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      激光清洗之外的激光表面處理技術
      材料來源:水滴激光           錄入時間:2023/8/21 23:11:40

      長期以來,激光技術以焊接、切割和打標的廣泛使用為人們所知,這兩年隨著激光清洗的逐漸普及,激光表面處理的概念才越來越多地成為人們關注的焦點,出現在人們的腦海中。激光以非接觸方式加工,高柔性、高速無噪聲、熱影響區小無損基材,無耗材且環保低碳。

      激光表面處理除了激光清洗之外,其實還有非常多的應用類別,例如激光拋光、激光熔覆、激光淬火等等。這些方法被用在改變材料表面的特定物理化學性能上,比如使表面加工成具有疏水性的功能,或者用激光脈沖產生直徑約為10微米,深度僅為幾微米小凹陷,以此來增加粗糙度、增強表面附著力等等。

      除了激光清洗,下面幾種激光表面處理方式你都知道嗎?

      01.激光淬火

      激光淬火是加工高應力復雜部件的解決方案之一,可以令凸輪軸和折彎工具等磨損較高的零部件承受更高的應力,延長壽命。

      它的原理是通過將含碳工件的表皮被加熱到略低于熔化溫度(900 -1400°C,40%的輻照功率被吸收),使金屬晶格中的碳原子重新排列(奧氏體化),而后激光束沿進給方向穩定加熱表面,隨著激光束的移動周圍的材料快速冷卻,金屬晶格無法恢復其原始形式,從而產生馬氏體,使硬度顯著增加。

      激光硬化達成的碳鋼外層硬化深度通常為0.1-1.5mm,在某些材料上可以做到2.5mm或更大。相較于傳統的淬火方式它的優點在于:

      1. 目標熱輸入僅限于局部區域,因此在加工過程中幾乎沒有組件翹曲。返工成本減少,甚至可完全消除;

      2. 在復雜的幾何型面和精密的部件也能硬化,可以實現傳統淬火方法無法淬火的局部受限的功能表面精確硬化;

      3. 無失真。傳統的硬化過程中由于更高的能量輸入和淬火而產生變形,但在激光硬化過程中,由于激光技術和溫度控制,可以精確控制熱量輸入。組件幾乎保持其原始狀態;

      4. 可以“即時”快速更改部件的硬度幾何形狀。這意味著無需轉換光學器件/整個系統。

      02.激光毛化

      激光毛化是金屬材料表面改性的工藝手段之一。在結構化過程中,激光在層或基材中創建規則排列的幾何形狀,以便有針對性地改變技術特性并開發新功能。作用過程大致是使用激光輻射(通常是短脈沖激光)以可重復的方式在表面上生成規則排列的幾何形狀。激光束以受控方式熔化材料,并通過適當的工藝管理固化成確定的結構。

      例如疏水性表面結構可以讓水從表面流掉。用超短脈沖激光器在表面創造亞微米結構就可以實現這個特性,并可以通過改變激光參數對所要創造的結構進行精確控制。相反的效果,例如親水性表面,同樣可以實現;

      水滴激光通過相關工藝提高表面粗糙度

      汽車面板要涂漆,必須讓薄板表面均勻分布“微坑”以增強漆料的附著力,用每秒數千至上萬次的脈沖激光束聚焦后入射到軋輥表面,在聚焦點處軋輥表面形成微小溶池,同時對微小溶池側吹,讓溶池中的溶融物按指定要求盡量堆積到溶池邊緣形成圓弧形凸臺,這些小凸臺和微坑既可提升材料表面的粗糙度增加漆料的附著力,又可以提高材料的表面硬度,延長使用壽命。

      某些特性是由激光結構產生的,如一些金屬材料的摩擦特性或導電導熱性。此外,激光結構化也增加了工件的粘合強度和使用壽命。

      相較傳統方式,表面激光結構化更加環保,不需要額外的噴砂劑或化學物質;可重復且精確,激光實現了精確到微米的受控結構,并且非常容易復制;低維護,與快速磨損的機械工具相比,激光是非接觸式的,因此絕對無磨損;無需后處理,激光加工的部件上不會留下熔體或其他加工殘留物。

      03.激光炫彩表面處理

      激光回火常用在激光炫彩表面處理上,又稱做激光彩色打標。工藝原理是激光加熱材料時,將金屬局部加熱到略低于其熔點,在適當的工藝參數下,此時柵極的結構會發生變化;在工件表面會形成氧化層,這層薄膜在光的照射下,入射光干涉使各種回火色在這時出現,表面生成的這一層幻彩的打標層,隨著不用的觀察角度而變化,標記的圖案也會變幻出各種不同的顏色。

      水滴激光發表關于超快激光炫彩表面處理的報告

      這些顏色在高達約 200 °C 時保持溫度穩定。溫度更高時,柵極會恢復其初始狀態—打標消失。表面質量將完整保留。在防偽的應用上具有高度的安全性和可追溯性。近年來已成熟運用于醫療技術領域,除了通過超短脈沖激光器進行全新的黑色打標外,還非常適合進行產品標識,從而根據 UDI 指令實現唯一可追溯性。

      04.激光熔覆

      是一種適合金屬和金屬陶瓷混合材料的增材制造工藝。借此可以打造或修改 3D 幾何形狀。使用該生產方法,激光也可以進行修復或鍍膜。因此在航空航天領域,增材制造被用于修復渦輪葉片。

      在工具和模具制造領域,可以修復破裂或磨損的邊緣和造形功能表面,或者甚至是在局部加裝裝甲。為了防止磨損和腐蝕,在能源技術或石油化學領域,為軸承位置、滾子或液壓部件鍍膜。而且在汽車制造領域也使用增材制造。在此對大量部件進行改良。

      在常規的激光金屬熔覆中,激光束先局部加熱工件,然后形成熔池。然后從激光加工頭的噴嘴將精細金屬粉直接噴入熔池。在高速激光金屬熔覆過程中,粉末顆粒在基底表面上方就已經幾乎加熱到了熔化溫度。因此,熔化粉末顆粒只需要較少的時間。

      效果:明顯提升流程速度。由于熱效應更小,通過高速激光金屬熔覆也可以為對熱非常敏感的材料,如鋁合金和鑄鐵合金,進行涂層。通過 HS-LMD 工藝可以在旋轉對稱表面上形成很高的表面速率,最高達 1500 cm²/min。同時實現高達每分鐘數百米的進給速度。

      通過激光粉末激光金屬熔覆快速、輕松地修復昂貴的部件或模具。大大小小的損傷都可以迅速修復,且幾乎無痕。也可以更改設計。從而節省時間、能源和材料。尤其是針對昂貴的金屬,如鎳或鈦,相當值得。典型的應用示例有渦輪葉片、各種活塞、閥門、軸或模具。

      05.激光熱處理

      數千個微型激光器(VCSEL)被安裝在了單塊芯片上。每個發射器上均裝有 56 塊這樣的芯片,而 一個模塊則由若干個發射器構成。矩形輻射區可包含數百萬個微型激光器并且可輸出數千瓦的紅外激光功率。

      VCSEL 通過大面積的定向矩形光束橫截面可生成輻射強度為100 W/cm² 的近紅外光束。原則上,這種技術適用于所有對表面和溫度控制精準性要求極其嚴苛的工業流程。

      激光熱處理模塊尤為適合精度要求嚴苛且靈活的大面積加熱應用場景。相較于傳統的加熱方法,這種新型加熱工藝擁有更高的靈活性、精度和成本節約性。

      該技術可用于密封袋式電池片,防止鋁箔起皺,從而延長電池的使用壽命。也可用于烘干電池鋁箔、對太陽能電池板進行光浸潤、對特定材料(例如鋼和硅晶圓)的待加熱區域進行精準處理等等應用中。

      06. 激光拋光

      激光拋光技術的機理是表面窄熔和表面過熔,依靠的是表面的重熔和激光重熔層的再凝固。當金屬表面被足夠高能量的激光所照射時,其表面經受一定程度的重熔,再分布和通過表面拉應力和重力的作用下,在凝固之前實現了光滑表面。

      熔化層的整個厚度小于波谷到波峰的高度,從而讓整個熔化的金屬填充到附近的波谷中,這一填充的驅動力是通過毛細效應來實現的,而較厚的熔化層則會促使液體金屬從熔池中心向外流動,驅動力是熱毛細效應或馬可尼效應,從而讓其重新分布。

      應用案例如輕型大型望遠鏡光學部件(尤其是大尺寸和復雜形狀反射鏡)的材料碳化硅陶瓷。RB-SiC作為一種典型的高硬度、復相材料,表面精密拋光技術困難,效率較低。通過飛秒激光對預涂有Si粉的RB-SiC表面進行改性,僅經過4.5小時的拋光,即可得到表面粗糙度Sq 為4.45 nm的光學表面,與直接研磨拋光相比,拋光效率提高了3倍以上。激光拋光還廣泛應用在模具、凸輪及渦輪葉片的拋光方面。

      07.激光噴丸

      激光沖擊強化也稱做激光噴丸,是將高能量密度、高聚焦、短脈沖激光(λ=1053nm)輻照金屬零件表面,表層金屬(或吸收層)在高功率密度激光的作用下瞬間形成等離子體爆炸,爆炸沖擊波在約束層的束縛下向金屬零件內部傳遞,使表層晶粒產生壓縮塑性變形,在零件表層較厚范圍內獲得殘余壓應力、晶粒細化等表面強化效果。對比傳統的機械拋丸具有以下優勢

      1.定向性強:激光以可控的角度作用于金屬表面,能量轉換效率高,而機械彈丸撞擊角度隨機;

      2.作用力大:激光噴丸等離子體爆破產生的瞬間壓強高達數GPa;功率密度大:激光沖擊峰值功率密度達到幾到幾十GW/cm2;

      3.表面完整性好:激光沖擊對表面幾乎無濺射效應,而機械噴丸后,表面形貌受損產生應力集中。

      激光沖擊后的最大壓應力值更優,表面殘余壓應力提高約40%~50%,對工件的耐疲勞壽命、抗高溫和彎曲成型等相關指標數值上都有顯著提升。目前已應用在飛機表面處理、航空發動機表面處理等領域。

      深圳水滴激光作為國內激光清洗領域頭部企業,在激光表面處理技術的其他方向也進行了卓有成效的開發與應用。

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