowania można uzyskać powierzchnię optyczną o chropowatości powierzchni Sq wynoszącej 4,45 nm. W porównaniu z bezpośrednim szlifowaniem i polerowaniem wydajność polerowania wzrasta ponad 3-krotnie. Polerowanie laserowe jest również szeroko stosowane do polerowania form, krzywek i łopatek turbin.
07. Śrutowanie laserowe
Wzmacnianie szokowe laserem, znane również jako śrutowanie laserowe, polega na napromieniowaniu powierzchni części metalowych laserem o wysokiej gęstości energii, wysokiej koncentracji i krótkim impulsie (λ=1053nm). Powierzchniowy metal (lub warstwa absorpcyjna) natychmiast tworzy eksplozję plazmy pod działaniem lasera o wysokiej gęstości mocy. Fala uderzeniowa eksplozji jest przesyłana do wnętrza części metalowej pod ograniczeniem warstwy ograniczającej, powodując, że ziarna powierzchni wytwarzają odkształcenie plastyczne ściskające i uzyskując szczątkowe naprężenie ściskające, udoskonalenie ziarna i inne efekty wzmacniania powierzchni w grubszym zakresie powierzchni części. W porównaniu z tradycyjnym mechanicznym śrutowaniem ma następujące zalety:
1. Silna kierunkowość: Laser działa na powierzchnię metalu pod kontrolowanym kątem, przy wysokiej wydajności konwersji energii, podczas gdy kąt uderzenia pocisku mechanicznego jest losowy:
2. Duża siła: Natychmiastowe ciśnienie generowane podczas śrutowania plazmowego laserem jest tak wysokie, jak kilka GPa: Duża gęstość mocy: Szczytowa gęstość mocy uderzenia lasera osiąga od kilku do kilkudziesięciu GW//cm2:
3. Dobra integralność powierzchni: Uderzenie lasera nie powoduje prawie żadnego efektu rozpylania na powierzchni, natomiast po mechanicznym śrutowaniu morfologia powierzchni ulega uszkodzeniu i występuje koncentracja naprężeń.
Maksymalna wartość naprężenia ściskającego po uderzeniu lasera jest lepsza, a powierzchniowe naprężenie ściskające szczątkowe jest zwiększone o około 40%~50%, co znacznie poprawia wartości powiązanych wskaźników, takich jak trwałość zmęczeniowa, odporność na wysoką temperaturę i gięcie przedmiotu obrabianego. Zostało to zastosowane w dziedzinach obróbki powierzchni samolotów i obróbki powierzchni silników lotniczych.
