激光技術有多重要?細數在表面處理中的應用

        激光表面處理是利用高功率密度激光束以非接觸方式加熱材料表面,通過材料表面本身的傳導冷卻實現其表面改性的技術。對提高材料表面的機械和物理性能,以及零件的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性有很大的好處。近年來,激光清洗、激光淬火、激光合金化、激光沖擊強化、激光退火等激光表面處理技術以及激光熔覆、激光3D打印、激光電鍍等激光增材制造技術迎來了廣闊的應用前景。


01激光清潔

激光清洗是目前正在迅速發展的一種新型表面清洗技術。它利用高能脈沖激光束照射工件表面,使表面的污垢、顆粒或涂層瞬間蒸發或膨脹、剝落,從而達到清潔的過程。激光清洗主要分為除銹、除油、脫漆、去涂層。主要用于金屬清洗、文物清洗、建筑清洗等。它以其功能全面、加工精確靈活、高效節能、環保、不損傷基材、智能化、清洗質量好、安全、應用范圍廣等特點,越來越受到各工業領域的青睞。

與機械摩擦清洗、化學腐蝕清洗、液體和固體的強沖擊清洗、高頻超聲波清洗等傳統清洗方法相比,激光清洗具有明顯的優勢。

02激光淬火

激光淬火以高能激光為熱源,使金屬表面快速加熱和冷卻,從而瞬間完成淬火過程,獲得高硬度和超細馬氏體組織,提高金屬表面的硬度和耐磨性,在表面形成壓應力,提高抗疲勞能力。該工藝的核心優勢包括熱影響區小、變形小、自動化程度高、選擇性淬火靈活性好、細化晶粒硬度高、智能環保。比如激光光斑可調,可以淬火任意寬度位置;其次,多軸機器人聯動的激光頭可以對復雜零件的指定區域進行淬火。再比如激光淬火溫度極高,冷卻迅速,淬火應力和變形小。激光淬火前后工件的變形幾乎可以忽略不計,因此特別適合精度要求高的零件表面處理。

目前,激光淬火已成功應用于汽車工業、模具工業、五金工具和機械工業的易損件表面強化,特別是在延長齒輪、軸面、導軌、鉗口、模具等易損件的使用壽命方面,效果顯著。激光淬火的特點如下:

1)激光淬火是快速加熱和自激冷卻,不需要爐內保溫和冷卻液淬火。它是一種無污染、環保的熱處理工藝,可以很容易地對大型模具表面進行均勻淬火;

2)由于激光加熱速度快,熱影響區小,而且是表面掃描加熱淬火,即瞬時局部加熱淬火,所以加工的模具變形很小;

3)由于激光束的發散角很小,具有很好的方向性,通過導光系統可以對模具表面進行精確的局部淬火;

4)激光表面淬火硬化層深度一般為0.3 ~ 1.5毫米..

03激光退火

激光退火是指用激光加熱材料表面,使材料長時間暴露在高溫下,然后緩慢冷卻的熱處理過程。這個過程的主要目的是釋放應力,增加材料的延展性和韌性,產生特殊的顯微組織。其特點是調整基體結構,降低硬度,細化晶粒,消除內應力。近年來,激光退火技術也成為半導體加工行業的一項新技術,可以大大提高集成電路的集成度。

04激光沖擊強化

激光沖擊強化技術是利用強激光束產生的等離子體沖擊波來提高金屬材料的抗疲勞性、耐磨性和耐腐蝕性的高新技術。它具有無熱影響區、高能效、超高應變速率、可控性強、強化效果顯著的突出優點。同時,激光沖擊強化具有殘余壓應力更深、顯微組織和表面完整性更好、熱穩定性更好、使用壽命更長的特點。近年來,這項技術發展迅速,在航空航天、國防、軍工等領域潛力巨大。此外,涂層主要用于保護工件免受激光灼傷,增強對激光能量的吸收。目前常用的涂層材料有黑漆和鋁箔。

激光噴丸(LP)又稱激光沖擊噴丸(LSP),是一種應用于表面工程領域的技術,即利用脈沖大功率激光束在材料內部產生殘余應力,以提高材料表面的抗損傷能力(如耐磨性、抗疲勞性),或提高材料的薄斷面強度,從而強化材料的表面硬度。

與大多數材料加工應用不同,LSP不使用激光功率進行熱處理以達到所需的效果,而是使用光束沖擊進行機械加工。高功率激光束以高功率短脈沖撞擊目標工件表面。

光束撞擊金屬工件,立即將工件蒸發成薄層等離子體狀態,并對工件施加沖擊波壓力。有時會在工件上附著一層薄薄的不透明涂層材料來代替金屬蒸發。為了提高壓力,使用其他透明涂層材料或慣性干涉層來捕獲等離子體(通常是水)。

等離子體產生沖擊波效應,在沖擊點重塑工件表面的微觀結構,進而產生金屬膨脹和壓縮的連鎖反應。這種反應產生的深層壓應力可以延長部件的使用壽命。

05激光合金化

激光合金化是一種新型的表面改性技術,可根據航空材料的不同服役條件,利用高能量密度激光束加熱快、凝結速度快等特點,在結構件表面制備非晶-納米晶增強金屬陶瓷復合涂層,從而達到航空材料表面改性的目的。與激光合金化技術相比,激光熔覆技術具有基材對熔池的稀釋率小、熱影響區小、工件受熱變形小、激光熔覆處理后工件廢品率小等特點。激光熔覆能顯著改善材料表面性能,修復磨損材料,具有高效、高速、環保無污染、處理工件性能好等特點。

06激光熔覆

激光熔覆技術也是代表表面工程發展方向和水平的新型表面改性技術之一。激光熔覆技術因其無污染且制備的涂層與基體之間為冶金結合,已成為鈦合金表面改性的研究熱點。激光熔覆陶瓷涂層或陶瓷顆粒增強復合涂層是提高鈦合金表面結合力的有效途徑。根據實際工作條件,選擇合適的材料體系,采用激光熔覆技術,可以達到最佳的工藝要求。激光熔覆技術可以修復各種失效零件,如航空發動機葉片。

激光表面合金化與激光表面熔覆的區別在于,激光表面合金化是將添加的合金元素與液態的基體表層充分混合,形成合金層。而激光表面熔覆是將所有的預涂層熔化,將基材表層稍微熔化,使熔覆層與基材形成冶金結合,保持熔覆層成分基本不變。激光合金化和激光熔覆技術主要用于提高鈦合金的表面耐磨性、耐腐蝕性和抗分級性。

目前,激光熔覆技術已廣泛應用于金屬表面的修復和改性。然而,傳統的激光熔覆雖然具有加工靈活、異形修復、自定義添加等優點和特點。,其工作效率較低,在一些生產領域仍不能滿足大規模、快速生產加工的要求。為了滿足高速大批量生產的需求,提高熔覆效率,高速激光熔覆技術應運而生。

高速激光熔覆技術可實現致密無缺陷的熔覆層,表面質量致密,與基材呈冶金結合,無開放性缺陷,表面光滑平整。不僅可以在回轉體上加工,也可以在平面和復雜曲面上加工。通過不斷的技術優化,該技術可廣泛應用于煤炭、冶金、海洋平臺、造紙、家電、汽車、船舶、石油、航空航天等行業,成為可替代傳統電鍍技術的綠色再制造工藝。

07激光雕刻

激光雕刻是一種基于數控技術的激光加工工藝,將高能激光束投射到材料表面,利用激光的熱效應在材料表面產生清晰的圖案。被加工材料在激光雕刻的照射下熔化氣化的物理變性,可以使激光雕刻達到加工目的。激光雕刻是利用激光在物體上雕刻字符。用這種技術雕刻出來的文字沒有刻痕,物體表面光滑平整,不會磨損文字。其特點和優點包括:安全可靠;細致,精度可達0.02mm;節約環保和加工材料;根據輸出圖案高速、高速雕刻;成本低,加工數量不受限制等。

08激光3D打印

該工藝采用激光熔覆技術,用激光照射噴嘴輸送的粉末流,直接熔化單質或合金粉末。激光束離開后,合金液快速凝固,實現合金的快速成型。目前已廣泛應用于工業建模、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫學、考古、文化藝術、雕塑、珠寶等領域。

09激光表面處理和再制造的典型工業應用

目前,激光表面處理和增材制造技術、工藝和設備廣泛應用于冶金、礦山機械、模具、石油電力、五金工具、軌道交通、航空航天、機械等行業。

10激光電鍍技術的應用

激光電鍍是一種新型高能束流電鍍技術,對微電子器件和大規模集成電路的生產和修復具有重要意義。目前,雖然激光電鍍、激光燒蝕、等離子激光沉積和激光噴涂的原理還在研究中,但其技術已經在實踐中。當連續激光或脈沖激光照射在電鍍槽中的陰極表面上時,可以大大提高金屬的沉積速率,并且可以通過計算機控制激光束的軌跡來獲得所需的具有復雜幾何形狀的未屏蔽涂層。

激光電鍍在實踐中的應用主要基于以下兩個特征:

①在激光照射區的速度遠高于在體內的速度(約103倍);

②激光控制能力強,能使材料的必要部分析出所需量的金屬。普通電鍍發生在整個電極基板上,電鍍速度慢,難以形成復雜精細的圖案。激光電鍍可以將激光束調整到微米尺寸,并在微米尺寸上進行無屏蔽跟蹤。這種類型的高速跟蹤對于電路設計、電路修復和微電子連接器部件上的局部沉積越來越實用。

與普通電鍍相比,它具有以下優點:

(1)沉積速度快,如激光鍍金可達1μm/s,激光鍍銅可達10μm/s,激光噴射鍍金可達12μm/s,激光噴射鍍銅可達50微米/s;

(2)金屬沉積僅發生在激光照射區域,無需屏蔽措施即可獲得局部沉積涂層,簡化了生產工藝;

(3)涂層的結合力大大提高;

(4)易于實現自動控制;

(5)節約貴金屬;

(6)節省設備投資和加工時間。

當連續激光或脈沖激光照射在電鍍槽中的陰極表面上時,可以大大提高金屬的沉積速率,并且可以通過計算機控制激光束的軌跡來獲得所需的具有復雜幾何形狀的未屏蔽涂層。目前激光噴射強化電鍍新技術將激光噴射強化電鍍技術與電鍍液噴射相結合,使激光和電鍍液同時射向陰極表面,其傳質速率大大超過激光照射引起的微攪拌,從而達到極高的沉積速率。

1未來的發展和創新

展望未來,激光表面處理和增材制造裝備的發展方向可以概括為:

高效率——加工效率高,滿足現代工業的快生產節奏;

高性能——設備功能多樣,性能穩定,適用于不同工況;

高智能——智能水平不斷提高,人工干預較少;

成本低——設備成本可控,耗材成本降低;

定制——設備的個性化定制,精準的售后服務,

復合——將激光技術與傳統加工技術相結合。

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