منذ فترة طويلة، اشتهرت تقنية الليزر باستخدامها على نطاق واسع في اللحام والقطع والعلامات. في العامين الماضيين، مع الانتشار التدريجي للتنظيف بالليزر، أصبح مفهوم معالجة السطح بالليزر أكثر فأكثر محور اهتمام الناس وظهر في أذهان الناس. معالجة الليزر غير ملامسة ومرنة للغاية وعالية السرعة وخالية من الضوضاء، مع منطقة صغيرة متأثرة بالحرارة ولا تلحق الضرر بالركيزة ولا تستهلك مواد استهلاكية وصديقة للبيئة ومنخفضة الكربون.
بالإضافة إلى التنظيف بالليزر، فإن معالجة السطح بالليزر لها في الواقع العديد من فئات التطبيق، مثل تلميع الليزر، وتغليف الليزر، والتبريد بالليزر، وما إلى ذلك. تُستخدم هذه الأساليب لتغيير الخصائص الفيزيائية والكيميائية المحددة لسطح المادة، مثل جعل عملية السطح كارهة للماء، أو استخدام نبضات الليزر لتوليد انخفاضات صغيرة يبلغ قطرها حوالي 10 ميكرون وعمق بضعة ميكرون فقط، وذلك لزيادة الخشونة وتعزيز التصاق السطح.
بالإضافة إلى التنظيف بالليزر، هل تعرف طرق معالجة الأسطح بالليزر التالية؟
01. التبريد بالليزر
يعد التبريد بالليزر أحد الحلول المستخدمة في معالجة الأجزاء المعقدة عالية الضغط. فهو يجعل الأجزاء عالية التآكل مثل أعمدة الكامات وأدوات الانحناء تتحمل ضغوطًا أعلى وتطيل عمرها.
مبدأها هو إعادة ترتيب ذرات الكربون في الشبكة المعدنية (الأستنة) عن طريق تسخين سطح قطعة العمل المحتوية على الكربون إلى ما دون درجة حرارة الانصهار قليلاً (900-1400 درجة يتم امتصاص 40٪ من قوة الإشعاع)، ثم يقوم شعاع الليزر بتسخين السطح بشكل ثابت على طول اتجاه التغذية. مع تحرك شعاع الليزر، تبرد المادة المحيطة بسرعة، ولا يمكن للشبكة المعدنية العودة إلى شكلها الأصلي، وبالتالي إنتاج المارتنسيت، مما يزيد بشكل كبير من الصلابة.
يبلغ عمق التصلب للطبقة الخارجية من الفولاذ الكربوني الذي يتم تحقيقه عن طريق التصلب بالليزر عادةً 0.1-1.5 مم، ويمكن أن يكون 2.5 مم أو أكثر في بعض المواد. وبالمقارنة مع طرق التبريد التقليدية، فإن مزاياها هي:
1. يقتصر مدخل الحرارة المستهدف على نفس المنطقة، وبالتالي لا يحدث أي تشوه للمكونات أثناء المعالجة. يتم تقليل تكاليف إعادة العمل أو حتى التخلص منها تمامًا:
2. يمكنه أيضًا التصلب على الأسطح الهندسية المعقدة والأجزاء الدقيقة، ويمكنه تحقيق تصلب دقيق للأسطح الوظيفية المقيدة محليًا والتي لا يمكن إخمادها بطرق الإخماد التقليدية:
3. لا تشوهات. تنتج عمليات التصلب التقليدية تشوهات بسبب مدخلات الطاقة الأعلى والتبريد، ولكن في عمليات التصلب بالليزر، يمكن التحكم بدقة في مدخلات الحرارة بفضل تقنية الليزر والتحكم في درجة الحرارة. يظل المكون في حالته الأصلية تقريبًا:
4. يمكن تغيير هندسة صلابة المكون "فورًا". وهذا يعني عدم الحاجة إلى تحويل البصريات/النظام بأكمله.
02. نسيج الليزر
إن عملية تشكيل النسيج بالليزر هي إحدى الوسائل المستخدمة في تعديل سطح المواد المعدنية. فخلال عملية التشكيل، يقوم الليزر بإنشاء أشكال هندسية مرتبة بانتظام في الطبقة أو الركيزة من أجل تغيير الخصائص التقنية بطريقة مستهدفة وتطوير وظائف جديدة. وتتمثل العملية تقريبًا في استخدام إشعاع الليزر (عادةً أشعة الليزر ذات النبضات القصيرة) لتوليد أشكال هندسية مرتبة بانتظام على السطح بطريقة قابلة للتكرار. ويذيب شعاع الليزر المادة بطريقة محكومة ويتصلب في بنية محددة من خلال إدارة عملية مناسبة.
على سبيل المثال، تسمح البنية السطحية الكارهة للماء بتدفق الماء من السطح. ويمكن تحقيق هذه الميزة من خلال إنشاء هياكل دون الميكرون على السطح باستخدام ليزر نبضي فائق السرعة، ويمكن التحكم في البنية المراد إنشاؤها بدقة من خلال تغيير معلمات الليزر. ويمكن أيضًا تحقيق التأثير المعاكس، مثل السطح المحب للماء:
لطلاء ألواح السيارات، يجب توزيع "الحفر الدقيقة" بالتساوي على سطح اللوحة الرقيقة لتعزيز التصاق الطلاء. يتم تركيز شعاع الليزر النبضي بتردد آلاف إلى عشرات الآلاف من المرات في الثانية وسقوطه على سطح الأسطوانة. يتم تشكيل بركة ذوبان صغيرة على سطح الأسطوانة عند نقطة التركيز. في الوقت نفسه، يتم نفخ بركة الذوبان الصغيرة جانبيًا للسماح للصهر في بركة الذوبان بالتراكم قدر الإمكان على حافة بركة الذوبان وفقًا للمتطلبات المحددة لتشكيل نتوء على شكل قوس. لا يمكن لهذه النتوءات الصغيرة والحفر الدقيقة زيادة خشونة سطح المادة وزيادة التصاق الطلاء فحسب، بل تزيد أيضًا من صلابة سطح المادة وتطيل عمر الخدمة.
يتم توليد بعض الخصائص من خلال عملية التشكيل بالليزر، مثل خصائص الاحتكاك أو التوصيل الكهربائي والحراري لبعض المواد المعدنية. بالإضافة إلى ذلك، تعمل عملية التشكيل بالليزر أيضًا على زيادة قوة الترابط وعمر خدمة قطعة العمل.
شويشانج بوجوانج
مقارنة بالطرق التقليدية، فإن تشكيل الليزر السطحي أكثر ملاءمة للبيئة ولا يتطلب عوامل نفث رملية إضافية أو مواد كيميائية: متكرر ودقيق، يحقق الليزر بنية محكومة دقيقة إلى الميكرون وسهل التكرار للغاية: صيانة منخفضة، مقارنة بالأدوات الميكانيكية التي تبلى بسرعة، فإن الليزر غير ملامس وبالتالي خالٍ من التآكل تمامًا: لا يلزم إجراء معالجة لاحقة، ولا يتبقى ذوبان أو بقايا معالجة أخرى على الأجزاء المعالجة بالليزر.
03. معالجة السطح الملونة بالليزر
غالبًا ما يتم استخدام تقسية الليزر في معالجة الأسطح الملونة بالليزر، والمعروفة أيضًا باسم علامات الليزر الملونة. مبدأ العملية هو أنه عندما يسخن الليزر المادة، يتم تسخين المعدن إلى ما دون نقطة انصهاره قليلاً. تحت معلمات العملية المناسبة، سيتغير هيكل البوابة: ستتشكل طبقة أكسيد على سطح قطعة العمل. عندما يتعرض هذا الفيلم للضوء، يتداخل الضوء الساقط لجعل ألوان التقسية المختلفة تظهر في هذا الوقت. تتغير طبقة العلامات الملونة التي يتم إنشاؤها على السطح بزوايا رؤية مختلفة. سيتغير نمط العلامة أيضًا إلى ألوان مختلفة. تظل هذه الألوان مستقرة عند درجات حرارة تصل إلى حوالي 200 درجة مئوية. عند درجات حرارة أعلى، ستعود البوابة إلى حالتها الأولية - تختفي العلامة. سيتم الحفاظ على جودة السطح تمامًا. تتمتع بدرجة عالية من الأمان وإمكانية التتبع في تطبيقات مكافحة التزوير. في السنوات الأخيرة، تم استخدامها بشكل ناضج في مجال التكنولوجيا الطبية. بالإضافة إلى العلامات السوداء الجديدة بواسطة ليزر النبضات فائقة القصر، فهي مناسبة جدًا أيضًا لتحديد المنتج، وبالتالي تحقيق إمكانية تتبع فريدة وفقًا لتوجيه UDI.
04. تغليف بالليزر
إنها عملية تصنيع إضافية مناسبة للمواد الهجينة المعدنية والمعدنية والسيراميكية. ويمكن استخدامها لإنشاء أو تعديل الأشكال الهندسية ثلاثية الأبعاد. ويمكن أيضًا استخدام الليزر لإصلاحها أو طلائها باستخدام طريقة الإنتاج هذه. لذلك، في قطاع الطيران والفضاء، يتم استخدام التصنيع الإضافي لإصلاح شفرات التوربينات.
في تصنيع الأدوات والقوالب، يمكن إصلاح الحواف المكسورة أو البالية والأسطح الوظيفية المشكلة أو حتى تغليفها. وفي تكنولوجيا الطاقة أو البتروكيماويات، يتم طلاء المحامل أو الأسطوانات أو المكونات الهيدروليكية للحماية من التآكل والتآكل. كما تُستخدم التصنيع الإضافي في صناعة السيارات. حيث يتم تعديل عدد كبير من المكونات هنا.
في عملية ترسيب المعادن بالليزر التقليدية، يقوم شعاع الليزر أولاً بتسخين قطعة العمل محليًا ثم يشكل بركة منصهرة. ثم يتم رش مسحوق المعدن الناعم مباشرة في البركة المنصهرة من فوهة رأس معالجة الليزر. في عملية ترسيب المعادن بالليزر عالي السرعة، يتم تسخين جزيئات المسحوق بالفعل إلى درجة حرارة الانصهار تقريبًا فوق سطح الركيزة. وبالتالي، يلزم وقت أقل لإذابة جزيئات المسحوق.
التأثير: زيادة كبيرة في سرعة العملية. نظرًا للتأثيرات الحرارية المنخفضة، يمكن أيضًا طلاء المواد شديدة الحساسية للحرارة مثل سبائك الألومنيوم وسبائك الحديد الزهر باستخدام الترسيب المعدني بالليزر عالي السرعة. يمكن تحقيق سرعات سطح عالية تصل إلى 1500 دورة في الدقيقة على الأسطح المتناظرة الدورانية باستخدام عملية HS-LMD. سم/دقيقة. في الوقت نفسه، يتم تحقيق سرعات تغذية تصل إلى عدة مئات من الأمتار في الدقيقة.
يمكن إصلاح المكونات أو القوالب باهظة الثمن بسرعة وسهولة باستخدام الترسيب بالمسحوق بالليزر. يمكن إصلاح الأضرار بجميع الأحجام بسرعة ودون ترك أي أثر تقريبًا. كما يمكن إجراء تغييرات على التصميم. وهذا يوفر الوقت والطاقة والمواد. وهذا مفيد بشكل خاص للمعادن باهظة الثمن مثل النيكل أو التيتانيوم. ومن الأمثلة النموذجية للتطبيقات شفرات التوربينات والمكابس المختلفة والصمامات والأعمدة أو القوالب.
05. المعالجة الحرارية بالليزر
يتم تركيب آلاف من أشعة الليزر الدقيقة (VCSELs) على شريحة واحدة. كل باعث مزود بـ 56 شريحة من هذا القبيل، وتتكون الوحدة من عدة باعثات. يمكن أن يحتوي حقل الإشعاع المستطيل على ملايين أشعة الليزر الدقيقة ويمكنه إخراج عدة كيلووات من طاقة الليزر تحت الأحمر.
تنتج أجهزة VCSEL أشعة تحت الحمراء القريبة بكثافة إشعاع تبلغ 100 وات/سم² مع مقطع عرضي مستطيل كبير الاتجاه للشعاع. من حيث المبدأ، هذه التكنولوجيا مناسبة لجميع العمليات الصناعية التي تتطلب دقة عالية للغاية في التحكم في السطح ودرجة الحرارة.
تعتبر وحدات المعالجة الحرارية بالليزر مناسبة بشكل خاص لتطبيقات التدفئة ذات المساحات الكبيرة ذات المتطلبات الصعبة والمرنة. وبالمقارنة مع طرق التدفئة التقليدية، تتمتع عملية التسخين الجديدة هذه بمرونة ودقة أعلى وتوفير في التكاليف.
يمكن استخدام هذه التقنية لإغلاق الخلايا على شكل كيس لمنع تجعد رقائق الألومنيوم، وبالتالي إطالة عمر البطارية. كما يمكن استخدامها لتجفيف رقائق الألومنيوم للبطارية، وألواح الطاقة الشمسية التي تمتص الضوء، ومعالجة منطقة التسخين لمواد معينة بدقة (مثل رقائق الفولاذ والسيليكون).
06. تلميع بالليزر
تعتمد آلية تقنية تلميع الليزر على الذوبان الضيق للسطح والذوبان الزائد للسطح، وتعتمد على إعادة صهر السطح وإعادة تصلب طبقة إعادة الصهر بالليزر. عندما يتم تشعيع سطح المعدن بالليزر عالي الطاقة بدرجة كافية، فإن سطحه يخضع لدرجة معينة من إعادة الصهر وإعادة التوزيع، ومن خلال عمل إجهاد الشد السطحي والجاذبية، يتم تحقيق سطح أملس قبل التصلب.
إن السُمك الكامل للطبقة المنصهرة أقل من الارتفاع من الحوض إلى القمة، بحيث يتم ملء المعدن المنصهر بالكامل في الحوض القريب. يتم تحقيق القوة الدافعة لهذا الملء من خلال التأثير الشعري، في حين أن الطبقة الأكثر سمكًا ستتسبب في تدفق المعدن السائل للخارج من مركز حوض المنصهر. القوة الدافعة هي التأثير الشعري الحراري أو تأثير ماركوني، بحيث يمكن إعادة توزيعها.
شويسي بيغوانغ
تشمل حالات التطبيق سيراميك كربيد السيليكون، والذي يستخدم كمكونات بصرية للضوء والتلسكوبات الكبيرة (خاصة العاكسات كبيرة الحجم والمعقدة الشكل). RB-SiC هو مادة نموذجية عالية الصلابة ومعقدة الطور، وتقنية تلميع سطحها بدقة صعبة وغير فعالة. يتم تعديل سطح RB-SiC المطلي مسبقًا بمسحوق السيليكون بواسطة ليزر الفيمتوثانية. بعد 4.5 ساعة فقط من التلميع، يمكن الحصول على سطح بصري بخشونة سطحية تبلغ 4.45 نانومتر. بالمقارنة مع الطحن والتلميع المباشر، تزداد كفاءة التلميع بأكثر من 3 مرات. يستخدم التلميع بالليزر أيضًا على نطاق واسع في تلميع القوالب والكامات وشفرات التوربينات.
07. النقش بالليزر
تقوية الصدمات بالليزر، والمعروفة أيضًا باسم قذف الليزر، هي تشعيع سطح الأجزاء المعدنية بليزر عالي الطاقة وعالي التركيز ونبضات قصيرة (λ=1053nm). يشكل المعدن السطحي (أو طبقة الامتصاص) على الفور انفجارًا بلازميًا تحت تأثير الليزر عالي الطاقة. تنتقل موجة صدمة الانفجار إلى داخل الجزء المعدني تحت قيد طبقة القيد، مما يتسبب في إنتاج حبيبات السطح لتشوه بلاستيكي ضاغط، والحصول على إجهاد ضاغط متبقي وتنقية الحبيبات وتأثيرات تقوية السطح الأخرى في النطاق الأكثر سمكًا لسطح الجزء. بالمقارنة مع قذف الليزر الميكانيكي التقليدي، فإنه يتمتع بالمزايا التالية:
1. اتجاهية قوية: يعمل الليزر على سطح المعدن بزاوية يمكن التحكم فيها، مع كفاءة تحويل طاقة عالية، في حين أن زاوية تأثير المقذوف الميكانيكي تكون عشوائية:
2. قوة كبيرة: الضغط اللحظي الناتج عن تفجير البلازما بالليزر يصل إلى عدة جيجاباسكال: كثافة طاقة عالية: تصل كثافة طاقة الذروة لتأثير الليزر إلى عدة إلى عشرات جيجاوات/سم2:
3. سلامة السطح الجيدة: لا يوجد لتأثير الليزر أي تأثير رش على السطح تقريبًا، بينما بعد عملية التكسير الميكانيكي، يتلف شكل السطح ويحدث تركيز الإجهاد.
إن قيمة الإجهاد الانضغاطي الأقصى بعد تأثير الليزر أفضل، ويزداد الإجهاد الانضغاطي المتبقي على السطح بنحو 40% إلى 50%، مما يحسن بشكل كبير قيم المؤشرات ذات الصلة مثل عمر التعب ومقاومة درجات الحرارة العالية وتشكيل الانحناء لقطعة العمل. وقد تم تطبيقه في مجالات معالجة سطح الطائرات ومعالجة سطح محركات الطائرات.
