Desde hace mucho tiempo, la tecnología láser se ha utilizado ampliamente en soldadura, corte y marcado. En los últimos dos años, con la popularización gradual de la limpieza láser, el concepto de tratamiento de superficies con láser se ha convertido cada vez más en el foco de atención de las personas y ha aparecido en la mente de las personas. El procesamiento láser es sin contacto, altamente flexible, de alta velocidad y sin ruido, con una pequeña zona afectada por el calor y sin daños al sustrato, sin consumibles y respetuoso con el medio ambiente y con bajas emisiones de carbono.
Además de la limpieza con láser, el tratamiento de superficies con láser en realidad tiene muchas categorías de aplicación, como pulido con láser, revestimiento con láser, enfriamiento con láser, etc. Estos métodos se utilizan para cambiar propiedades físicas y químicas específicas de la superficie del material, como hacer que el proceso de superficie sea hidrófobo o usar pulsos láser para generar pequeñas depresiones con un diámetro de aproximadamente 10 micrones y una profundidad de solo unos pocos micrones, a fin de aumentar la rugosidad y mejorar la adhesión de la superficie.
Además de la limpieza con láser, ¿conoces los siguientes métodos de tratamiento de superficies con láser?
01. Extinción por láser
El temple por láser es una de las soluciones para procesar piezas complejas sometidas a altas tensiones. Permite que piezas con un alto grado de desgaste, como árboles de levas y herramientas de doblado, soporten mayores tensiones y prolonguen su vida útil.
Su principio es reorganizar los átomos de carbono en la red metálica (austenización) calentando la superficie de la pieza de trabajo que contiene carbono a un poco por debajo de la temperatura de fusión (900-1400 grado, se absorbe el 40% de la potencia de irradiación), y luego el rayo láser calienta de manera estable la superficie a lo largo de la dirección de alimentación. A medida que el rayo láser se mueve, el material circundante se enfría rápidamente y la red metálica no puede volver a su forma original, lo que produce martensita, lo que aumenta significativamente la dureza.
La profundidad de endurecimiento de la capa exterior del acero al carbono que se consigue mediante el endurecimiento por láser suele ser de 0,5 mm y puede ser de 2,5 mm o más en algunos materiales. En comparación con los métodos de temple tradicionales, sus ventajas son:
1. El aporte de calor objetivo se limita a la misma área, por lo que prácticamente no se deforman los componentes durante el procesamiento. Los costos de retrabajo se reducen o incluso se eliminan por completo:
2. También puede endurecerse en superficies geométricas complejas y piezas de precisión, y puede lograr un endurecimiento preciso de superficies funcionales localmente restringidas que no se pueden templar con métodos de temple tradicionales:
3. Sin distorsión. Los procesos de endurecimiento tradicionales producen deformaciones debido al mayor aporte de energía y al enfriamiento, pero en los procesos de endurecimiento por láser, el aporte de calor se puede controlar con precisión gracias a la tecnología láser y al control de temperatura. El componente permanece casi en su estado original:
4. La geometría de dureza del componente se puede modificar "instantáneamente", lo que significa que no es necesario modificar la óptica ni el sistema completo.
02. Texturizado láser
La texturización por láser es uno de los métodos de modificación de la superficie de los materiales metálicos. Durante el proceso de estructuración, el láser crea geometrías ordenadas de forma regular en la capa o el sustrato para modificar las propiedades técnicas de forma específica y desarrollar nuevas funciones. El proceso consiste, en líneas generales, en utilizar la radiación láser (normalmente láseres de pulso corto) para generar geometrías ordenadas de forma regular en la superficie de forma reproducible. El rayo láser funde el material de forma controlada y lo solidifica formando una estructura definida mediante una gestión adecuada del proceso.
Por ejemplo, una estructura superficial hidrófoba permite que el agua fluya desde la superficie. Esta característica se puede lograr creando estructuras submicrónicas en la superficie con láseres de pulsos ultracortos, y la estructura que se va a crear se puede controlar con precisión modificando los parámetros del láser. También se puede lograr el efecto opuesto, como una superficie hidrófila:
Para pintar los paneles de los automóviles, se deben distribuir de manera uniforme "micro hoyos" sobre la superficie de la placa delgada para mejorar la adherencia de la pintura. Un rayo láser pulsado con una frecuencia de miles a decenas de miles de veces por segundo se enfoca e incide sobre la superficie del rodillo. Se forma un pequeño charco de material fundido sobre la superficie de rodadura en el punto de enfoque. Al mismo tiempo, el pequeño charco de material fundido se sopla lateralmente para permitir que el material fundido en el charco de material fundido se acumule lo más posible hasta el borde del charco de material fundido de acuerdo con los requisitos especificados para formar un saliente en forma de arco. Estos pequeños salientes y micro hoyos no solo pueden aumentar la rugosidad de la superficie del material y aumentar la adherencia de la pintura, sino que también aumentan la dureza de la superficie del material y prolongan la vida útil.
Algunas características se generan mediante la estructuración láser, como las características de fricción o la conductividad eléctrica y térmica de algunos materiales metálicos. Además, la estructuración láser también aumenta la resistencia de la unión y la vida útil de la pieza de trabajo.
El Boguang de Shuishang
En comparación con los métodos tradicionales, la estructuración de superficies por láser es más respetuosa con el medio ambiente y no requiere agentes de chorro de arena ni productos químicos adicionales: repetible y preciso, el láser consigue una estructura controlada con una precisión de micrones y es muy fácil de replicar: requiere poco mantenimiento, en comparación con las herramientas mecánicas que se desgastan rápidamente, el láser no tiene contacto y, por tanto, no presenta desgaste: no se requiere ningún posprocesamiento y no quedan restos de masa fundida ni de otro tipo en las piezas procesadas con láser.
03. Tratamiento de superficies de colores mediante láser
El templado por láser se utiliza a menudo en el tratamiento de superficies con láser de colores, también conocido como marcado de color láser. El principio del proceso es que cuando el láser calienta el material, el metal se calienta ligeramente por debajo de su punto de fusión. Con los parámetros de proceso adecuados, la estructura de la compuerta cambiará: se formará una capa de óxido en la superficie de la pieza de trabajo. Cuando esta película se expone a la luz, la luz incidente interfiere para hacer que aparezcan varios colores de templado en este momento. La capa de marcado colorido generada en la superficie cambia con diferentes ángulos de visión. El patrón de la marca también cambiará a varios colores diferentes. Estos colores permanecen estables a temperaturas de hasta aproximadamente 200 "C. A temperaturas más altas, la compuerta volverá a su estado inicial: el marcado desaparece. La calidad de la superficie se conservará por completo. Tiene un alto grado de seguridad y trazabilidad en aplicaciones anti-falsificación. En los últimos años, se ha utilizado de forma madura en el campo de la tecnología médica. Además del nuevo marcado negro mediante láseres de pulso ultracorto, también es muy adecuado para la identificación de productos, logrando así una trazabilidad única de acuerdo con la directiva UDI.
04. Revestimiento láser
Se trata de un proceso de fabricación aditiva apto para materiales híbridos de metal y metal-cerámica. Con él se pueden crear o modificar geometrías 3D. El láser también se puede utilizar para repararlas o recubrirlas mediante este método de producción. En el sector aeroespacial, la fabricación aditiva se utiliza por tanto para reparar álabes de turbinas.
En la fabricación de herramientas y matrices se pueden reparar o incluso blindar cantos rotos o desgastados y superficies funcionales moldeadas. En la tecnología energética o en la industria petroquímica se recubren cojinetes, rodillos o componentes hidráulicos para protegerlos del desgaste y la corrosión. La fabricación aditiva también se utiliza en la construcción de automóviles, donde se modifican numerosos componentes.
En la deposición de metal por láser convencional, el haz láser calienta primero la pieza de trabajo localmente y luego forma un baño de fusión. A continuación, el polvo metálico fino se rocía directamente en el baño de fusión desde la boquilla del cabezal de procesamiento láser. En la deposición de metal por láser de alta velocidad, las partículas de polvo ya están calentadas a casi la temperatura de fusión por encima de la superficie del sustrato. Por lo tanto, se necesita menos tiempo para fundir las partículas de polvo.
El resultado: aumento significativo de la velocidad del proceso. Gracias a la reducción de los efectos térmicos, también se pueden recubrir materiales muy sensibles al calor, como aleaciones de aluminio y de fundición, mediante deposición de metal por láser de alta velocidad. Con el proceso HS-LMD se pueden alcanzar velocidades superficiales elevadas de hasta 1500 rpm en superficies rotacionalmente simétricas. cm/min. Al mismo tiempo, se alcanzan velocidades de avance de hasta varios cientos de metros por minuto.
Reparar componentes o moldes costosos de forma rápida y sencilla con la deposición de polvo láser. Los daños de cualquier tamaño se pueden reparar rápidamente y casi sin dejar marcas. También es posible realizar cambios en el diseño. Esto ahorra tiempo, energía y material. Esto es especialmente útil para metales costosos como el níquel o el titanio. Ejemplos típicos de aplicación son álabes de turbinas, diversos pistones, válvulas, ejes o moldes.
05. Tratamiento térmico con láser
Miles de microláseres (VCSEL) están montados en un único chip. Cada emisor está equipado con 56 de estos chips y un módulo consta de varios emisores. El campo de radiación rectangular puede contener millones de microláseres y puede generar varios kilovatios de potencia láser infrarroja.
Los VCSEL generan haces de infrarrojo cercano con una intensidad de radiación de 100 W/cm² con una sección transversal de haz rectangular direccional de gran tamaño. En principio, esta tecnología es adecuada para todos los procesos industriales que requieren una precisión extremadamente alta en el control de superficies y temperatura.
Los módulos de tratamiento térmico por láser son especialmente adecuados para aplicaciones de calentamiento de grandes superficies con requisitos exigentes y flexibles. En comparación con los métodos de calentamiento tradicionales, este nuevo proceso de calentamiento ofrece mayor flexibilidad, precisión y ahorro de costes.
Esta tecnología se puede utilizar para sellar celdas tipo bolsa para evitar que el papel de aluminio se arrugue, lo que alarga la vida útil de la batería. También se puede utilizar para secar el papel de aluminio de la batería, impregnar los paneles solares con luz y procesar con precisión el área de calentamiento de materiales específicos (como acero y obleas de silicio).
06. Pulido láser
El mecanismo de la tecnología de pulido láser es la fusión estrecha de la superficie y la sobrefusión de la superficie, que se basa en la refundición de la superficie y la resolidificación de la capa refundida por láser. Cuando la superficie del metal se irradia con un láser de energía suficientemente alta, su superficie sufre un cierto grado de refundición y redistribución y, mediante la acción de la tensión de tracción superficial y la gravedad, se logra una superficie lisa antes de la solidificación.
El espesor total de la capa fundida es menor que la altura desde el canal hasta la cima, de modo que todo el metal fundido llena el canal cercano. La fuerza impulsora para este llenado se logra a través del efecto capilar, mientras que la capa más gruesa hará que el metal líquido fluya hacia afuera desde el centro del baño de fusión. La fuerza impulsora es el efecto capilar térmico o el efecto Marconi, de modo que se pueda redistribuir.
Shuici Bieguang
Los casos de aplicación incluyen cerámica de carburo de silicio, que se utilizan como componentes ópticos de telescopios de luz y de gran tamaño (especialmente reflectores de gran tamaño y de forma compleja). El RB-SiC es un material típico de alta dureza y fase compleja, y su tecnología de pulido de precisión de superficie es difícil e ineficiente. La superficie del RB-SiC prerrevestido con polvo de Si se modifica mediante láser de femtosegundo. Después de solo 4,5 horas de pulido, se puede obtener una superficie óptica con una rugosidad superficial Sq de 4,45 nm. En comparación con el pulido y esmerilado directos, la eficiencia del pulido aumenta más de 3 veces. El pulido por láser también se utiliza ampliamente en el pulido de moldes, levas y álabes de turbinas.
07. Granallado por láser
El reforzamiento por choque láser, también conocido como granallado láser, consiste en irradiar la superficie de las piezas metálicas con un láser de pulso corto de alta densidad de energía y alta concentración (λ=1053nm). El metal de la superficie (o capa de absorción) forma instantáneamente una explosión de plasma bajo la acción del láser de alta densidad de potencia. La onda de choque de la explosión se transmite al interior de la pieza metálica bajo la restricción de la capa de restricción, lo que hace que los granos de la superficie produzcan una deformación plástica compresiva y se obtenga tensión de compresión residual, refinamiento de grano y otros efectos de reforzamiento de la superficie en el rango más grueso de la superficie de la pieza. En comparación con el granallado mecánico tradicional, tiene las siguientes ventajas:
1. Fuerte direccionalidad: el láser actúa sobre la superficie del metal en un ángulo controlable, con una alta eficiencia de conversión de energía, mientras que el ángulo de impacto del proyectil mecánico es aleatorio:
2. Gran fuerza: La presión instantánea generada por el chorro de plasma de granallado láser es tan alta como varios GPa: Alta densidad de potencia: La densidad de potencia máxima del impacto del láser alcanza varias decenas de GW/cm2:
3. Buena integridad de la superficie: el impacto del láser casi no tiene efecto de pulverización sobre la superficie, mientras que después del granallado mecánico, la morfología de la superficie se daña y se produce concentración de tensiones.
El valor máximo de la tensión de compresión después del impacto del láser es mejor y la tensión de compresión residual de la superficie aumenta en aproximadamente un 40%~50%, lo que mejora significativamente los valores de los indicadores relacionados, como la vida útil por fatiga, la resistencia a altas temperaturas y la conformación por flexión de la pieza de trabajo. Se ha aplicado en los campos del tratamiento de superficies de aeronaves y el tratamiento de superficies de motores aeronáuticos.
