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              激光技術在表面處理中的應用

              發布時間:2023-09-18  來源:山東產研強遠激光科技有限公司

              激光表面處理是采用大功率密度的激光束,以非接觸性的方式加熱材料表面。借助于材料表面本身傳導冷卻,來實現其表面改性的工藝技術。它在改善材料表面的力學性能和物理性能,以及提高零件的耐磨、耐蝕、耐疲勞性能方面大有裨益。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。
              1.激光清洗
                激光清洗是目前快速發展的新型表面清潔技術,其采用高能脈沖激光束照射工件表面,使表面的污物、顆;蛲繉铀查g蒸發或膨脹剝離,從而達到潔凈化的工藝過程。激光清洗主要分為除銹、除油、除漆、除涂層等工藝;主要應用于金屬類清洗,文物類清洗,建筑類清洗等。基于其功能全面、加工精準靈活、高效節能、綠色環保、對基材無損傷、智能、清洗質量好、安全、應用范圍廣等特點和優勢,它在各個工業領域愈發受青睞。  與機械摩擦清洗、化學腐蝕清洗、液體固體強力沖擊清洗、高頻超聲清洗等傳統清洗方法相比,激光清洗具有明顯的優點。
              2.激光淬火
                激光淬火采用高能量激光作為熱源,使金屬表面快熱快冷,瞬間完成淬火過程,得到高硬度、超細的馬氏體組織,提高金屬表面的硬度和耐磨性,并且在表面形成壓應力,提高抗疲勞能力。這項工藝的核心優勢包括熱影響區小、變形量小、自動化程度高、選區淬火柔性好、細化晶粒硬度高和智能環保。譬如激光光斑可調,能夠對任意寬度的位置進行淬火;其次,激光頭配合多軸機器人聯動,可對復雜零件的指定區域進行淬火。又如,激光淬火極熱速冷,淬火應力及變形小。激光淬火前后工件的變形幾乎可以忽略,因此特別適合高精度要求的零件表面處理。  當前,激光淬火已成功應用于汽車行業、模具行業、五金工具、機械行業中易損件的表面強化,尤其是在提高齒輪、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:  1)激光淬火是快速加熱、自激冷卻,不需要爐膛保溫和冷卻液淬火,是一種無污染綠色環保熱處理工藝,可以很容易實行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,又是表面掃描加熱淬火,即瞬間局部加熱淬火,所以被處理的模具變形很;  3)由于激光束發散角很小,具有很好的指向性,能夠通過導光系統對模具表面進行精確的局部淬火;  4)激光表面淬火的硬化層深度一般為0.3~1.5mm。
              3.激光退火
                激光退火是指利用激光加熱材料表面,將材料曝露于高溫一段很長時間后,然后再慢慢冷卻的熱處理制程。該工藝主要目的是釋放應力、增加材料延展性和韌性、產生特殊顯微結構等。其特點是能夠調整基體組織、降低硬度、細化晶粒和消除內應力。近年來,激光退火技術也成為半導體加工行業的一種新工藝,可大幅提高集成電路的集成度。
              4.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沖擊波,提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術。它具有無熱影響區、能量高效利用、超高應變率、可控性強以及強化效果顯著等突出優點。同時,激光沖擊強化具有更深的殘余壓應力、更好的微觀組織和表面完整性、更好的熱穩定性以及更長的壽命等特點。近年來該技術獲得了迅速發展,在航空航天和國防軍工等領域大有用武之地。另外,使用涂層的作用主要是保護工件不被激光灼傷并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等。  激光噴丸(LP),又稱激光沖擊強化(LSP),是一種應用于表面工程領域的工藝,即利用脈沖高功率激光束在材料中產生殘余應力,以提升材料表面的耐損性(如耐磨性和抗疲勞性),或提高材料薄截面強度,以加強材料表面硬度。  與多數材料加工應用不同,LSP并非利用激光功率進行熱處理以達到預期效果,而是利用光束沖擊進行機械加工。高功率激光束用高功率短脈沖沖擊目標工件表面。  光束沖擊金屬工件,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。有時會在工件上附加薄層不透明覆面材料,用于代替金屬蒸發。為了增壓,利用其他透明覆面材料或慣性干擾層捕捉等離子體(通常為水)。  等離子體產生沖擊波效應,在撞擊點重塑工件表面微觀結構,繼而產生金屬擴膨脹和壓縮的連鎖反應。該反應產生的深層壓縮應力可延長部件壽命。
              5.激光合金化
                激光合金化是一種新型的表面改性技術,可針對航空材料不同的服役條件,利用高能密度激光束加熱冷凝速率快等特點,在結構件表面制備非晶一納米晶增強金屬陶瓷復合涂層,達到航空材料表面改性的目的。激光熔覆技術相對激光合金化技術具有基材對熔池的稀釋率小、熱影響區小、工件受熱形變小及激光熔覆處理后工件報廢率小等特點。激光熔覆可顯著改善材料的表面性能,可針對磨損失效材料進行修復,具有效率高、速度快、綠色環保無污染及處理后工件性能好等特點。
              6.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表面改性新技術之一。激光熔覆技術因無污染且制備出的涂層與基材呈冶金結合等優點已成為當代鈦合金表面改性的研究熱點。采用激光熔覆陶瓷涂層或陶瓷顆粒增強復合材料涂層是提高鈦合金表面附磨性的有效途徑。根據實際工況要求選擇合適的材料體系,采用激光熔覆技術可達最佳的工藝要求。激光熔覆技術可以修復各種失效零部件,如航空發動機葉片等。
                激光表面合金化與激光表面熔覆不同之處在于,激光表面合金化是使添加的合金元素和基材表層在液態下充分混合而形成合金化層;而激光表面熔覆則是使預涂層全部熔化而基材表層微熔,從而使熔覆層與基材材料形成冶金結合而保持熔覆層的成分基本不變。激光合金化和激光熔覆技術主要用來提高鈦合金的表面耐磨、耐蝕和抗級化等性能。  目前,激光熔覆技術已廣泛應用于金屬表面的修復改性,但傳統激光熔覆雖然有柔性加工、異形修復、自定義增材等優勢和特點,但工作效率偏低,對于部分生產領域中所要求的大規?焖偕a加工需求,仍無法滿足。為了滿足大批量高速生產需求,提高熔覆工作效率,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,熔覆層表面質量致密,與基材呈冶金結合,無開口性缺陷,表面光滑平整。不僅能夠在回轉體上進行加工,也能在平面和復雜曲面上進行加工。通過持續的技術優化,該技術可廣泛應用于煤炭、冶金、海洋平臺、造紙、民用家電、汽車、船舶、石油、航空航天行業,成為可替代傳統電鍍技術的一種綠色再制造工藝。
              7.激光雕刻
                激光雕刻加工是利用數控技術為基礎,將高能量的激光束投射到材料表面,利用激光產生的熱效應,在材料表面產生清晰圖案的激光加工過程。加工材料在激光雕刻照射下瞬間的熔化和氣化的物理變性,能使激光雕刻實現加工目的。激光雕刻就是運用激光在物件上面刻寫文字,這種技術刻出來的字無刻痕,物體表面光滑平整,字跡亦不會磨損。其特點和優勢涵蓋:安全可靠;精確細致、精度可達到0.02mm;節約環保、加工節省材料;高速快捷、可根據輸出的圖樣高速雕刻;成本低廉、不受加工數量限制等。
              8.激光3D打印
                該工藝采用激光熔覆技術,使用激光照射噴嘴輸送的粉末流,直接熔化單質或合金粉末,在激光束離開后,合金液體快速凝固,實現合金快速成型。目前,已在工業造型、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、雕刻、首飾等領域獲得廣泛應用。
              9.激光表面處理及再制造典型行業應用

                當前,激光表面處理及增材制造技術、工藝和裝備被廣泛應用于冶金、礦山機械、模具、石油電力、五金工具、軌交、航空航天、機械等行業。


              10.激光電鍍技術的應用
                激光電鍍是新興的高能束流電鍍技術,它對微電子器件和大規模集成電路的生產和修補具有重大意義。目前,雖然激光電鍍原理、激光消融、等離子激光沉積和激光噴射等方面還在研究之中,但其技術已在實用。當一種連續激光或脈沖激光照射在電鍍池中的陰極表面時,不僅能大大提高金屬的沉積速度,而且可用計算機控制激光束的運動軌跡而得到預期的復雜幾何圖形的無屏蔽鍍層。  激光電鍍應用于實際主要基于以下兩種特征:  ①在激光照射區域的速度比在本體的電鍍速度高得多(約103倍);  ②激光的控制能力強,可使材料的必要部分析出所需的金屬量。普通電鍍發生在整個電極基體上,電鍍速度慢,難以形成復雜和精細的圖案。采用激光電鍍可把激光束調節到微米大小,在微米尺寸上進行無屏蔽描圖。對于電路設計、電路修復和在微電子連接器部件上的局部沉積,這類型的高速描圖愈來愈有實際意義。  與普通電鍍相比,其優點是:   (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50μm/s;  (2)金屬沉積僅發生在激光照射區域,無需采用屏蔽措施便可得到局部沉積鍍層,從而簡化了生產工藝;   (3)鍍層結合力大大提高;   (4)容易實現自動控制;  (5)節約貴金屬;  (6)節省設備投資和加工時間。   當一種連續激光或沖激光照射在電鍍池中的陰極表面時,不僅能大大提高金屬的沉積速且可用計算機控制激光束的運動軌跡而得到預期的復雜幾何圖形的無屏蔽鍍層。目前的激光噴射強化電鍍的新技術,將激光強化電鍍技術與電鍍液噴射結合起來,使激光與鍍液同步射向陰極表面,其傳質速度大大超過激光照射所引起的微觀攪拌的傳質速度,從而達到很高沉積速度。
              11.未來發展與創新
                展望未來,激光表面處理及增材制造設備發展方向可歸納為以下幾點:高效率——加工效率高,滿足現代工業快速生產節奏;高性能——設備功能多樣化,性能穩定,適用不同工況;高智能——智能化水平不斷提升,人工干預少;低成本——設備成本可控,耗材成本降低;定制化——設備個性化定制,精準售后服務,以及復合化——激光技術與傳統加工技術相結合。


              轉自:表面處理技術  

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