百篇科普系列(68)—激光表面处理

来源 : www.hydrolasers.com   发布时间 : 2020/9/17 4:41:00

百篇科普系列(68)

激光表面处理

华中科技大学,徐长发,2019.12.10.

传统的金属材料表面处理工艺已经经过了很长时间的研究,但是操作起来又笨又脏,性能控制还太粗糙。激光出现以后,用激光对材料、工件表面进行设计和激光改性处理,显得那么精巧。它是利用激光束快速、局部地加热工件,实现局部急热或急冷,可在大气、真空等环境中进行处理。通过改变激光参数,可解决不同材料的表面处理工艺问题。工件变形极小,是一种非接触式处理方法。它根据表面处理目的不同,分为表面改性处理(包括激光上釉、激光重熔、激光合金化、激光涂敷)、激光修饰处理和激光去除处理(如激光清洗)。


一.激光打标与激光表面毛化处理

激光打标技术是激光加工中最大的应用领域之一。现在市场上有针对各种各样材料的激光打标设备。激光打标的激光通常是近红外的,采用快速脉冲,在材料表面上打出肉眼清晰可见的痕迹,打标的深浅和图形都可以用计算机控制。例如,在不同金属的表面上打标,在玻璃上打标,在光纤上打标,不同材料打标时的脉冲宽度、脉冲快慢、温度高低都有相应的标准。

激光表面毛化处理。用激光连续波让材料表面毛化不易控制,把表面毛化看着是密集打标就容易控制了,根据不同要求,可采用毫秒级脉冲、皮秒脉冲()或飞秒脉冲()可取得较好的施工效果。

在材料表面打毛加工中,值得一提的是,如何解决冷轧钢板有表面毛糙或花纹的要求,于是人们对冷轧轧辊表面也有这些要求,还要求轧辊的使用寿命长。最好的加工方法是对轧辊采用激光脉冲毛化处理。

加工过程大致是这样的:用每秒数千至上万次的脉冲激光束聚焦后入射到轧辊表面,在聚焦点处轧辊表面形成微小溶池,同时对微小溶池侧吹,让溶池中的溶融物按指定要求尽量堆积到溶池边缘形成圆弧形凸台,这些小凸台和微坑的表面是强化变硬了。

轧辊的这种用激光毛化处理的办法,为轧制薄板的过程带来很多施工方面的方便。

冷轧薄板和薄带材料表面毛化的应用非常广泛。举个简单的例子,汽车面板要涂漆,必须让薄板表面均匀分布“微坑”,以增强漆料的附着力,所以汽车面板是特殊轧制的。像汽车业、建筑业、家电及电子业、轻工业及国防等领域都要用到大量的冷轧薄板带。

二.激光表面改性处理

1.激光表面相变硬化处理

金属材料表面硬化就是在材料表面上实现“淬火”,一般的手段是难以做好的,可是,用激光硬化材料表面十分容易。根据需要,可以要求让材料表面产生相变的硬化处理。

用激光让材料表面快速熔化,当激光束离开后又快速凝固了,这是一种自淬火,材料表面较浅的一层组织会产生相变,材料表层内含有微细的晶体,表面硬化了。

激光表面相变硬化处理典型的应用有:发动机缸体、缸套,泵体、泵筒,曲轴、凸轮、齿轮,磨具,导轨、丝杠,刀具、刃具的表面淬火。

该技术能选择性地处理工件表面,有利于在工件整体保持足够的韧性和强度的同时,表面获得较高的、特定的使用性能,如耐磨、耐蚀和抗疲劳、抗氧化等。


2.激光表面合金化处理

利用激光将材料局部区域表面加热到一定温度或形成一个薄的熔化层,通过扩散或添加合金元素或化学反应改变表面化学成分以改善材料表面的力学、物理和化学性能的技术。它具有可局域处理,低的基体形变,对基体性能无损伤,效率高和快速加热等优点,特别适用于工件的重要部位,如模具的合缝线,气门挺杆和凸轮轴的局部表面。

激光表面合金化处理,既改善了工件寿命的“瓶颈”部位,又可减化工艺和节约合金元素。

激光表面合金化与激光重熔工艺相似,激光在工件表面扫描并形成熔化带。所不同的是将另外的合金成分加入熔池,熔化的基体材料和添加材料混合甚至熔合,并经快速冷却凝固形成新的合金层。

激光表面合金化技术中预置合金的方法很多,包括工件表面电镀、真空蒸镀、预置粉末层、放置厚膜、离子注入、喷粉、送丝和施加反应气体等。合金层的深度与激光功率、光斑移动速度及金属成分有关。

3.激光表面涂覆处理

激光涂覆与激光合金化相似,都是在激光加热基体的同时,熔入一些其他合金材料。

激光涂覆除使基体与熔化的涂覆材料实现冶金结合外,涂覆材料很少被基体材料稀释,基本上保持其原有成分不变。

与激光合金化相比,激光涂覆能更好地控制表层的成分和厚度,能得到完全不同于基体的表面合金层,以达到耐磨耐腐蚀的目的。

要实现涂层和基体的冶金结合,基体和涂层材料仅限于在具有可焊性的材料之间选取。激光涂覆常用的涂层材料为合金粉末。

按合金粉末的供应方式可分为两种涂覆:一种是预置粉末激光涂覆,即在激光处理前将一定厚度的合金粉末层预置于基体之上;另一种是送粉式激光涂覆,用惰性气体将粉末送向激光和材料的作用区。


4.激光清洗

利用高能的激光束照射工件表面,使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离,高速有效地清除表面的污染物或涂层。激光清洗属于干洗,不需有机溶剂,没有废液排放,残渣少,不会造成环境污染、能有效清除其他方法难以去除干净的吸附在物体表面的亚微米粒子。该技术柔性高、可控性好、易于选区定位精密清洗,易于远距离遥控清洗难以到达或危险的地方。

激光清洗的方法一般有4种:

①激光干洗法,即采用脉冲激光直接辐射去污;

②激光+液膜的方法,即首先沉积一层液膜于基体表面,然后用激光使液膜发生爆炸去污;

③激光+惰性气体的方法,即激光辐射的同时,用惰性气体吹向工件表面,当污物从表面剥离后,就被气体远远吹离表面,避免清洁表面再次污染和氧化;

④用激光使污物松散后,再用非腐蚀性的化学方法去污。

相关标签:

首页 > 在线帮助 > 百篇科普系列(68)—激光表面处理
首页 > 在线帮助 > 百篇科普系列(68)—激光表面处理