برای مدت طولانی، فناوری لیزر به دلیل استفاده گسترده آن در جوشکاری، برش و علامت گذاری شناخته شده است. در دو سال گذشته و با رواج تدریجی پاکسازی با لیزر، مفهوم درمان سطحی لیزر بیش از پیش مورد توجه مردم قرار گرفته و در ذهن مردم ظاهر شده است. پردازش لیزری غیر تماسی، بسیار انعطاف پذیر، پرسرعت و بدون سر و صدا، با ناحیه کوچک متاثر از حرارت و بدون آسیب به بستر، بدون مواد مصرفی و سازگار با محیط زیست و کربن کم است.
علاوه بر تمیز کردن لیزر، درمان سطح لیزر در واقع دارای دسته بندی های کاربردی بسیاری مانند پولیش لیزری، روکش لیزری، کوئنچ لیزری و غیره است. آبگریز یا استفاده از پالسهای لیزر برای ایجاد فرورفتگیهای کوچک با قطر حدود 10 میکرون و عمق تنها چند میکرون، بهمنظور افزایش زبری و افزایش چسبندگی سطح.
آیا علاوه بر تمیز کردن لیزر، روش های لیزر سطح زیر را می شناسید؟
01. کوئنچ با لیزر
کوئنچ با لیزر یکی از راه حل های پردازش قطعات پیچیده پراسترس است. این می تواند باعث شود قطعات با سایش بالا مانند میل بادامک و ابزار خمشی در برابر استرس بالاتر مقاومت کرده و عمر را افزایش دهد.
اصل آن این است که اتمهای کربن در شبکه فلزی (آستنیزاسیون) را با گرم کردن سطح قطعه کار حاوی کربن تا کمی کمتر از دمای ذوب ({1}} درجه 40 درصد از قدرت تابش جذب میشود) مرتب میکند و سپس پرتو لیزر به طور پایدار سطح را در جهت تغذیه گرم می کند. با حرکت پرتو لیزر، مواد اطراف به سرعت سرد می شوند و شبکه فلزی نمی تواند به شکل اولیه خود بازگردد و در نتیجه مارتنزیت تولید می شود که سختی را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.
عمق سخت شدن لایه بیرونی فولاد کربنی که با سخت شدن لیزری به دست میآید معمولاً 0 است.1-1.5 میلیمتر، و در برخی مواد میتواند 2.5 میلیمتر یا بیشتر باشد. در مقایسه با روش های سنتی خاموش کردن، مزایای آن عبارتند از:
1. ورودی گرمای هدف محدود به همان منطقه است، بنابراین تقریباً هیچ تاب خوردگی جزء در طول پردازش وجود ندارد. هزینه های دوباره کاری کاهش می یابد یا حتی به طور کامل حذف می شود:
2. همچنین می تواند بر روی سطوح پیچیده هندسی و قطعات دقیق سخت شود و می تواند به سخت شدن دقیق سطوح عملکردی محدود شده محلی دست یابد که با روش های خاموش کردن سنتی نمی توان آنها را خاموش کرد:
3. بدون تحریف. فرآیندهای سختکاری سنتی به دلیل انرژی ورودی و خاموش شدن بالاتر تغییر شکلهایی ایجاد میکنند، اما در فرآیندهای سختکاری لیزری، به دلیل فناوری لیزر و کنترل دما، میتوان حرارت ورودی را دقیقاً کنترل کرد. جزء تقریباً در حالت اولیه خود باقی می ماند:
4. هندسه سختی جزء را می توان "فورا" تغییر داد. این بدان معنی است که نیازی به تبدیل اپتیک / کل سیستم نیست.
02. تکسچرینگ لیزری
بافت لیزری یکی از ابزارهای فرآیندی برای اصلاح سطح مواد فلزی است. در طول فرآیند ساختار، لیزر هندسه های مرتبی را در لایه یا بستر ایجاد می کند تا ویژگی های فنی را به صورت هدفمند تغییر دهد و عملکردهای جدیدی ایجاد کند. این فرآیند تقریباً استفاده از تابش لیزر (معمولاً لیزرهای پالس کوتاه) برای ایجاد هندسه های مرتب مرتب شده بر روی سطح به روشی قابل تکرار است. پرتو لیزر مواد را به روشی کنترل شده ذوب می کند و از طریق مدیریت فرآیند مناسب به یک ساختار تعریف شده جامد می شود.
به عنوان مثال، ساختار سطح آبگریز به آب اجازه می دهد تا از سطح خارج شود. این ویژگی را می توان با ایجاد ساختارهای زیر میکرونی بر روی سطح با لیزرهای پالس اولتراکوتاه به دست آورد و ساختار ایجاد شده را می توان با تغییر پارامترهای لیزر دقیقاً کنترل کرد. اثر معکوس، مانند سطح آبدوست، نیز قابل دستیابی است:
برای رنگ آمیزی پانل های اتومبیل، "میکرو چاله ها" باید به طور مساوی روی سطح صفحه نازک توزیع شود تا چسبندگی رنگ افزایش یابد. یک پرتو لیزر پالسی با فرکانس هزاران تا دهها هزار بار در ثانیه متمرکز شده و بر روی سطح غلتک فرو میرود. یک حوضچه مذاب کوچک روی سطح نورد در نقطه تمرکز تشکیل می شود. در همان زمان، حوضچه مذاب کوچک به طرفین دمیده می شود تا مذاب موجود در حوضچه مذاب تا حد امکان در لبه حوضچه مذاب با توجه به الزامات مشخص شده جمع شود تا یک باس قوسی شکل تشکیل شود. این باس های کوچک و ریز چاله ها نه تنها می توانند زبری سطح مواد را افزایش دهند و چسبندگی رنگ را افزایش دهند، بلکه سختی سطحی مواد را افزایش داده و عمر مفید آن را افزایش می دهند.
برخی از ویژگی ها توسط ساختار لیزری ایجاد می شوند، مانند ویژگی های اصطکاک یا هدایت الکتریکی و حرارتی برخی از مواد فلزی. علاوه بر این، ساختار لیزری نیز استحکام اتصال و عمر مفید قطعه کار را افزایش می دهد.
شویشانگ بوگوانگ
در مقایسه با روشهای سنتی، ساختار لیزر سطحی سازگارتر با محیطزیست است و به مواد سندبلاست یا مواد شیمیایی اضافی نیاز ندارد: لیزر با قابلیت تکرار و دقیق، ساختار کنترلشدهای با دقت میکرون به دست میآورد و تکرار آن بسیار آسان است: تعمیر و نگهداری کم، در مقایسه با ابزارهای مکانیکی که به سرعت فرسوده می شود، لیزر غیر تماسی است و بنابراین کاملاً بدون سایش است: پس از پردازش مورد نیاز نیست، و هیچ ذوب یا باقیمانده پردازش دیگری روی قطعات پردازش شده با لیزر باقی نمی ماند.
03. درمان سطح رنگارنگ لیزری
تمپر لیزری اغلب در درمان سطوح رنگارنگ لیزری استفاده می شود که به عنوان علامت گذاری رنگ لیزری نیز شناخته می شود. اصل فرآیند این است که وقتی لیزر مواد را گرم می کند، فلز تا کمی زیر نقطه ذوب خود گرم می شود. تحت پارامترهای فرآیند مناسب، ساختار دروازه تغییر می کند: یک لایه اکسید روی سطح قطعه کار تشکیل می شود. هنگامی که این فیلم در معرض نور قرار می گیرد، نور فرودی تداخل ایجاد می کند تا رنگ های مختلف در این زمان ظاهر شوند. لایه علامت گذاری رنگارنگ ایجاد شده روی سطح با زوایای دید متفاوت تغییر می کند. الگوی علامت نیز به رنگ های مختلف تغییر می کند. این رنگها در دمای حدود 200 سانتیگراد ثابت میمانند. در دماهای بالاتر، دروازه به حالت اولیه خود باز میگردد - علامت گذاری ناپدید میشود. کیفیت سطح کاملاً حفظ میشود. دارای درجه بالایی از امنیت و قابلیت ردیابی در ضد کاربردهای تقلبی در سالهای اخیر، علاوه بر علامت گذاری سیاه و سفید جدید توسط لیزرهای پالس اولترا کوتاه، برای شناسایی محصول نیز بسیار مناسب است و در نتیجه بر اساس دستورالعمل UDI به قابلیت ردیابی منحصر به فرد دست می یابد.
04. روکش لیزری
این یک فرآیند تولید افزودنی است که برای مواد هیبریدی فلز و فلز-سرامیک مناسب است. این می تواند برای ایجاد یا اصلاح هندسه های سه بعدی استفاده شود. با استفاده از این روش تولید می توان از لیزر برای تعمیر یا پوشش آنها نیز استفاده کرد. بنابراین در بخش هوافضا از تولید افزودنی برای تعمیر پره های توربین استفاده می شود.
در ساخت ابزار و قالب، لبه های شکسته یا فرسوده و سطوح عملکردی شکل می توانند تعمیر یا حتی زره پوش شوند. در فناوری انرژی یا پتروشیمی، یاتاقان ها، غلتک ها یا اجزای هیدرولیک برای محافظت در برابر سایش و خوردگی پوشش داده می شوند. تولید افزودنی نیز در ساخت و ساز خودرو استفاده می شود. تعداد زیادی از اجزا در اینجا اصلاح می شوند.
در رسوب گذاری فلزات لیزری معمولی، پرتو لیزر ابتدا قطعه کار را به صورت موضعی گرم می کند و سپس یک حوضچه مذاب را تشکیل می دهد. سپس پودر فلز ریز به طور مستقیم از نازل سر پردازش لیزر به داخل حوضچه مذاب اسپری می شود. در رسوب فلز لیزری با سرعت بالا، ذرات پودر از قبل تا دمای ذوب بالای سطح زیرلایه گرم می شوند. بنابراین زمان کمتری برای ذوب ذرات پودر مورد نیاز است.
اثر: به طور قابل توجهی سرعت فرآیند را افزایش داد. با توجه به کاهش اثرات حرارتی، مواد بسیار حساس به حرارت مانند آلیاژهای آلومینیوم و آلیاژهای چدن نیز می توانند با استفاده از رسوب فلز لیزری با سرعت بالا پوشش داده شوند. با استفاده از فرآیند HS-LMD می توان سرعت های بالای سطحی تا 1500 دور در دقیقه را روی سطوح متقارن چرخشی به دست آورد. سانتی متر در دقیقه در همان زمان، سرعت تغذیه تا چند صد متر در دقیقه به دست می آید.
قطعات یا قالب های گران قیمت را به سرعت و به راحتی با رسوب پودر لیزر تعمیر کنید. صدمات در هر اندازه ای را می توان به سرعت و تقریبا بدون بر جای گذاشتن اثر تعمیر کرد. تغییرات طراحی نیز امکان پذیر است. این باعث صرفه جویی در زمان، انرژی و مواد می شود. این به ویژه برای فلزات گران قیمت مانند نیکل یا تیتانیوم ارزشمند است. نمونه های کاربردی معمولی پره های توربین، پیستون های مختلف، سوپاپ ها، شفت ها یا قالب ها هستند.
05. عملیات حرارتی لیزری
هزاران میکرو لیزر (VCSEL) روی یک تراشه نصب شده اند. هر قطره چکان مجهز به 56 تراشه از این قبیل است و یک ماژول از چندین قطره چکان تشکیل شده است. میدان تابش مستطیلی می تواند حاوی میلیون ها میکرو لیزر باشد و می تواند چندین کیلووات توان لیزر مادون قرمز تولید کند.
VCSEL پرتوهای مادون قرمز نزدیک با شدت تابش 100 W/cm² با مقطع پرتو مستطیلی بزرگ و جهت دار تولید می کند. اصولاً این فناوری برای کلیه فرآیندهای صنعتی که نیاز به دقت فوق العاده بالایی در کنترل سطح و دما دارند مناسب است.
ماژول های عملیات حرارتی لیزری مخصوصاً برای کاربردهای گرمایشی در مناطق بزرگ با نیازهای سخت و انعطاف پذیر مناسب هستند. در مقایسه با روش های گرمایش سنتی، این فرآیند گرمایش جدید دارای انعطاف پذیری، دقت و صرفه جویی در هزینه بالاتر است.
از این فناوری می توان برای آب بندی سلول های کیسه ای برای جلوگیری از چروک شدن فویل آلومینیومی استفاده کرد و در نتیجه عمر باتری را افزایش داد. همچنین میتوان از آن برای خشک کردن فویل آلومینیومی باتری، پنلهای خورشیدی خیسشونده و پردازش دقیق ناحیه گرمایش مواد خاص (مانند ویفرهای فولادی و سیلیکونی) استفاده کرد.
06. پولیش لیزری
مکانیسم تکنولوژی پولیش لیزری ذوب باریک سطحی و ذوب بیش از حد سطحی است که بر ذوب مجدد سطح و انجماد مجدد لایه ذوب شده لیزری تکیه دارد. هنگامی که سطح فلز توسط یک لیزر پر انرژی به اندازه کافی تابش می شود، سطح آن تحت درجه خاصی از ذوب مجدد و توزیع مجدد قرار می گیرد و از طریق اعمال تنش کششی سطح و گرانش، سطح صاف قبل از انجماد به دست می آید.
کل ضخامت لایه مذاب کمتر از ارتفاع از فرورفتگی تا قله است، به طوری که کل فلز مذاب در فروغ مجاور پر می شود. نیروی محرکه برای این پر کردن از طریق اثر مویرگی به دست می آید، در حالی که لایه ضخیم تر باعث می شود که فلز مایع از مرکز حوضچه مذاب به بیرون جریان یابد. نیروی محرکه اثر مویرگی حرارتی یا اثر مارکونی است، به طوری که می توان آن را دوباره توزیع کرد.
شوئیچی بیگوانگ
موارد کاربرد شامل سرامیک های کاربید سیلیکون است که به عنوان اجزای نوری نور و تلسکوپ های بزرگ (به ویژه بازتابنده های با اندازه بزرگ و پیچیده) استفاده می شود. RB-SiC یک ماده معمولی با سختی بالا و فاز پیچیده است و فناوری پرداخت دقیق سطح آن دشوار و ناکارآمد است. سطح RB-SiC از پیش پوشش داده شده با پودر Si توسط لیزر فمتوثانیه اصلاح می شود. تنها پس از 4.5 ساعت پرداخت، می توان یک سطح نوری با زبری سطح مربع 4.45 نانومتر به دست آورد. در مقایسه با سنگ زنی و پرداخت مستقیم، راندمان پرداخت بیش از 3 برابر افزایش می یابد. پولیش لیزری همچنین به طور گسترده در پولیش قالب ها، بادامک ها و پره های توربین استفاده می شود.
07. پینینگ شات لیزری
تقویت شوک لیزری، همچنین به عنوان لایه برداری شات لیزری شناخته می شود، برای تابش سطح قطعات فلزی با لیزر پرانرژی، فوکوس بالا و پالس کوتاه (λ=1053nm) است. فلز سطحی (یا لایه جذبی) فوراً یک انفجار پلاسما را تحت تأثیر لیزر با چگالی بالا تشکیل می دهد. موج ضربه ای انفجار به داخل قطعه فلزی تحت محدودیت لایه محدودیت منتقل می شود و باعث می شود دانه های سطحی تغییر شکل پلاستیک فشاری ایجاد کنند و تنش فشاری پسماند، پالایش دانه و سایر اثرات تقویت کننده سطح را در محدوده ضخیم تر به دست می آورند. سطح قطعه در مقایسه با شات پینینگ مکانیکی سنتی، دارای مزایای زیر است:
1. جهت گیری قوی: لیزر بر روی سطح فلز با یک زاویه قابل کنترل، با راندمان تبدیل انرژی بالا عمل می کند، در حالی که زاویه برخورد پرتابه مکانیکی تصادفی است:
2. نیروی زیاد: فشار لحظهای ایجاد شده توسط انفجار پلاسما با شات لیزری به اندازه چند گیگا پاسکال است: چگالی توان بالا: اوج چگالی توان ضربه لیزر به چندین تا دهها گیگاوات// سانتیمتر مربع میرسد.
3. یکپارچگی سطح خوب: ضربه لیزر تقریباً هیچ اثر کندوپاشی روی سطح ندارد، در حالی که پس از لایه برداری مکانیکی، مورفولوژی سطح آسیب می بیند و تمرکز تنش رخ می دهد.
حداکثر مقدار تنش فشاری پس از برخورد لیزر بهتر است و تنش فشاری پسماند سطحی حدود 40٪ تا 50٪ افزایش می یابد که به طور قابل توجهی مقادیر شاخص های مرتبط مانند عمر خستگی، مقاومت در برابر دمای بالا و شکل گیری خمشی را بهبود می بخشد. قطعه کار این در زمینه های تصفیه سطح هواپیما و عملیات سطح موتور هوا استفاده شده است.
