激光清洗
一種“綠色”的清洗工藝。大致工作原理如下:激光束被需要處理表面的污染層吸收,大能量的吸收形成急劇膨脹的等離子體,產(chǎn)生沖擊波。在沖擊波的作用下污染物變成碎片并被剔除。清洗之后的表面減少了水和油氣等的吸附,提高了材料表面的抗腐蝕性。相對于傳統(tǒng)的清洗方式,激光清洗具有非接觸、高效率、減少環(huán)境污染等優(yōu)點。
激光金屬清洗
激光淬火
一種表面硬化處理的工藝,進行激光淬火的前提條件是鋼材料和鑄鐵材料中的碳含量超過 0.2%。
為了實現(xiàn)對工件表面硬化處理的目的,激光束通常將工件表層加熱到一個略低于熔化溫度的溫度區(qū)間(大約 900?1400℃),達到設定溫度后激光束開始移動,持續(xù)加熱前進方向的表面,高溫加熱引起鐵原子在金屬晶格中的位置變化(奧氏體化)。當激光束離開后,被加熱的表層在基體溫度比較低的前提下產(chǎn)生自淬火效應,而迅速地被基體材料所冷卻,快速冷卻導致已經(jīng)奧氏體化的金屬原子不能回到原來的位置,從而產(chǎn)生馬氏體。馬氏體是非常硬的金屬結構相,具有更高的硬度。
激光淬火層深度通常在 0.1?1.5mm。對于某些特定材料,硬化深度可以達到 2.5mm 或者更深。更深的淬火深度需要更大體積的基體材料來快速散熱。
激光淬火所需要的功率密度相對較低。同時,通常需要處理工件表面的區(qū)域往往都比較大,因此,應用中經(jīng)常將激光束整形成矩形光斑,使它能夠快速處理盡可能大的區(qū)域。激光淬火時經(jīng)常會用到光學掃描系統(tǒng),使用該系統(tǒng)時可以快速地移動激光光斑,在工件表面經(jīng)過往復運動來硬化工件表面,采用這個方法可以得到 60mm 寬的硬化軌跡。
相對于傳統(tǒng)方法(火焰淬火和感應加熱淬火),激光淬火的優(yōu)勢在于:靠工件自身進行冷卻。而其它工藝需要水或者油來冷卻工件。激光淬火時由于熱輸入量低,變形被控制在盡可能小的程度,這樣后續(xù)的加工成本降低了或者完全不需要再加工。當涉及到不規(guī)則三維幾何形狀的工件要求進行加工時,激光淬火同樣也能獨領風騷:它可以以任何需要的路徑來引導激光加熱工件。
需要注意的是:激光淬火時光束重疊區(qū)域會再次被加熱。在該重疊區(qū)域內(nèi)硬度會降低,承受動載荷的零件上,必須小心地控制和調(diào)整該硬度緩沖區(qū)的硬度。
激光淬火樣件
表面拋光
激光束不僅要加熱材料表面,同時還要持續(xù)熔化表面。根據(jù)處理材料的不同,激光表面拋光能夠提高材料表面的硬度或者提高抗腐蝕性。
激光拋光和熱傳導焊接類似。當熔融的表面材料凝固時,金屬表面發(fā)生再結晶過程并形成一層新的均勻的晶體結構(再結晶)。新的結構層同加工前相比,相的分布更加均勻、晶粒更加細小,從而導致該表面層的性能也同以前大為不同。
激光表面拋光主要應用于鑄造零件的表面處理。帶動汽車發(fā)動機活塞的凸輪軸上的凸輪就是一個很好的例子。通過在凸輪表面熔化一層耐磨層和熔化后的快速冷卻使凸輪的接觸面更加耐磨,加工過程中,鑄鐵表面會生成一種叫做萊氏體的相,正是這一結構相的生成使其表面高度耐磨。
激光拋光前后對比圖
表面涂覆
激光束主要用于熔化外加的填充材料。填充材料和工件表面結合,形成一個性能特殊的層,典型的層厚度在 0.5 到幾毫米之間。涂覆層和母材結合的區(qū)域,兩種材料混合在一起,為了保證表面熔覆層的性能,這個區(qū)域要盡可能小。
引入外加填料的方法有兩種。第一種方法是通過一個噴嘴將填料以粉末的形式直接噴到激光熔池中,與激光金屬熔覆(Laser Metal Deposition,LMD)是一個道理。另一種辦法是直接將填料涂到工件表面,然后利用激光束來熔化填料使得它和母體材料結合。激光涂層非常適合工件表面指定區(qū)域的選擇性強化處理。以發(fā)動機閥門為例,它們在使用過程中要承受極大的溫度波動、研磨物質的沖擊和摩擦。為了提高對這種工件的服役性能,需要在閥門開關和閉合區(qū)域制備一個保護涂層。
激光金屬涂覆應用
總結:
激光表面處理的影響因素主要有輻射面積、功率密度、溫度和速度、填充材料和保護氣體等。因此在選擇激光參數(shù)是要綜合考慮,實現(xiàn)最優(yōu)的結果。為了實現(xiàn)穩(wěn)定均勻的結果,也可以引入輔助的檢測與控制功能,例如高溫傳感器。高溫傳感器能夠在不接觸材料的情況下測量溫度,控制器探測溫度是否在設定范圍內(nèi),如果溫度太高或者太低,控制器就會調(diào)整激光功率,防止被過度加熱。