Лазерното повърхностно третиране е технология, която използва лазерен лъч с висока плътност на мощността за безконтактно нагряване на повърхността на материала и реализира нейната повърхностна модификация чрез проводящо охлаждане на самата повърхност на материала.Благоприятно е да се подобрят механичните и физичните свойства на повърхността на материала, както и устойчивостта на износване, устойчивостта на корозия и устойчивостта на умора на частите.През последните години технологиите за лазерно повърхностно третиране като лазерно почистване, лазерно закаляване, лазерно легиране, лазерно ударно укрепване и лазерно отгряване, както и лазерно облицоване, лазерно 3D печатане, лазерно галванично покритие и други технологии за производство на лазерни добавки поставиха началото на широки перспективи за приложение .
1. Лазерно почистване
Лазерното почистване е бързо развиваща се нова технология за почистване на повърхности, която използва високоенергиен импулсен лазерен лъч за облъчване на повърхността на детайла, така че мръсотията, частиците или покритието върху повърхността да могат да се изпарят или разширят мигновено, като по този начин се постига процесът на почистване и пречистване.Лазерното почистване се разделя главно на отстраняване на ръжда, отстраняване на масло, отстраняване на боя, отстраняване на покритие и други процеси;Използва се главно за почистване на метали, почистване на културни реликви, почистване на архитектура и др. Въз основа на неговите всеобхватни функции, точна и гъвкава обработка, висока ефективност и икономия на енергия, зелена защита на околната среда, без увреждане на субстрата, интелигентност, добро качество на почистване, безопасност, широко приложение и други характеристики и предимства, той става все по-популярен в различни индустриални области.
В сравнение с традиционните методи за почистване като механично фрикционно почистване, химическо корозионно почистване, течно твърдо силно ударно почистване, високочестотно ултразвуково почистване, лазерното почистване има очевидни предимства.
2. Лазерно закаляване
Лазерното закаляване използва високоенергиен лазер като източник на топлина, за да направи металната повърхност бързо гореща и студена.Процесът на охлаждане завършва мигновено, за да се получи висока твърдост и ултра фина мартензитна структура, да се подобри твърдостта и устойчивостта на износване на металната повърхност и да се образува напрежение на натиск върху повърхността, за да се подобри устойчивостта на умора.Основните предимства на този процес включват малка зона на топлинно въздействие, малка деформация, висока степен на автоматизация, добра гъвкавост на селективното охлаждане, висока твърдост на рафинираните зърна и интелигентна защита на околната среда.Например, лазерното петно може да се регулира, за да загаси всяка позиция по ширина;Второ, лазерната глава и връзката на многоосния робот могат да потушат определената зона на сложни части.За друг пример, лазерното охлаждане е изключително горещо и бързо, а напрежението и деформацията на охлаждане са малки.Деформацията на детайла преди и след лазерно охлаждане може да бъде почти игнорирана, така че е особено подходяща за повърхностна обработка на части с високи изисквания за точност.
Понастоящем лазерното закаляване се прилага успешно за повърхностно укрепване на уязвими части в автомобилната индустрия, производството на мухъл, хардуерни инструменти и машиностроенето, особено за подобряване на експлоатационния живот на уязвими части като зъбни колела, повърхности на валове, водачи, челюсти и плесени.Характеристиките на лазерното охлаждане са както следва:
(1) Лазерното закаляване е процес на бързо нагряване и охлаждане със самовъзбуждане, който не изисква запазване на топлината в пещта и охлаждане на охлаждащата течност.Това е чист, екологичен и щадящ околната среда процес на топлинна обработка и може лесно да приложи равномерно охлаждане на повърхността на големи форми;
(2) Тъй като скоростта на лазерно нагряване е бърза, засегнатата от топлината зона е малка и повърхностното сканиращо охлаждане при нагряване, тоест моментално локално охлаждане при нагряване, деформацията на обработената матрица е много малка;
(3) Поради малкия ъгъл на отклонение на лазерния лъч, той има добра насоченост и може точно локално да охлади повърхността на формата чрез светловодната система;
(4) Дълбочината на втвърдения слой при лазерно закаляване на повърхността обикновено е 0,3-1,5 mm.
3. Лазерно отгряване
Лазерното отгряване е процес на топлинна обработка, който използва лазер за нагряване на повърхността на материала, излагане на материала на висока температура за дълго време и след това бавно охлаждане.Основната цел на този процес е да се освободи напрежението, да се повиши пластичността и якостта на материала и да се създаде специална микроструктура.Характеризира се с възможност за регулиране на структурата на матрицата, намаляване на твърдостта, рафиниране на зърната и премахване на вътрешния стрес.През последните години технологията за лазерно отгряване също се превърна в нов процес в индустрията за обработка на полупроводници, което може значително да подобри интегрирането на интегрални схеми.
4. Лазерно ударно укрепване
Технологията за лазерно ударно укрепване е нова и висока технология, която използва плазмената ударна вълна, генерирана от силен лазерен лъч, за да подобри устойчивостта на умора, устойчивостта на износване и устойчивостта на корозия на металните материали.Той има много изключителни предимства, като липса на зона, засегната от топлина, висока енергийна ефективност, ултрависока скорост на деформация, силна управляемост и забележителен укрепващ ефект.В същото време лазерното ударно укрепване има характеристиките на по-дълбоко остатъчно напрежение на натиск, по-добра микроструктура и повърхностна цялост, по-добра термична стабилност и по-дълъг живот.През последните години тази технология постигна бързо развитие и има голяма роля в космическата индустрия, националната отбрана и военната индустрия и други области.В допълнение, покритието се използва главно за защита на детайла от лазерни изгаряния и за подобряване на абсорбцията на лазерна енергия.Понастоящем често използваните материали за покритие са черна боя и алуминиево фолио.
Лазерното издълбаване (LP), известно още като лазерно ударно изрязване (LSP), е процес, прилаган в областта на повърхностното инженерство, тоест използването на импулсни високомощни лазерни лъчи за генериране на остатъчни напрежения в материалите за подобряване на устойчивостта на износване (като устойчивост на износване и устойчивост на умора) на повърхностите на материалите или за подобряване на здравината на тънки участъци от материали за подобряване на повърхностната твърдост на материалите.
За разлика от повечето приложения за обработка на материали, LSP не използва лазерна мощност за термична обработка, за да постигне желания ефект, а използва въздействие на лъч за механична обработка.Високомощен лазерен лъч се използва за въздействие върху повърхността на целевия детайл с високомощен къс импулс.
Светлинният лъч въздейства върху металния детайл, незабавно изпарява детайла в състояние на тънка плазма и прилага ударно вълново налягане върху детайла.Понякога към детайла се добавя тънък слой непрозрачен облицовъчен материал, за да се замени изпарението на метала.За херметизиране се използват други прозрачни облицовъчни материали или инерционни интерферентни слоеве за улавяне на плазма (обикновено вода).
Плазмата създава ефект на ударна вълна, променя микроструктурата на повърхността на детайла в точката на удара и след това генерира верижна реакция на разширение и компресия на метала.Дълбокото напрежение на натиск, генерирано от тази реакция, може да удължи живота на компонента.
5. Лазерно легиране
Лазерното легиране е нова технология за модифициране на повърхността, която може да се използва за получаване на аморфни нанокристални подсилени металокерамични композитни покрития върху повърхността на структурни части според различните условия на експлоатация на авиационни материали и характеристиките на нагряване на лазерен лъч с висока енергийна плътност и скорост на кондензация, така че за постигане на целта за повърхностна модификация на авиационни материали.В сравнение с технологията за лазерно легиране, технологията за лазерно облицоване има характеристиките на малко съотношение на разреждане на субстрата към разтопения басейн, малка зона, засегната от топлината, малка термична деформация на детайла и малък процент скрап на детайла след лазерно облицоване.Лазерното покритие може значително да подобри повърхностните свойства на материалите и да поправи износените материали.Той има характеристиките на висока ефективност, бърза скорост, зелена защита на околната среда и без замърсяване и добра производителност на детайла след обработка.
6. Лазерно облицоване
Технологията за лазерно облицоване също е една от новите технологии за модификация на повърхността, представяща посоката на развитие и нивото на повърхностния инженеринг.Технологията за лазерно облицоване се превърна в изследователска гореща точка в модифицирането на повърхността на титаниеви сплави поради своите предимства на незамърсяваща и металургична комбинация между покритието и субстрата.Лазерно облицовъчно керамично покритие или подсилено с керамични частици композитно покритие е ефективен начин за подобряване на устойчивостта на повърхностно износване на титановата сплав.Според действителните условия на работа изберете подходящата материална система и технологията за лазерно облицоване може да постигне най-добрите изисквания за процеса.Технологията за лазерно облицоване може да ремонтира различни повредени части, като лопатки на авиационни двигатели.
Разликата между лазерното повърхностно легиране и лазерното повърхностно облицоване е, че лазерното повърхностно легиране е пълното смесване на добавените елементи от сплавта и повърхностния слой на субстрата в течно състояние, за да се образува легиращ слой;Лазерното повърхностно облицоване е да разтопи цялото предварително покритие и да микростопи повърхността на субстрата, така че облицовъчният слой и субстратният материал да образуват металургична комбинация и да запазят състава на облицовъчния слой основно непроменен.Технологията за лазерно легиране и лазерно облицоване се използва главно за подобряване на повърхностната устойчивост на износване, устойчивост на корозия и устойчивост на сортиране на титанови сплави.
Понастоящем технологията за лазерно покритие е широко използвана при ремонта и модификацията на метални повърхности.Въпреки това, въпреки че традиционното лазерно покритие има предимствата и характеристиките на гъвкава обработка, ремонт със специална форма, дефинирана от потребителя добавка и т.н., неговата работна ефективност е ниска и все още не може да отговори на изискванията за широкомащабно бързо производство и обработка в някои производствени полета.За да отговори на нуждите на масовото производство и да подобри ефективността на облицовката, се появи високоскоростна лазерна технология за облицовка.
Високоскоростната лазерна технология за облицовка може да реализира компактен облицовъчен слой без дефекти.Качеството на повърхността на облицовъчния слой е компактно, металургично свързване с основата, без открити дефекти и повърхността е гладка.Може да се обработва не само върху въртящо се тяло, но и върху плоска и сложна повърхност.Чрез непрекъсната техническа оптимизация тази технология може да се използва широко във въгледобива, металургията, офшорните платформи, производството на хартия, граждански уреди, автомобили, кораби, петролна, аерокосмическа промишленост и да се превърне в зелен процес на повторно производство, който може да замени традиционната технология за галванопластика.
7. Лазерно гравиране
Лазерното гравиране е процес на лазерна обработка, който използва CNC технология за проектиране на високоенергиен лазерен лъч върху повърхността на материала и използва топлинния ефект, генериран от лазера, за да създаде ясни шарки върху повърхността на материала.Физическата денатурация на топенето и газификацията на материалите за обработка при облъчване на лазерно гравиране може да позволи лазерното гравиране да постигне целите на обработката.Лазерното гравиране е използването на лазер за гравиране на думи върху обект.Думите, издълбани по тази технология, нямат драскотини, повърхността на предмета е гладка и равна, а почеркът няма да бъде затрит.Характеристиките и предимствата му включват: безопасен и надежден;Прецизен и педантичен, прецизността може да достигне 0,02 mm;Спестете защита на околната среда и материали по време на обработката;Високоскоростно, високоскоростно гравиране според изходните чертежи;Ниска цена, неограничена от количество за обработка и др.
8. Лазерен 3D печат
Процесът използва лазерна технология за облицовка, която използва лазер за облъчване на потока от прах, транспортиран от дюзата, за да разтопи директно простото вещество или прах от сплав.След като лазерният лъч излезе, течността от сплавта се втвърдява бързо, за да се реализира бързото прототипиране на сплавта.Понастоящем той е широко използван в промишленото моделиране, производството на машини, космическото пространство, военните, архитектурата, филма и телевизията, домакинските уреди, леката промишленост, медицината, археологията, културата и изкуството, скулптурата, бижутата и други области.
9. Типични промишлени приложения на лазерна повърхностна обработка и повторно производство
Понастоящем технологиите, процесите и оборудването за лазерна повърхностна обработка и адитивното производство се използват широко в металургията, минните машини, формите, петролната енергия, хардуерните инструменти, железопътния транзит, космическата промишленост, машиностроенето и други индустрии.
10. Приложение на лазерна галванична технология
Лазерното галванично покритие е нова технология за галванично покритие с високоенергиен лъч, която е от голямо значение за производството и ремонта на микроелектронни устройства и широкомащабни интегрални схеми.В момента, въпреки че принципът на лазерното галванично покритие, лазерната аблация, плазменото лазерно отлагане и лазерната струя все още са в процес на изследване, техните технологии са приложени.Когато непрекъснат лазер или импулсен лазер облъчва повърхността на катода в галванопластиката, не само скоростта на отлагане на метал може да бъде значително подобрена, но също така компютърът може да се използва за контролиране на траекторията на лазерния лъч, за да се получи неекранирано покритие на очаквана сложна геометрия.
Приложението на лазерното галванично покритие в практиката се основава главно на следните две характеристики:
(1) Скоростта в зоната на лазерно облъчване е много по-висока от скоростта на галванопластиката в тялото (около 103 пъти);
(2) Способността за контрол на лазера е силна, което може да накара необходимата част от материала да утаи необходимото количество метал.Обикновеното галванично покритие се извършва върху целия електроден субстрат и скоростта на галванично покритие е бавна, така че е трудно да се формират сложни и фини шарки.Лазерното галванично покритие може да настрои лазерния лъч до размер на микрометър и да извърши неекранирано проследяване на размер на микрометър.За проектиране на вериги, ремонт на вериги и локално отлагане върху компоненти на микроелектронни съединители, този тип високоскоростно картографиране става все по-практично.
В сравнение с обикновеното галванично покритие, неговите предимства са:
(1) Бърза скорост на отлагане, като лазерно златно покритие до 1 μM/s, лазерно медно покритие до 10 μM/s, лазерно струйно златно покритие до 12 μM/s, лазерно струйно медно покритие до 50 μ m/s；
(2) Отлагането на метал се извършва само в зоната на лазерно облъчване и покритието за локално отлагане може да се получи без мерки за екраниране, като по този начин се опростява производственият процес;
(3) Адхезията на покритието е значително подобрена;
(4) Лесен за реализиране автоматичен контрол;
(5) Спестете благородни метали;
(6) Спестете инвестиции в оборудване и време за обработка.
Когато непрекъснат лазер или импулсен лазер облъчи повърхността на катода в галваничната вана, не само може да се подобри значително скоростта на отлагане на метала, но също така компютърът може да контролира траекторията на движение на лазерния лъч, за да се получи неекранирано покритие с очаквания комплекс геометрия.Настоящата нова технология за лазерно струйно подобрено галванично покритие съчетава лазерно подобрената галванична технология с пръскане на разтвора за галванично покритие, така че лазерът и разтворът за покритие могат едновременно да се изстрелват към повърхността на катода, а скоростта на масовия трансфер е много по-бърза от скоростта на масовия трансфер на микроразбъркването, причинено от лазерно облъчване, като по този начин се постига много висока скорост на отлагане.
Бъдещо развитие и иновации
В бъдеще посоката на развитие на лазерната повърхностна обработка и оборудването за производство на добавки може да се обобщи, както следва:
·Висока ефективност – висока ефективност на обработка, отговаряща на бързия производствен ритъм на съвременната индустрия;
·Висока производителност – оборудването има разнообразни функции, стабилна работа и е подходящо за различни условия на работа;
·Висока интелигентност – нивото на интелигентност непрекъснато се подобрява, с по-малко ръчна намеса;
·Ниска цена – цената на оборудването е контролируема, а цената на консумативите е намалена;
· Персонализиране – персонализирано персонализиране на оборудването, прецизно следпродажбено обслужване,
·И компаундиране – комбиниране на лазерна технология с традиционна технология за обработка.
Време на публикуване: 17 септември 2022 г