Trong một thời gian dài, công nghệ laser đã được biết đến với việc sử dụng rộng rãi trong hàn, cắt và đánh dấu. Trong hai năm qua, với sự phổ biến dần dần của việc làm sạch bằng laser, khái niệm xử lý bề mặt bằng laser đã trở thành trọng tâm chú ý của mọi người và xuất hiện trong tâm trí mọi người. Xử lý bằng laser là không tiếp xúc, rất linh hoạt, tốc độ cao và không gây tiếng ồn, với vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ và không làm hỏng chất nền, không có vật tư tiêu hao, thân thiện với môi trường và ít carbon.
Ngoài việc làm sạch bằng laser, xử lý bề mặt bằng laser thực sự có nhiều loại ứng dụng, chẳng hạn như đánh bóng bằng laser, ốp laser, làm nguội bằng laser, v.v. Các phương pháp này được sử dụng để thay đổi các tính chất vật lý và hóa học cụ thể của bề mặt vật liệu, chẳng hạn như làm cho quá trình bề mặt trở nên kỵ nước hoặc sử dụng xung laser để tạo ra các vết lõm nhỏ có đường kính khoảng 10 micron và độ sâu chỉ vài micron, để tăng độ nhám và tăng cường độ bám dính bề mặt.
Ngoài phương pháp làm sạch bằng laser, bạn có biết những phương pháp xử lý bề mặt bằng laser sau đây không?
01. Làm nguội bằng laser
Làm nguội bằng laser là một trong những giải pháp xử lý các bộ phận phức tạp chịu ứng suất cao. Nó có thể làm cho các bộ phận có độ mài mòn cao như trục cam và dụng cụ uốn chịu được ứng suất cao hơn và kéo dài tuổi thọ.
Nguyên lý của nó là sắp xếp lại các nguyên tử cacbon trong mạng kim loại (austen hóa) bằng cách nung nóng bề mặt của phôi chứa cacbon xuống thấp hơn một chút so với nhiệt độ nóng chảy (900-1400 độ hấp thụ 40% công suất chiếu xạ), sau đó chùm tia laser làm nóng bề mặt ổn định theo hướng cấp liệu. Khi chùm tia laser di chuyển, vật liệu xung quanh nguội đi nhanh chóng và mạng kim loại không thể trở lại hình dạng ban đầu, do đó tạo ra martensite, làm tăng đáng kể độ cứng.
Độ sâu làm cứng của lớp ngoài của thép cacbon đạt được bằng phương pháp làm cứng bằng laser thường là 0.1-1.5mm và có thể là 2,5mm hoặc hơn trên một số vật liệu. So với các phương pháp làm nguội truyền thống, ưu điểm của nó là:
1. Đầu vào nhiệt mục tiêu được giới hạn trong cùng một khu vực, do đó hầu như không có hiện tượng cong vênh thành phần trong quá trình gia công. Chi phí gia công lại được giảm hoặc thậm chí loại bỏ hoàn toàn:
2. Nó cũng có thể làm cứng trên các bề mặt hình học phức tạp và các bộ phận chính xác, và có thể làm cứng chính xác các bề mặt chức năng bị hạn chế cục bộ mà không thể làm nguội bằng các phương pháp làm nguội thông thường:
3. Không bị biến dạng. Các quy trình làm cứng truyền thống tạo ra biến dạng do năng lượng đầu vào và quá trình làm nguội cao hơn, nhưng trong các quy trình làm cứng bằng laser, nhiệt đầu vào có thể được kiểm soát chính xác nhờ công nghệ laser và kiểm soát nhiệt độ. Linh kiện vẫn gần như ở trạng thái ban đầu:
4. Hình dạng độ cứng của thành phần có thể được thay đổi "ngay lập tức". Điều này có nghĩa là không cần phải chuyển đổi quang học/toàn bộ hệ thống.
02. Kết cấu bằng laser
Kết cấu laser là một trong những phương tiện xử lý để sửa đổi bề mặt vật liệu kim loại. Trong quá trình cấu trúc, laser tạo ra các hình học được sắp xếp đều đặn trong lớp hoặc chất nền để thay đổi các đặc tính kỹ thuật theo cách có mục tiêu và phát triển các chức năng mới. Quá trình này chủ yếu sử dụng bức xạ laser (thường là laser xung ngắn) để tạo ra các hình học được sắp xếp đều đặn trên bề mặt theo cách có thể tái tạo. Chùm tia laser làm tan chảy vật liệu theo cách có kiểm soát và đông đặc thành một cấu trúc xác định thông qua quản lý quy trình phù hợp.
Ví dụ, cấu trúc bề mặt kỵ nước cho phép nước chảy ra khỏi bề mặt. Tính năng này có thể đạt được bằng cách tạo ra các cấu trúc dưới micron trên bề mặt bằng tia laser xung cực ngắn và cấu trúc được tạo ra có thể được kiểm soát chính xác bằng cách thay đổi các thông số laser. Hiệu ứng ngược lại, chẳng hạn như bề mặt ưa nước, cũng có thể đạt được:
Đối với sơn tấm ô tô, "micro-pit" phải được phân bố đều trên bề mặt của tấm mỏng để tăng cường độ bám dính của sơn. Một chùm tia laser xung có tần số từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần mỗi giây được tập trung và chiếu vào bề mặt con lăn. Một vũng tan chảy nhỏ được hình thành trên bề mặt lăn tại điểm hội tụ. Đồng thời, vũng tan chảy nhỏ được thổi sang một bên để cho phép chất tan chảy trong vũng tan chảy tích tụ càng nhiều càng tốt đến mép vũng tan chảy theo các yêu cầu đã chỉ định để tạo thành một gờ hình vòng cung. Những gờ nhỏ và micro-pit này không chỉ có thể làm tăng độ nhám của bề mặt vật liệu và tăng độ bám dính của sơn mà còn làm tăng độ cứng bề mặt của vật liệu và kéo dài tuổi thọ sử dụng.
Một số đặc điểm được tạo ra bởi cấu trúc laser, chẳng hạn như đặc điểm ma sát hoặc độ dẫn điện và nhiệt của một số vật liệu kim loại. Ngoài ra, cấu trúc laser cũng làm tăng cường độ liên kết và tuổi thọ của phôi.
Thủy Thượng Bá Quang
So với các phương pháp truyền thống, cấu trúc bề mặt bằng laser thân thiện với môi trường hơn và không yêu cầu thêm tác nhân phun cát hoặc hóa chất: Có thể lặp lại và chính xác, tia laser đạt được cấu trúc được kiểm soát chính xác đến từng micron và rất dễ sao chép: Bảo trì thấp, so với các công cụ cơ học bị mòn nhanh, tia laser không tiếp xúc và do đó hoàn toàn không bị mài mòn: Không cần xử lý sau và không để lại chất nóng chảy hoặc chất thải xử lý khác trên các bộ phận được xử lý bằng laser.
03. Xử lý bề mặt màu bằng laser
Quá trình tôi luyện bằng laser thường được sử dụng trong xử lý bề mặt nhiều màu bằng laser, còn được gọi là đánh dấu màu bằng laser. Nguyên lý của quy trình là khi laser làm nóng vật liệu, kim loại sẽ được làm nóng đến mức thấp hơn một chút so với điểm nóng chảy của nó. Theo các thông số quy trình thích hợp, cấu trúc của cổng sẽ thay đổi: một lớp oxit sẽ được hình thành trên bề mặt của phôi. Khi lớp màng này tiếp xúc với ánh sáng, ánh sáng chiếu tới sẽ giao thoa để tạo ra nhiều màu tôi luyện khác nhau tại thời điểm này. Lớp đánh dấu nhiều màu được tạo ra trên bề mặt thay đổi theo các góc nhìn khác nhau. Hoa văn của dấu cũng sẽ thay đổi thành nhiều màu khác nhau. Những màu này vẫn ổn định ở nhiệt độ lên đến khoảng 200 "C. Ở nhiệt độ cao hơn, cổng sẽ trở lại trạng thái ban đầu - dấu hiệu biến mất. Chất lượng bề mặt sẽ được bảo toàn hoàn toàn. Nó có mức độ bảo mật và khả năng truy xuất nguồn gốc cao trong các ứng dụng chống hàng giả. Trong những năm gần đây, nó đã được sử dụng thành thạo trong lĩnh vực công nghệ y tế. Ngoài việc đánh dấu đen mới bằng laser xung cực ngắn, nó cũng rất phù hợp để nhận dạng sản phẩm, do đó đạt được khả năng truy xuất nguồn gốc duy nhất theo chỉ thị UDI.
04. Ốp bằng laser
Đây là quy trình sản xuất bồi đắp phù hợp với vật liệu kim loại và vật liệu lai kim loại-gốm. Quy trình này có thể được sử dụng để tạo hoặc sửa đổi hình học 3D. Tia laser cũng có thể được sử dụng để sửa chữa hoặc phủ chúng bằng phương pháp sản xuất này. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, do đó, sản xuất bồi đắp được sử dụng để sửa chữa cánh tua bin.
Trong sản xuất dụng cụ và khuôn mẫu, các cạnh bị hỏng hoặc mòn và các bề mặt chức năng được định hình có thể được sửa chữa hoặc thậm chí được bọc thép. Trong công nghệ năng lượng hoặc hóa dầu, ổ trục, con lăn hoặc các thành phần thủy lực được phủ để bảo vệ chống mài mòn và ăn mòn. Sản xuất bồi đắp cũng được sử dụng trong kết cấu ô tô. Một số lượng lớn các thành phần được sửa đổi ở đây.
Trong quá trình lắng đọng kim loại bằng laser thông thường, chùm tia laser đầu tiên làm nóng cục bộ phôi và sau đó tạo thành một vũng nóng chảy. Bột kim loại mịn sau đó được phun trực tiếp vào vũng nóng chảy từ vòi phun của đầu gia công laser. Trong quá trình lắng đọng kim loại bằng laser tốc độ cao, các hạt bột đã được làm nóng đến gần nhiệt độ nóng chảy trên bề mặt chất nền. Do đó, cần ít thời gian hơn để làm tan chảy các hạt bột.
Hiệu ứng: tăng đáng kể tốc độ quy trình. Do hiệu ứng nhiệt giảm, các vật liệu rất nhạy nhiệt như hợp kim nhôm và hợp kim gang cũng có thể được phủ bằng phương pháp lắng đọng kim loại bằng laser tốc độ cao. Có thể đạt được tốc độ bề mặt cao lên đến 1500 vòng/phút trên các bề mặt đối xứng quay bằng quy trình HS-LMD. cm/phút. Đồng thời, có thể đạt được tốc độ nạp lên đến vài trăm mét mỗi phút.
Sửa chữa các thành phần hoặc khuôn đắt tiền một cách nhanh chóng và dễ dàng bằng phương pháp lắng đọng bột laser. Có thể sửa chữa nhanh chóng và hầu như không để lại dấu vết hư hỏng ở mọi kích cỡ. Có thể thay đổi thiết kế. Điều này giúp tiết kiệm thời gian, năng lượng và vật liệu. Điều này đặc biệt có giá trị đối với các kim loại đắt tiền như niken hoặc titan. Các ví dụ ứng dụng điển hình là cánh tua bin, nhiều loại piston, van, trục hoặc khuôn.
05. Xử lý nhiệt bằng laser
Hàng ngàn tia laser siêu nhỏ (VCSEL) được gắn trên một con chip duy nhất. Mỗi bộ phát được trang bị 56 con chip như vậy và một mô-đun bao gồm một số bộ phát. Trường bức xạ hình chữ nhật có thể chứa hàng triệu tia laser siêu nhỏ và có thể tạo ra công suất laser hồng ngoại lên tới vài kilowatt.
VCSEL tạo ra các chùm tia hồng ngoại gần với cường độ bức xạ 100 W/cm² với mặt cắt ngang chùm tia hình chữ nhật định hướng lớn. Về nguyên tắc, công nghệ này phù hợp với tất cả các quy trình công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cực cao trong kiểm soát bề mặt và nhiệt độ.
Các mô-đun xử lý nhiệt bằng laser đặc biệt phù hợp với các ứng dụng gia nhiệt diện tích lớn với các yêu cầu khắt khe và linh hoạt. So với các phương pháp gia nhiệt truyền thống, quy trình gia nhiệt mới này có tính linh hoạt, độ chính xác và tiết kiệm chi phí cao hơn.
Công nghệ này có thể được sử dụng để niêm phong các cell dạng túi để ngăn không cho lá nhôm bị nhăn, do đó kéo dài tuổi thọ của pin. Nó cũng có thể được sử dụng để làm khô lá nhôm của pin, tấm pin mặt trời ngâm nhẹ và xử lý chính xác khu vực gia nhiệt của các vật liệu cụ thể (như thép và wafer silicon).
06. Đánh bóng bằng laser
Cơ chế của công nghệ đánh bóng bằng laser là nóng chảy hẹp bề mặt và nóng chảy quá mức bề mặt, dựa vào sự nóng chảy lại bề mặt và đông đặc lại của lớp nóng chảy lại bằng laser. Khi bề mặt kim loại được chiếu xạ bằng tia laser năng lượng đủ cao, bề mặt của nó trải qua một mức độ nóng chảy lại và phân phối lại nhất định, và thông qua tác động của ứng suất kéo bề mặt và trọng lực, đạt được bề mặt nhẵn trước khi đông đặc.
Toàn bộ độ dày của lớp nóng chảy nhỏ hơn chiều cao từ máng đến đỉnh, do đó toàn bộ kim loại nóng chảy được đổ đầy vào máng gần đó. Động lực cho quá trình đổ đầy này đạt được thông qua hiệu ứng mao dẫn, trong khi lớp dày hơn sẽ khiến kim loại lỏng chảy ra ngoài từ tâm của vũng nóng chảy. Động lực là hiệu ứng mao dẫn nhiệt hoặc hiệu ứng Marconi, do đó nó có thể được phân phối lại.
Shuici Bieguang
Các trường hợp ứng dụng bao gồm gốm silicon carbide, được sử dụng làm thành phần quang học của kính thiên văn ánh sáng và lớn (đặc biệt là các gương phản xạ có kích thước lớn và hình dạng phức tạp). RB-SiC là vật liệu pha phức hợp, độ cứng cao điển hình và công nghệ đánh bóng độ chính xác bề mặt của nó rất khó và không hiệu quả. Bề mặt của RB-SiC được phủ sẵn bột Si được biến đổi bằng tia laser femto giây. Chỉ sau 4,5 giờ đánh bóng, có thể thu được bề mặt quang học có độ nhám bề mặt Sq là 4,45 nm. So với mài và đánh bóng trực tiếp, hiệu quả đánh bóng tăng hơn 3 lần. Đánh bóng bằng laser cũng được sử dụng rộng rãi trong việc đánh bóng khuôn, cam và cánh tuabin.
07. Bắn tia laser
Gia cường bằng xung laser, còn được gọi là bắn bi laser, là chiếu xạ bề mặt của các bộ phận kim loại bằng laser xung ngắn, tập trung cao, mật độ năng lượng cao (λ=1053nm). Kim loại bề mặt (hoặc lớp hấp thụ) ngay lập tức hình thành vụ nổ plasma dưới tác động của laser mật độ công suất cao. Sóng xung kích nổ được truyền vào bên trong bộ phận kim loại dưới sự ràng buộc của lớp ràng buộc, khiến các hạt bề mặt tạo ra biến dạng dẻo nén và thu được ứng suất nén dư, tinh chỉnh hạt và các hiệu ứng gia cường bề mặt khác trong phạm vi dày hơn của bề mặt bộ phận. So với bắn bi cơ học truyền thống, nó có những ưu điểm sau:
1. Tính định hướng mạnh: Tia laser tác động lên bề mặt kim loại ở góc có thể kiểm soát được, hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, trong khi góc tác động của vật phóng cơ học là ngẫu nhiên:
2. Lực lớn: Áp suất tức thời do quá trình phun bi plasma bắn tia laser tạo ra cao tới vài GPa: Mật độ công suất cao: Mật độ công suất cực đại của tác động laser đạt tới vài chục GW//cm2:
3. Tính toàn vẹn bề mặt tốt: Tác động của tia laser hầu như không có hiệu ứng bắn phá bề mặt, trong khi sau khi phun bi cơ học, hình thái bề mặt bị phá hủy và xảy ra hiện tượng tập trung ứng suất.
Giá trị ứng suất nén tối đa sau khi tác động bằng laser tốt hơn, ứng suất nén dư trên bề mặt tăng khoảng 40%~50%, cải thiện đáng kể giá trị của các chỉ số liên quan như tuổi thọ mỏi, khả năng chịu nhiệt độ cao và uốn cong của phôi. Đã được ứng dụng trong lĩnh vực xử lý bề mặt máy bay và xử lý bề mặt động cơ máy bay.
