công nghệ xử lý bề mặt bằng laser

Ưu điểm và nhược điểm của Laser Xử lý bề mặt - Tiết kiệm năng lượng so với quy trình xử lý nhiệt bề mặt thông thường là một lợi thế quan trọng - nhiệt được giới hạn chỉ có một lớp nông c

Công Nghệ Xử Lý Bề Mặt

Bằng Laser

1.Laser trong xử lý vật liệu

Laser đã trở thành một trong những công cụ linh hoạt và mạnh mẽ nhất để xử lý vật liệu. Trong các ứng dụng công nghiệp, tia laser chỉ có thể được coi là một thiết bị để sản xuất một chỉnh tinh, nguồn nhiệt dễ dàng thao tác của một mật độ năng lượng rất cao

Khả năng tạo ra mật độ năng lượng lên đến 10 6 W/cm 2 giấy phép của laser công suất cao được sử dụng cho một loạt các ứng dụng trong lĩnh vực gia công kim loại. Các thông số trong đó xác định phương thức hoạt

động cụ thể là áp dụng mật độ năng lượng và thời gian tương tác (dừng) (thời gian trong thời gian đó các chùm tia laser tương tác với các vật liệu đang được xử lý.)

Ứng dụng xử lý vật liệu với bức xạ laser hiện đang bị chi phối bởi ba loại nguồn laser:

+ CO 2   laser

+ Laser YAG: Nd

+ laser excimer

Hình 1. Cho thấy các chế độ hoạt động cho chế biến laser của vật liệu.

2 Xử lý bề mặt bằng Laser

Đó là tuyên bố rằng việc xử lý laser bề mặt có tiềm năng tăng trưởng lớn nhất trong lĩnh vực chế biến vật liệu laser

Xử lý bề mặt Laser cung cấp một loạt các khả năng để đạt được tính chất bề mặt mong muốn. Điều này được sử dụng để làm giảm hao mòn và cải thiện khả năng chống mệt mỏi của các thành phần máy tính đặc biệt là nơi các lớp bề mặt cứng được yêu cầu trên cơ sở vật liệu khó khăn và có thể rẻ và nơi không có biến dạng nhiệt đo lường được cho phép

Nguyên tắc xử lý bề mặt bằng laser là những thay đổi của một bề mặt như là kết quả của sự tương tác giữa một chùm ánh sáng kết hợp với mật độ năng lượng cao, và bề mặt trong một bầu không khí quy định (khí chân không, bảo vệ hoặc chế biến) Ánh sáng được tạo ra trong một cộng hưởng được hướng lên trên bề mặt của một mẫu

thông qua một hệ thống quang học truyền (hệ thống gương hay sợi quang học). Bắt đầu từ một lượng điện quang trung bình định, mật độ yêu cầu quyền lực, đó là tỷ số công suất đến khu vực chỗ tập trung, và phân bố cường độ trong suốt chùm được sửa đổi bởi chùm tập trung hoặc quang học hình chùm như ống kính, gương, đơn vị quét hoặc tích hợp chùm Trong sự chuyển động của các chùm

tia laser trên phôi, một mô hình có thể được theo dõi liên tục được tạo ra ở bề mặt của một thành phần. Thời gian tương tác sau đó được xác định bởi các mặt cắt ngang của chùm và tỷ lệ thức ăn. Tùy thuộc vào loại quá trình và hình dạng phôi hoặc dịch giai đoạn, hệ thống cổng thông tin hoặc robot có thể được sử dụng mà chuyển động

tương đối như vậy là đạt được. Các phần của một hệ thống xử lý phù hợp đối với các tia hoặc phôi phụ thuộc chủ yếu vào các yêu cầu chính xác, tốc độ xử lý và quần chúng mà phải được xử lý. Thời gian để buộc và sự liên kết của phôi cũng như chi phí đầu tư là những cân nhắc quan trọng khác

Hình 2 Nguyên tắc xử lý bề mặt bằng laser

3 Ưu điểm và nhược điểm của Laser Xử lý bề mặt

- Tiết kiệm năng lượng so với quy trình xử lý nhiệt bề mặt thông thường là một lợi thế quan trọng - nhiệt được giới hạn chỉ có một lớp nông của

- Do đầu vào năng lượng tối thiểu, biến dạng nhỏ hoặc thay đổi chiều của phôi có thể được sau khi xử lý nhiệt;

- Không có nhu cầu hoặc công thức tối thiểu của các bộ phận bằng cách mài cũng có nghĩa là tiết kiệm năng lượng

- Bề mặt cứng có thể đạt được do tự dập tắt của lớp bề mặt quá nóng thông qua dẫn nhiệt vào số lượng lớn lạnh của vật liệu;

- Kể từ khi xử lý nhiệt được thực hiện mà không có bất kỳ đại lý cho dập tắt, các thủ tục là một trong sạch mà không cần phải làm sạch và rửa phôi sau khi xử lý nhiệt;

3.1.3. Tính linh hoạt và năng suất của quá trình:

- Đầu vào năng lượng có thể được điều chỉnh trên một phạm vi rộng bằng cách thay đổi nguồn năng lượng laser, với việc tập trung ống kính có trọng tâm khác nhau, hoặc mức độ khác nhau của phân kỳ (vị trí của các ống kính tiêu cự đối với phôi hoặc chùm tia laser với);

- Khả năng chuyển đổi các chùm tia laser giữa các máy trạm bằng các thiết bị quang học đơn giản ở môi trường không khí;

- Hệ thống quang học có thể được thích nghi với hình dạng hoặc độ phức tạp của sản phẩm bằng các phương tiện của các hình dạng khác nhau của ống kính và gương;

- Nó có thể làm nhiệt-xử lý phần cực kỳ nhỏ hoặc lớn với hình dạng phức tạp bao gồm các lỗ khoan nhỏ cũng như điều trị  khu vực không thể tiếp cận;

- Các phương hướng của các tia trên bề mặt phôi được thực hiện với sự hỗ trợ máy tính;

- Xử lý nhiệt laser là thuận tiện cho việc sản xuất cá thể hoặc khối lượng của các bộ phận;

- Tái lặp và độ tin cậy về chất lượng của lớp bề mặt được xử lý với độ sâu điều khiển chính xác và độ rộng của lớp;

.     

- Mức độ cao của sự phù hợp cho dây chuyền sản xuất kết hợp và tự động hóa các thủ tục

3.2. Việc sử dụng laser để xử lý nhiệt có thể có những khó khăn sau đây:

- Phân phối năng lượng không đồng nhất trong chùm tia laser;

- Trường nhiệt độ rất hẹp đảm bảo những thay đổi cơ cấu vi nhằm mục đích;

- Điều chỉnh chuyển động học điều kiện của phôi hoặc chùm tia laser để hình dạng sản phẩm khác nhau;

- Kém sự hấp thụ của ánh sáng laser trong tương tác với bề mặt vật liệu kim loại

Như với tất cả các phương pháp tia năng lượng khác, bề mặt được xử lý phải tiến xây dựng lên bởi một loạt các bài nhạc trùng lặp. Theo dõi độ rộng khác nhau tùy theo loại thời gian tương tác laser và mật độ năng lượng, nhưng thường là ~ 0,5-2 mm. Do đó, nhiều đèo tia năng lượng được yêu cầu trước khi xử lý xong. Tuy nhiên, bởi vì tia năng lượng có tốc độ quét là thường nhanh chóng, thời gian xử lý kinh tế cho mỗi thành phần đơn vị vẫn còn có thể

4 Phân loại Laser Quy trình Xử lý bề mặt

Việc phân loại phổ biến nhất được cung cấp cho các quá trình LST tìm thấy trong tài liệu kỹ thuật sử dụng ba loại chính sau đây:

Hình 3 Phân loại các quá trình LST

4.1. Bề mặt sưởi

Trong nhóm này LST phân bố nhiệt độ không bao giờ vượt quá nhiệt độ nóng chảy của vật chất, và laser có thể được coi đơn giản là một nguồn nhiệt phục vụ cho bất kỳ công nghệ xử lý nhiệt cục truyền thống, tức là ngọn lửa hoặc cảm ứng cứng. Tuy nhiên có một số hạn chế rất quan trọng

- Tia laser không thể được về kinh tế áp dụng cho các quá trình xử lý nhiệt lượng lớn, nó thường là chỉ thích hợp cho xử lý bề mặt;

- Do lãi sưởi ấm và làm mát cực kỳ cao, chùm tia laser như là nguồn nhiệt là không thích hợp để thay thế cho phương pháp sưởi ấm khác, nơi

- Xem xét thời gian tương tác rất ngắn, tính đồng nhất của laser xử lý được ảnh hưởng bởi vi cấu trúc trước của lớp Các tốt hơn vi cấu trúc đồng

Mặc dù tài liệu kỹ thuật đề cập đến một số khả năng ủ tia laser là tốt, công nghệ cơ bản thuộc nhóm này của LST là chuyển đổi Laser Hardening (LTH)

4.1.1. Laser chuyển đổi làm đông cứng

Chuyển đổi làm đông cứng Laser như một kỹ thuật chế biến mới cho sản xuất được biết đến và đã được sử dụng từ đầu những

năm 1970. Bước đột phá của kỹ thuật này, tuy nhiên, vẫn chưa xảy ra. Điều này là do các chi phí lắp đặt rất cao của thiết bị laser

và vì một số lợi thế của quá trình giảm khi sử dụng lớp phủ hấp thụ thường được yêu cầu

Quá trình làm cứng bề mặt là về cơ bản không khác nhau từ cứng cục thông thường của thép tức là cứng ngọn lửa và cảm ứng cứng . Trong các quá trình một lớp bề mặt được chuyển thành Austenit, và sau đó dừng bằng cách trừu tượng nhiệt của vật liệu lạnh số lượng lớn hoặc một phương tiện truyền thông bên ngoài, do đó làm tăng độ cứng và cường độ thu được bằng cách làm nguội thép từ các khu vực Austenite để tạo thành cứng Mactenxit . LTH như làm cứng khu vực khác với thông thường qua làm cứng trong đó chỉ có một lớp bề mặt mỏng được đun nóng đến nhiệt độ Austenit trước khi dập tắt, để lại bên trong của các phôi cơ bản không bị ảnh hưởng, bởi vì thời gian đầu vào năng lượng rất ngắn. Một xem xét rất quan trọng trong quá trình này là tránh sự tan chảy

So với ngọn lửa hoặc cảm ứng cứng, tia laser có thể tạo ra các luồng năng lượng cường độ cao hơn tại các bề mặt phôi (xem

Bảng 1.1), và các cấu nhiệt độ dẫn đến các phôi thường có thể được thực hiện đủ dốc để bỏ qua sự cần thiết cho các phương tiện

Bảng 1.1 Mật độ năng lượng có thể đạt được bằng phương pháp sưởi ấm khác nhau

Trong những năm gần đây, laser công nghiệp đã trở thành có sẵn cho sử dụng kim loại, bao gồm cả cứng bề mặt. Laser CO2 (sóng dài: 10,6 mm)

và ND: YAG (sóng dài: 1,06 mm) rất lý tưởng cho cứng bề mặt, vì chúng có thể gây ra biến đổi làm cứng ở các vùng có chọn lọc

4.2. Nhiệt độ nóng chảy bề mặt

Bất cứ khi nào nhiệt độ của bất kỳ điểm của đường vượt quá nhiệt độ nóng chảy của vật liệu bề mặt, chúng ta phải phân loại xử lý

như tan chảy bằng laser

4.2.1. nấu chảy Laser

Lý do chính cho tan chảy bề mặt laser là để có được các đặc tính tốt hơn như là kết quả của kiên cố hoá nhanh chóng. Mức dập

tắt có thể cao như những người đạt được trong kỹ thuật kiên cố nhanh chóng khác, ví dụ như làm tan sợi hoặc bột mù hóa Cải thiện sự ăn mòn hoặc mặc các thuộc tính có thể đạt được trong các hợp kim loại màu và kim loại màu qua tinh cấu vi, giảm sự phân biệt, và việc sản xuất của các giai đoạn không cân bằng

Hầu hết tái khẳng định nỗ lực đã được chuyển tới bề mặt nóng chảy của gang, thép công cụ, thép không gỉ, titan và hợp kim

nhôm để cải thiện độ cứng bề mặt, cấu trúc tinh tế, ăn mòn và mài mòn đặc tính kháng.  Tuy nhiên, nứt của lớp xử lý do ứng suất còn cao và độ cứng đôi khi cao vẫn còn một vấn đề lớn chưa được giải quyết, đặc biệt là trong trường hợp gang

Nấu chảy Laser là lợi ích thương mại vì nó có khả năng làm thay đổi với độ chính xác tính chất của khu vực bề mặt rất cục bộ mà không tái chế các vật liệu như một

toàn thể Bằng cách lựa chọn một đầu vào năng lượng thích hợp, chúng ta có thể đạt được tốc độ nhiệt cục bộ nhanh hơn nhiệt độ nóng chảy của các lớp bề mặt đó, sau quá trình làm mát được hoàn thành, cho phép chúng ta có được một lớp điều chỉnh độ sâu mong muốn Tốc độ làm nguội lớp bề mặt nhằm mục đích có thể được khá dễ dàng đạt được bằng cách truyền nhiệt nhanh chóng vào phần còn lại của số lượng lớn lạnh của phôi.

Quá trình nấu chảy tia laser tan chảy và sửa lại có chất nền của vật liệu phù hợp, để sản xuất các cấu trúc hạt rất tốt với cải thiện mòn và chống ăn mòn Xử lý này cũng có thể được sử dụng để loại bỏ các khuyết tật bề mặt hoặc cải thiện interity (tính đồng nhất,

độ bám dính) của lớp phủ lớp phủ áp dụng các kỹ thuật điện

4.2.2 Laser kính

Nó cũng được gọi là thủy tinh hóa laser Quá trình này có thể đạt được bằng cách nung chảy bề mặt với một chùm tia laser có mật

độ công suất khoảng 105-107 W/cm2 trong khoảng 10-4 đến 10-7 giây Tốc độ làm lạnh vượt quá 105 K/s có thể được thực hiện

mà ức chế quá trình tạo mầm và tinh thông thường mà đi cùng kiên cố Thay vào đó, vô định hình hoặc vitrified lớp (kính) bề mặt được sản xuất Các Nd-YAG hoặc Excimer laser được đặc biệt phù hợp cho laser kính

4.2.3 Laser hợp kim bề mặt

Một chùm tia laser công suất cao có thể được sử dụng để thay đổi không chỉ vi cấu trúc nhưng cũng có những thành phần hóa học của một lớp bề mặt Bề mặt Laser hợp kim (LSA) thúc đẩy sự tan chảy, trộn và hợp kim của các tác nhân tạo hợp kim và các chất nền cơ bản Bề mặt hợp kim bằng máy laser cải thiện tính chất bề mặt, chẳng hạn như độ cứng, mặc và chống ăn mòn trong khi vẫn giữ không thay đổi cùng một lúc các thuộc tính số lượng lớn mong muốn Quá trình này liên quan đến sự nóng chảy của một lớp hợp kim mỏng vào một bề mặt mang lại một lớp bề mặt hợp kim với thành phần mong muốn bằng cách kiểm soát mức độ pha trộn giữa các lớp hợp kim và chất nền

Trong phương pháp xử lý nhiệt hóa khi vật liệu bổ sung thêm song song với bề mặt nóng chảy xử lý được cho là "một bước" và xử

lý, trong đó các vật liệu bổ sung được đặt trên các phôi trước khi chiếu bề mặt bằng tia laser cho là "hai bước"

Kỹ thuật khác nhau của loại đó của phương pháp xử lý được nêu chi tiết dưới đây:

 - Một bước tạo hợp kim

+ Cung cấp bột hợp kim hoặc dây vào vùng nóng chảy đồng thời với chiếu xạ

+ Laze bề mặt tan các chất nền trong một bầu không khí kiểm soát khí như N2 Quá trình này được gọi là Laser khí hợp kim

- Hai bước tạo hợp kim:

+ Sự thăm dò một lớp của nguyên tố hợp kim bằng cách mạ điện, lắng đọng hơi, cấy ion, phun nhiệt,…

+ Sự thăm dò một tấm mỏng, dây hoặc bột có hoặc không có ràng buộc đại lý trên các chất nền

Các đặc điểm chính của quá trình này là khả năng sản xuất một lớp bề mặt có một lựa chọn gần như không giới hạn các tác phẩm hợp kim với vi cấu trúc mịn và đồng nhất thích hợp cho các yêu cầu. độ dày tiêu biểu của lớp bề mặt hợp kim là khác nhau, 0,001-2

mm. Độ dày và thành phần của bề mặt được xử lý có thể được điều chỉnh bằng cách kiểm soát cường độ năng lượng laser và thời gian tương tác

4.2.4 Laser hạt phun

Một chùm mật độ năng lượng cao cung cấp năng lượng nhiệt cần thiết cho tan chảy Trong loại laser bảo vệ phương pháp xử lý oxy hóa được cung cấp bởi một tấm vải liệm khí Hợp kim nguyên tố hoặc các hạt được tiêm vào vùng nóng chảy, mà không nhằm mục của sự tan chảy của các hạt tiêm kỹ thuật như vậy rất "line-of-sight 'và dễ dàng nhất áp dụng cho các bề mặt bên ngoài Thông thường vật liệu tổng hợp hạt

kim loại gốm được sản xuất, có một tiềm năng lớp cho các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là chống ma sát và chống mài mòn vật liệu Cacbua khối lượng từ 20-30% cho cải thiện khả năng chịu bởi một yếu tố của khoảng 20 đến 40 lần cho nhôm mài mòn Hình thành các lớp tổng hợp hạt bằng cách sử dụng quá trình phun hạt tia laser nóng chảy đã được báo cáo từ những năm 80

4.2.5 Laser ốp

Ốp liên quan đến việc liên kết hợp nhất của một lớp vật liệu khác nhau vào một bề mặt với nhiệt độ nóng chảy tối thiểu của kim

loại nền Bằng cách này pha trộn giữa các lớp bọc và chất nền được giới hạn trong giao diện để các thuộc tính của lớp bọc sẽ không bị ảnh hưởng bởi sự pha loãng với bề mặt Trong khi tất cả các phương pháp điều trị bề mặt Laser trước thuộc loại công nghệ sửa đổi bề mặt, lớp sơn phủ nên được xem là một quá trình sơn

Trong số tất cả các quá trình laser, tấm ốp cung cấp nhiều nhất các khả năng để thay đổi một thành phần ở bề mặt của nó Lớp phủ bằng một vật liệu hoàn toàn khác nhau cho phép tính chất bề mặt khác nhau đáng kể vào những số lượng lớn Ốp Laser cho phép pha loãng thấp của lớp phủ với vật liệu khối kết hợp với một liên kết luyện kim giữa các lớp và các bề mặt so với các kỹ thuật sơn phủ khác như phương pháp phun nhiệt

Các lớp phủ có thể áp dụng một số phương pháp và họ là như sau:

tỷ lệ nguồn cấp bột, kích thước bột, vị trí của vòi phun nguồn cấp và góc chiếu

Sau đó là cơ bản quan trọng để kiểm soát độ rỗng của lớp Nếu một đường thẳng có một góc hẹp, sau đó độ xốp rất có thể xảy ra khi những đường thẳng được chồng chéo so với những đường thẳng duy nhất với góc tù

Nó sẽ được đưa vào xem xét rằng tấm ốp laser là một quá trình tốn kém nhất, vì giá cho vật liệu phủ ở dạng bột, dây, băng hoặc dán thường lớn hơn chi phí xử lý laser

Ngoài ra năng lượng đầu vào cao hơn có thể dẫn đến một sự biến dạng cao hơn và mức độ căng thẳng nội bộ Vì vậy, nó là cần thiết hơn để kiểm soát quá trình

Các đặc điểm chính của quá trình này là:

- Khả năng để tạo ra cầu chì ngoại quan lớp với sự kết hợp không giới hạn của các hợp kim thích hợp cho các yêu cầu, ví dụ cacbua vonfram, silicon,… trong một nền coban trên một bề mặt bằng thép nhẹ;

- Biến dạng nhiệt tối thiểu để các thành phần như là chỉ có đầu vào nhiệt cục bộ có liên quan tại các khu vực quan tâm;

- Phức tạp 2 hoặc 3 chiều cấu hình có thể được lớp bọc