Principe de la technologie de traitement laser

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Laser est l'abréviation de l'anglais Light amplification by stimulée émission de rayonnement, qui signifie « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ». En tant que symbole important du développement de la science et de la technologie au XXe siècle et l'un des piliers de la technologie optoélectronique dans la société de l'information moderne, le développement de la technologie laser et des industries connexes a été très apprécié par les pays avancés. Le traitement laser est le domaine le plus prometteur des applications laser. En particulier, les technologies de soudage laser, de découpe laser et de revêtement laser se sont développées rapidement ces dernières années et ont produit d'énormes avantages économiques et sociaux.

Principes, caractéristiques et technologie de traitement laser

La technologie de traitement laser est une technologie qui utilise les caractéristiques de l'interaction entre le faisceau laser et la substance pour couper, souder, traiter les surfaces, perforer et traiter les emblèmes sur des matériaux (y compris les métaux et les non-métaux). En tant que technologie de fabrication avancée, le traitement au laser a été largement utilisé dans l'automobile, les appareils électroniques, l'aviation, la métallurgie, la fabrication de machines et d'autres domaines industriels. Il joue un rôle de plus en plus important dans l'amélioration de la qualité des produits et de la productivité du travail, la réalisation de l'automatisation et l'absence de pollution, et la réduction de la consommation de matériaux. effet.

Le principe du traitement laser

Le traitement au laser est une méthode de traitement dans laquelle un faisceau laser focalisé est utilisé comme source de chaleur pour bombarder la pièce afin de faire fondre des pièces métalliques ou non métalliques pour former de petits trous, des coupes, des connexions, des revêtements, etc. Le traitement au laser est essentiellement un processus de interaction entre le laser et un matériau non transparent. C'est un processus quantique dans la vue microscopique, et il est réfléchi, absorbé, chauffé, fondu, vaporisé et d'autres phénomènes dans la vue macroscopique.

Sous l'irradiation de faisceaux laser de différentes densités de puissance, divers changements se produisent dans la surface du matériau. Ces changements comprennent l'élévation de la température de surface, la fusion, la vaporisation, la formation de petits trous et la génération de plasma photo-induit. La figure 1.1 montre plusieurs changements dans l'état du matériau métallique sous l'action du rayonnement laser avec différentes densités de puissance.

Lorsque la densité de puissance laser est inférieure à 104 W/cm², l'absorption de l'énergie laser par le métal ne fait qu'augmenter la température de la surface du matériau, mais la phase solide reste inchangée. Il peut être utilisé pour le traitement thermique de surface, le durcissement par changement de phase ou le brasage de pièces.

Lorsque la densité de puissance laser est de l'ordre de 104 ~ 106 W/cm², un chauffage par conductivité thermique est généré et la couche de surface du matériau fondra. Il peut être utilisé pour la refusion de surfaces métalliques, l'alliage, le placage et le soudage par conductivité thermique (tels que le soudage à grande vitesse de plaques minces et le soudage de précision, etc.).

Lorsque la densité de puissance laser atteint l'ordre de 106W/cm², la surface du matériau est irradiée par le faisceau laser, et la température de chauffage de la source de chaleur laser atteint le point d'ébullition du métal, formant une vapeur de plasma et se vaporisant violemment. Sous l'action de la pression d'expansion de vaporisation, la surface du liquide est en retrait vers le bas. Petits trous à pénétration profonde, en même temps, la vapeur de métal est ionisée sous l'action du faisceau laser pour générer un plasma photo-induit, qui est principalement utilisé pour le soudage par pénétration laser, la découpe et le perçage.

Lorsque la densité de puissance laser est supérieure à l'ordre de 107 W/cm², le plasma photo-induit se propagera contre la direction incidente du faisceau laser, formant un nuage de plasma, et le phénomène de blindage du laser par le plasma sera utilisé pour le perçage avec un laser pulsé. Traitement tel que le durcissement par impact.

Le traitement au laser consiste à utiliser un faisceau laser à haute densité de puissance pour irradier la pièce afin de fondre et de vaporiser le matériau afin d'effectuer un traitement spécial tel que la perforation, la découpe et le soudage (voir Figure 1.2.). Le premier traitement par condensation était principalement utilisé pour le perçage de petits trous et le micro-soudage en raison de sa faible puissance. Dans les années 1970, avec l'émergence du CO à haute puissance₂ lasers, lasers à grenat d'yttrium aluminium (YAG) à taux de répétition élevé et recherches approfondies sur les mécanismes et processus de traitement laser, la technologie de traitement laser a fait de grands progrès et le champ d'application varie. Plusieurs kilowatts d'équipements de traitement au laser ont été utilisés pour la découpe à grande vitesse, le soudage à pénétration profonde et le traitement de surface de divers matériaux. Divers équipements de traitement laser spécialisés sont en compétition pour apparaître et combinés avec le suivi photoélectrique, le contrôle numérique par ordinateur, la robotique et d'autres technologies, améliorant considérablement le niveau d'automatisation et les fonctions d'utilisation du traitement laser.

Le laser peut être interprété comme un dispositif qui convertit l'énergie brute telle que l'énergie électrique, l'énergie chimique, l'énergie thermique, l'énergie lumineuse ou l'énergie nucléaire en faisceaux de rayonnement électromagnétique de certaines fréquences lumineuses spécifiques (lumière ultraviolette, lumière visible ou lumière infrarouge). La forme de conversion est facile à réaliser dans certains milieux solides, liquides ou gazeux. Lorsque ces milieux sont excités sous forme d'atomes ou de molécules, ils produisent des faisceaux laser avec presque la même phase et presque un seul faisceau long. En raison de la même phase et de la même longueur d'onde, l'angle de différence est très faible et la distance pouvant être transmise est assez longue avant d'être très concentrée pour fournir des fonctions telles que le soudage, le découpage et le placage.

L'équipement de traitement au laser est composé de quatre parties principales, à savoir le laser, le système optique, le système mécanique, le contrôle et le système de détection. Le faisceau laser à haute intensité émis par le laser est focalisé sur la pièce à travers la lentille et la densité de puissance au point focal atteint 106 ~ 1012 W/cm² (la température atteint 10000℃), et tout matériau fondra et se vaporisera instantanément. Le traitement au laser consiste à utiliser l'effet thermique de cette énergie lumineuse pour effectuer le soudage, le perçage et la découpe de matériaux. Les lasers couramment utilisés pour le traitement sont principalement les lasers à solide YAG et CO₂ lasers, qui présentent les avantages d'une structure simple, d'une puissance de sortie élevée et d'une efficacité de conversion d'énergie élevée, et peuvent être largement utilisés pour le traitement au laser des matériaux.

Caractéristiques du traitement laser

Le premier faisceau laser au monde a été produit en utilisant une ampoule flash pour exciter les grains de cristal de rubis en 1960. En raison de la limitation de la capacité calorifique du cristal, il ne peut produire qu'un faisceau d'impulsions très court et la fréquence est très faible. Bien que l'énergie de crête d'impulsion instantanée puisse atteindre 106 W/cm², c'est encore une faible production d'énergie.

L'utilisation de tiges de cristal de grenat d'aluminium et d'yttrium (Nd : YAG) avec le nombre (Nd) comme élément d'excitation peut produire un faisceau continu à une seule longueur d'onde de 1 à 8 kW. Le laser YAG (la longueur d'onde est de 1,06 pm) peut être connecté à la tête de traitement laser via une fibre optique flexible. La disposition de l'équipement est flexible et adaptée au soudage avec une épaisseur de 0,5 à 6 mm. Utilisation du CO₂ laser (longueur d'onde 1.06 pm) avec CO₂ en tant qu'excitatrice, l'énergie de sortie peut atteindre 25 kW et peut être utilisée pour le soudage à pénétration complète en un seul passage de plaques de 2 mm d'épaisseur. Il a été largement utilisé dans le traitement des métaux dans l'industrie.

• Le point lumineux est petit, l'énergie est concentrée et la zone affectée par la chaleur est petite ; le faisceau laser est facile à focaliser et à guider, ce qui est pratique pour le contrôle automatique.
• Il ne touche pas la pièce de traitement et ne pollue pas la pièce; il n'est pas soumis aux interférences électromagnétiques et est plus pratique à utiliser que le traitement par faisceau d'électrons.
• La gamme de traitement est large, presque tous les matériaux peuvent être gravés et coupés. La gravure et la découpe à grande vitesse peuvent être effectuées selon le motif produit par l'ordinateur, et la vitesse de la découpe laser est beaucoup plus rapide que celle de la découpe au fil.
• Sûr et fiable : un traitement sans contact est adopté, ce qui ne provoquera pas d'extrusion mécanique ou de contrainte mécanique sur la section du matériau. Précis et minutieux; la précision d'usinage peut atteindre 0,1 mm. Effet cohérent : pour garantir que l'effet de traitement du même lot de pièces est presque le même.
• La couture de coupe est petite; le joint de coupe de la découpe laser est généralement de 0,1 à 0,2 mm et la surface de coupe est lisse : la surface de coupe de la découpe laser n'a pas de bavures. Petite distorsion thermique : le traitement laser de la découpe laser est fin, rapide et concentré en énergie. Par conséquent, la chaleur transférée au matériau à couper est faible et la déformation du matériau est également très faible.
• Il convient au traitement de gros produits. Le coût de fabrication des moules de gros produits est très élevé. Le traitement au laser ne nécessite aucun moule et le traitement au laser peut éviter complètement l'effondrement du matériau lorsque celui-ci est poinçonné et coupé, ce qui peut réduire les coûts de production de l'entreprise et améliorer le produit. Les engrenages.
• Faible coût : Non limité par le nombre de traitements, le traitement au laser est plus adapté aux services de traitement de petits lots.
• Économie de matériel : le traitement au laser adopte une programmation informatique, qui peut couper des produits de différentes formes, ce qui maximise le taux d'utilisation des matériaux et réduit considérablement le coût des matériaux.

Technologie de traitement laser

La technologie laser est une technologie complète impliquant de multiples disciplines telles que la lumière, la mécanique, l'électricité, les matériaux et les tests. Traditionnellement, les techniques de traitement au laser comprennent la découpe, le soudage, le traitement de surface, le placage, le poinçonnage (marquage), le traçage et d'autres techniques de traitement. Les exigences des différentes méthodes de traitement des matériaux sur la puissance laser et la qualité du faisceau du système de fabrication laser sont illustrées à la figure 1.3.

Technologie de soudage laser

Le soudage au laser est l'un des aspects importants de l'application de la technologie de traitement au laser. Le rayonnement laser chauffe la surface de la pièce et la chaleur de surface est diffusée à l'intérieur par conduction thermique. En contrôlant la largeur, l'énergie, la densité de puissance et la fréquence de répétition de l'impulsion laser, la pièce est fondue pour former un bain de fusion spécifique. En raison de ses avantages uniques, il a été utilisé avec succès dans le soudage de petites et petites pièces. L'émergence du CO de forte puissance₂ les lasers et les lasers à fibre haute puissance ont ouvert un nouveau domaine de soudage au laser. Un soudage à pénétration profonde basé sur l'effet sténopé a été obtenu, et il a été largement utilisé dans les machines, la fabrication automobile, l'acier et d'autres secteurs industriels.

Le soudage laser permet de souder des pièces difficiles d'accès et d'effectuer un soudage longue distance sans contact, ce qui présente une grande flexibilité. La technologie laser YAG utilise la technologie de transmission par fibre optique, ce qui rend la technologie de soudage laser plus largement utilisée. Le faisceau laser est facile à diviser le faisceau en fonction du temps et de l'espace et peut traiter plusieurs faisceaux en même temps, ce qui fournit des conditions pour un soudage plus précis. Par exemple, il peut être utilisé pour des plaques de carrosserie automobiles épaisses et minces, des pièces automobiles, des batteries au lithium, des stimulateurs cardiaques, des relais scellés, etc. Divers dispositifs et dispositifs scellés ne permettent pas la déformation et la contamination par soudage.

La technologie de soudage au laser a un effet de purification de la piscine en fusion, peut obtenir du métal fondu pur et convient au soudage entre des matériaux métalliques identiques et différents. Le soudage laser a une densité d'énergie élevée, ce qui est particulièrement avantageux pour le soudage de métaux à point de fusion élevé, à haute réflectivité, à haute conductivité thermique et aux propriétés physiques très différentes.

Les principaux avantages du soudage laser sont une vitesse rapide, une grande pénétration, une faible déformation et peuvent être soudés à température ambiante ou dans des conditions spéciales. Lorsque le laser traverse le champ électromagnétique, le faisceau ne se déplacera pas ; le laser peut être soudé dans l'air et certains environnements gazeux et peut souder du verre ou des matériaux transparents au faisceau. Une fois le laser focalisé, la densité de puissance est élevée et le rapport d'aspect pendant le soudage peut atteindre 5:1, jusqu'à 10:1, et il peut souder des matériaux réfractaires tels que le titane et le quartz, et peut souder des matériaux dissemblables avec de bons résultats , comme le soudage de deux matériaux aux propriétés différentes, le cuivre et le tantale, peut atteindre un taux de réussite de 100%. Une micro-soudure peut également être réalisée. Une fois le faisceau laser focalisé, un petit point peut être obtenu et il peut être positionné avec précision. Il peut être utilisé dans le soudage d'assemblage de micro et petits composants de production automatisée de masse, tels que les fils de circuits intégrés, les ressorts d'horloge, l'assemblage de canons à électrons à tube image, etc., en raison de l'utilisation du soudage au laser, l'efficacité de la production est élevée, la zone affectée par la chaleur est petite et les joints de soudure sont sans pollution, ce qui améliore considérablement la qualité du soudage.

Technologie de découpe laser

La découpe laser est réalisée en appliquant une énergie à haute densité de puissance générée par la focalisation laser. Sous le contrôle de l'ordinateur, le laser est déchargé par impulsions, et un laser pulsé à haute fréquence répétitif contrôlé est émis pour former un faisceau laser avec une certaine fréquence et une certaine largeur d'impulsion. Le faisceau laser pulsé est transmis à travers le chemin optique, réfléchi et focalisé sur la surface de l'objet traité à travers le groupe de lentilles de focalisation, formant un petit point à haute densité énergétique, le foyer est situé près de la surface à traiter, et le matériau traité est fondu ou vaporisé à une température instantanée élevée.

L'impulsion laser à haute énergie peut pulvériser un petit trou à la surface de l'objet en un instant. Sous le contrôle de l'ordinateur, la tête de traitement laser et le matériau traité effectuent un mouvement relatif continu selon les graphiques pré-dessinés, de sorte que l'objet sera traité dans la forme souhaitée. Lors de la coupe, un flux d'air coaxial au faisceau est éjecté de la tête de coupe, et le matériau fondu ou vaporisé est soufflé loin du fond de l'incision. Par rapport aux méthodes traditionnelles de traitement des plaques, la découpe laser présente les avantages d'une bonne qualité de coupe (largeur de coupe étroite, petite zone affectée par la chaleur, coupe lisse), d'une vitesse de coupe rapide, d'une grande flexibilité (peut couper n'importe quelle forme) et d'une large gamme de matériaux adaptabilité.

La technologie de découpe laser est largement utilisée dans le traitement des matériaux métalliques et non métalliques, ce qui peut réduire considérablement le temps de traitement, réduire les coûts de traitement et améliorer la qualité de la pièce. La technologie moderne de découpe au laser est devenue l'épée de «coupe du fer comme de la boue» que les gens recherchent idéalement.

Prendre le CO₂ machine de découpe laser à titre d'exemple, l'ensemble du dispositif de découpe est composé d'un système de contrôle, d'un système de mouvement, d'un système optique, d'un système de refroidissement par eau, d'un système de protection de l'air, etc., utilisant le mode CNC avancé pour réaliser une liaison multi-axes et découpage à l'énergie laser sans être affecté par la vitesse; Le servomoteur avec des performances supérieures et la structure de guidage de transmission peuvent atteindre une bonne précision de mouvement à grande vitesse.

La découpe au laser peut être utilisée dans la fabrication automobile, les ordinateurs, l'électromécanique, les pièces métalliques et les matériaux spéciaux, les lames de scie circulaire, les rondelles élastiques, les plaques de cuivre pour pièces électroniques, les plaques en treillis métallique, les tuyaux en acier, la bakélite, les feuilles d'alliage d'aluminium, le verre de quartz, le silicium Caoutchouc, feuille de céramique d'alumine, alliage de titane, etc. Les lasers utilisés sont les lasers YAG et CO₂ lasers. Les lasers pulsés conviennent aux matériaux métalliques et les lasers continus conviennent aux matériaux non métalliques. Ce dernier est un domaine d'application important de la technologie de découpe laser.

Technologie de revêtement laser

Le placage laser fait référence à la fusion simultanée du matériau de placage et de la couche superficielle du substrat par irradiation par faisceau laser sur la surface du substrat de placage de différentes manières, et la solidification rapide pour former une fusion avec une dilution extrêmement faible et une liaison métallurgique avec le substrat. Revêtement, une méthode de traitement pour améliorer la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion, la résistance à la chaleur, la résistance à l'oxydation et les caractéristiques électriques de la surface de la couche de base.

En utilisant la densité de puissance élevée du faisceau laser, l'ajout de poudre d'alliage auto-fondant de composition spécifique (comme les alliages à base de nickel, de cobalt et de fer, etc.) forme une couche de revêtement très mince à la surface du substrat pour les rendre uniformes à l'état fondu S'étalent sur la surface de la pièce et atteignent une épaisseur prédéterminée, et forment une bonne liaison métallurgique avec la matrice de micro-fusion, et il n'y a qu'un faible degré de dilution entre eux. Dans le processus de solidification rapide qui s'ensuit, la surface de la pièce est complètement différente du substrat. Couche de matériau de revêtement fonctionnel avec des propriétés spéciales. Le revêtement laser peut changer complètement les propriétés de surface des matériaux et faire en sorte que la surface des matériaux à faible coût obtienne une résistance à l'usure, une résistance à la corrosion, une résistance à haute température et d'autres propriétés extrêmement élevées.

Le revêtement laser peut atteindre l'objectif de modification de surface, de réparation ou de remise à neuf. Il peut réparer les trous et les fissures à la surface du matériau, restaurer la taille géométrique et les performances des pièces usées, répondre aux exigences de performance spécifique de la surface du matériau et économiser beaucoup de métaux précieux. Comparé au surfaçage, à la pulvérisation, à la galvanoplastie et au dépôt en phase vapeur, le revêtement laser présente les caractéristiques d'un faible taux de dilution, d'une structure dense et d'une bonne combinaison de couche de revêtement et de substrat. Il est largement utilisé dans les industries de l'aérospatiale, des moules et de l'électromécanique. Actuellement, les lasers utilisés dans le gainage laser sont principalement des lasers YAG haute puissance et CO₂ lasers.

Traitement thermique au laser

Le faisceau laser à haute densité de puissance est utilisé pour chauffer la surface de la pièce métallique afin de modifier la surface (c'est-à-dire pour améliorer la dureté de la surface, la résistance à l'usure et la résistance à la corrosion de la pièce). Le faisceau laser peut être durci localement de manière sélective selon les besoins, et la contrainte et la déformation de la pièce sont faibles. Cette technologie est largement utilisée dans l'industrie automobile, telle que le traitement thermique au laser des chemises de cylindre, des vilebrequins, des segments de piston, des collecteurs, des engrenages et d'autres pièces, et est également largement utilisée dans l'aérospatiale, l'industrie des machines-outils et l'industrie des machines. L'application du traitement thermique au laser dans mon pays est beaucoup plus large que dans les pays étrangers. Les lasers actuellement utilisés sont principalement des lasers YAG et CO₂ lasers.

Le traitement thermique au laser peut réaliser un durcissement par transformation de phase (ou une trempe de surface, une amorphisation de surface, une trempe de surface), un alliage de surface et d'autres traitements de modification de surface sur la surface du métal, résultant en des propriétés de composition et de structure de surface qui ne peuvent pas être obtenues par une trempe de grande surface. Le durcissement par transformation laser est le procédé le plus ancien, le plus étudié et le plus largement utilisé dans le traitement thermique au laser. Il convient à la plupart des matériaux et à différentes parties de pièces de formes différentes et peut améliorer la résistance à l'usure et la résistance à la fatigue des pièces. Après traitement thermique au laser, la dureté de surface de la fonte peut atteindre plus de 60HRC, et la dureté de surface de l'acier à teneur moyenne en carbone et de l'acier à haute teneur en carbone peut atteindre plus de 70HRC, ce qui améliore la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion et la résistance à l'oxydation du matériau , et prolonge la durée de vie de la pièce.

La technologie de recuit laser est un processus de traitement des semi-conducteurs, et l'effet est bien meilleur que le recuit de traitement thermique conventionnel. Après recuit laser, le taux de remplacement des impuretés peut atteindre 98%~99%, ce qui peut réduire la résistivité du polysilicium de 40%~50%, ce qui peut grandement améliorer l'intégration des circuits intégrés et réduire l'espacement entre les éléments du circuit à 0,5μm.

Technologie de prototypage rapide au laser

La technologie de prototypage rapide au laser est formée en combinant la technologie de traitement au laser avec la technologie de commande numérique par ordinateur et la technologie de fabrication flexible et est principalement utilisée dans les industries des moules et des modèles. Les lasers actuellement utilisés sont principalement des lasers YAG, CO₂ lasers et lasers à fibre. La technologie de prototypage rapide laser intègre les dernières réalisations de la technologie laser, de la technologie CAD/CAM, de la technologie de contrôle et de la technologie des matériaux. Selon le modèle CAO de la pièce, le matériau polymère photosensible est durci couche par couche avec un faisceau laser, et l'échantillon est empilé avec précision dans un échantillon sans moules et l'outil peut fabriquer rapidement et avec précision des pièces aux formes complexes. Cette technologie a été largement utilisée dans l'aérospatiale, l'électronique, les véhicules de transport et d'autres domaines industriels.

Technologie de perçage laser

La technologie de perçage laser présente les avantages d'une haute précision, d'une grande polyvalence, d'un rendement élevé, d'un faible coût et d'avantages techniques et économiques complets et significatifs. Il est devenu l'une des technologies clés dans le domaine de la fabrication moderne. Avant l'apparition des lasers, seuls des matériaux d'une plus grande dureté pouvaient être utilisés. Il est extrêmement difficile de percer des trous dans le matériau avec une dureté moindre, il est donc extrêmement difficile de percer des trous dans le diamant avec une dureté élevée. Après l'avènement du laser, ce type d'opération est rapide et sûr, mais le trou percé par le laser est conique au lieu de la forme cylindrique du perçage mécanique, ce qui est gênant à certains endroits (voir Figure 1.4).

Le forage au laser est principalement utilisé dans l'aérospatiale, la fabrication automobile, l'instrumentation électronique, la chimie et d'autres industries. Le développement rapide du perçage laser se reflète principalement dans la puissance de sortie du laser YAG utilisé pour le perçage est passé de 400W à 800W ou même 1000W, et la puissance de pointe du perçage aussi élevée que 30 ~ 50kw, la largeur d'impulsion utilisée pour le poinçonnage est se rétrécissant, la fréquence de répétition devient de plus en plus élevée, les paramètres de sortie laser sont améliorés, la qualité de poinçonnage est améliorée, la vitesse de poinçonnage est augmentée et la plage d'application du poinçonnage laser est également étendue. L'application relativement mature du perçage au laser en Chine concerne la production de matrices d'étirage en diamant synthétique et en diamant naturel, ainsi que dans les industries des horloges, des instruments, des pales d'avion et des cartes de circuits imprimés. Les lasers actuellement utilisés sont au CO₂. Les lasers et les lasers YAG sont les principaux, et les lasers à excimère, les lasers à isotopes et les lasers à pompe à semi-conducteur sont également utilisés.

Technologie de marquage laser

Le marquage laser est une méthode de marquage qui utilise un faisceau laser à haute densité d'énergie pour irradier localement la pièce pour vaporiser ou changer la couleur du matériau de surface, laissant ainsi une marque permanente. Le marquage laser peut produire une variété de caractères, de symboles et de motifs, etc., et la taille des caractères peut aller du millimètre au micromètre, ce qui a une importance particulière pour la lutte contre la contrefaçon des produits. Après la focalisation, le faisceau laser extrêmement fin est comme un outil, qui peut enlever le matériau de surface de l'objet point par point. La nature avancée de la technologie de marquage laser est que le processus de marquage est un traitement sans contact, qui ne produit pas d'extrusion mécanique ou de contrainte mécanique, et n'endommagera pas les articles traités. La taille du faisceau laser focalisé est petite, la zone affectée par la chaleur est petite et le traitement est bon, ce qui peut compléter le processus qui ne peut pas être réalisé par les méthodes conventionnelles.

L'« outil » utilisé dans le marquage laser est un faisceau focalisé, aucun équipement ni matériel supplémentaire n'est nécessaire. Tant que le laser peut fonctionner normalement, il peut être traité en continu pendant une longue période. Le marquage laser a une vitesse de traitement rapide et un faible coût. Il est contrôlé automatiquement par un ordinateur et ne nécessite aucune intervention humaine pendant la production. Le marquage laser Excimer est une nouvelle technologie développée ces dernières années. Il est particulièrement adapté au marquage des métaux et peut réaliser un marquage submicronique. Il a été largement utilisé dans l'industrie de la microélectronique et de la bio-ingénierie.

Quel type d'informations le laser peut marquer est lié au contenu de la conception informatique ? Tant que le système de marquage d'œuvres d'art conçu par l'ordinateur peut l'identifier, la machine de marquage peut restaurer avec précision les informations de conception sur un support approprié. Par conséquent, la fonction du logiciel de marquage laser détermine en fait la fonction du système de marquage laser dans une large mesure. Cette technologie a été appliquée dans divers matériaux et presque toutes les industries. Les lasers utilisés comprennent les lasers YAG, CO₂ lasers et lasers à pompe à semi-conducteurs.

Renforcement et alliage de surface au laser

Le renforcement de la surface au laser consiste à utiliser un chauffage par faisceau laser à haute densité de puissance pour faire fusionner et changer de phase la couche mince de la surface de la pièce, puis un refroidissement auto-excité et rapide pour former une structure microcristalline ou amorphe. L'alliage de surface au laser consiste à utiliser un laser pour chauffer le métal, l'alliage ou le composé revêtu sur la surface de la pièce, et à fondre rapidement avec le métal de base pour former une nouvelle couche d'alliage ou une couche de composé sur la surface de la pièce pour atteindre le dans le but de modifier la surface du matériau. Vous pouvez également utiliser un faisceau laser pour chauffer le métal de base et le gaz qui passe pour provoquer des réactions métallurgiques chimiques (telles que le dépôt en phase vapeur de surface) pour former un film mince avec la structure de phase souhaitée sur la surface métallique pour modifier les propriétés de surface de la pièce. . Le renforcement et l'alliage de surface au laser conviennent aux pièces qui doivent améliorer la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion, la résistance aux températures élevées et d'autres propriétés dans l'aérospatiale, l'armement, l'industrie nucléaire et la fabrication automobile.

Autre

En plus de la technologie de traitement laser mentionnée ci-dessus, la technologie de traitement laser mature comprend également la technologie de gravure laser, la technologie de réglage de précision laser, la technologie de stockage laser, la technologie de traçage laser, la technologie de nettoyage laser, la technologie de galvanoplastie améliorée au laser, la technologie de glaçage laser, etc.

La technologie de gravure photo est plus simple que la technologie de gravure chimique traditionnelle, ce qui peut réduire considérablement les coûts de production et peut traiter une ligne de 0,125 ~ 1 m de large et convient à la fabrication de circuits intégrés à très grande échelle.

La technologie de réglage précis du laser peut régler automatiquement la résistance spécifiée, avec une précision de 0,01% ~ 0,002%, ce qui est inférieur en termes de précision, d'efficacité et de coût par rapport aux méthodes de traitement traditionnelles. Le réglage précis du laser comprend des résistances à couche mince (épaisseur de 0,01 ~ 0,64 m) et une couche épaisse.

La technologie de stockage laser utilise des lasers pour enregistrer des données vidéo, audio, textuelles et informatiques, qui est l'une des technologies de support à l'ère de l'information.

La technologie de traçage laser est la technologie clé pour la production de circuits intégrés. Il a un traçage fin, une haute précision (largeur de ligne de 15-25μm, profondeur de plantation de 5-200μm), une vitesse de traitement rapide (jusqu'à 200mm/s) et un rendement jusqu'à 99.5% ou plus.

L'utilisation de la technologie de nettoyage laser peut réduire considérablement la pollution par les particules des appareils traités et améliorer le rendement des appareils de précision.

La technologie de galvanoplastie améliorée par laser peut augmenter la vitesse de dépôt des métaux, et la vitesse est 1000 fois plus rapide que celle sans irradiation laser. Il est d'une grande importance pour la production et la réparation de micro-interrupteurs, de pièces d'instruments de précision, de dispositifs microélectroniques et de circuits intégrés à grande échelle. Une technologie améliorée peut augmenter la fermeté de la couche électrolytique de 100 à 1000 fois.

La technologie du vitrage laser a un avenir prometteur pour la modification des matériaux. Son faible coût, son contrôle facile et sa copie sont propices au développement de nouveaux matériaux. Le vitrage laser combiné à la projection à la flamme, à la projection plasma, au dépôt ionique et à d'autres technologies offre de larges perspectives d'application dans le contrôle de l'organisation et l'amélioration de la résistance à l'usure et à la corrosion de la surface. Les matériaux électroniques, les matériaux électromagnétiques et autres matériaux électriques sont idéalement utilisés dans les instruments de mesure après le glaçage au laser.

État actuel et tendance de développement de la technologie de traitement laser

Après plus de 30 ans de développement dans mon pays, la technologie laser a atteint des réalisations scientifiques et technologiques de haut niveau. Beaucoup ont été utilisés dans les pratiques de production. La production des équipements de traitement laser a augmenté à un taux annuel moyen de 20%, ce qui a résolu la transformation technologique des industries traditionnelles et l'amélioration de la qualité des produits. beaucoup de questions. Par exemple, la technologie des fibres chimiques de laine laser est promue dans les grandes aciéries telles que Baosteel et Benxi Iron and Steel, ce qui changera l'état de la dépendance des tôles d'acier de couverture automobile de mon pays à l'égard des importations ; la qualité, la fonction et le prix des machines de marquage laser et des équipements de soudage laser répondent aux besoins du marché intérieur et à la part de marché. Le taux est supérieur à 80%.

État actuel de la technologie de traitement laser

Le traitement au laser est le plus grand projet dans les applications laser étrangères, et c'est aussi un moyen important de transformer les industries traditionnelles. C'est principalement 1~10KW CO₂ lasers, lasers YAG de 100W à kilowatt et lasers à fibre haute puissance pour réaliser la découpe de divers matériaux, soudage, poinçonnage, revêtement et traitement de surface, etc. Selon l'examen et les prévisions du marché du laser ces dernières années, l'application des lasers occupe la première place dans le domaine du traitement des matériaux, et les lasers médicaux sont le deuxième domaine d'application à l'étranger.

Dans le domaine des applications de traitement laser, CO₂ les lasers sont les plus largement utilisés dans la découpe et le soudage, représentant respectivement 70% et 20%, et le traitement de surface est inférieur à 10%. L'application des lasers YAG est le soudage, le marquage (50%) et la découpe (15%). Surtout. Aux États-Unis et en Europe, le CO₂ les lasers représentent 70% à 80%. Dans le traitement laser de mon pays, la découpe est principalement utilisée pour 10%, dont plus de 98% de CO₂ la puissance laser est de l'ordre de 1,5 ~ 3KW ; dont environ 15% sont principalement des traitements de surface, dont la plupart sont des traitements de surface au laser des chemises de cylindres de moteurs automobiles. Les avantages économiques et sociaux de la technologie de traitement au laser sont très élevés et il existe de grandes perspectives de marché.

Dans l'industrie automobile, la technologie de traitement laser met pleinement en valeur ses caractéristiques de traitement avancées, rapides et flexibles. Par exemple, un grand nombre de machines de découpe laser tridimensionnelles sont utilisées dans les prototypes automobiles et la production de petites séries, ce qui permet non seulement d'économiser des prototypes et des équipements d'outillage, mais également de raccourcir considérablement le cycle de production ; le faisceau laser fait de petits trous dans les matériaux de haute dureté et les surfaces complexes et courbes, qui sont rapides et aucun dommage ne se produit ; le soudage au laser est devenu un procédé standard dans l'industrie automobile. Toyota Motor Corporation du Japon a utilisé la technologie laser pour le soudage de panneaux de carrosserie, le soudage de plaques métalliques de différentes épaisseurs et différents revêtements de surface, puis l'estampage.

Bien que le traitement de surface au laser ne soit pas aussi courant que le soudage et le découpage à l'étranger, il est encore largement utilisé dans l'industrie automobile, comme le traitement de surface des chemises de cylindre, des vilebrequins, des segments de piston, des commutateurs, des engrenages et d'autres pièces. Dans les pays industriellement développés, la technologie de traitement au laser est combinée à la technologie de commande numérique par ordinateur et à la technologie de fabrication flexible pour dériver la technologie de prototypage rapide au laser. Cette technologie permet non seulement de fabriquer rapidement des modèles, mais aussi de fondre directement des poudres métalliques et l'impression 3D pour fabriquer des moules métalliques.

La figure 1.5 montre le processus d'utilisation du soudage au laser pour remplacer le soudage par résistance dans l'assemblage de la carrosserie afin que la conception de la voiture puisse librement exercer son imagination et sa créativité pour concevoir un style de voiture unique. Dans le même temps, la technologie de soudage laser a une efficacité supérieure à celle du soudage par points par résistance, de meilleures performances de joint, une consommation de matériau moindre et d'autres avantages.

En raison des avantages de la technologie de traitement laser, tous les constructeurs automobiles européens ont adopté la technologie de traitement laser en grande quantité sans exception. Par exemple, la société allemande Volkswagen a déjà commandé des lasers YAG haute puissance de 4 kW pour 260 ensembles, qui sont principalement utilisés pour le soudage de carrosserie et le traitement de pièces. Plus de 400 ensembles de différents types d'équipements de traitement laser haute puissance ont été installés sur la ligne de production de Bosch en Allemagne, qui sont principalement utilisés pour le traitement et le soudage de pièces automobiles. L'étendue et la profondeur de l'application de la technologie de traitement au laser dans la fabrication automobile sont devenues un symbole important de l'avancement de l'industrie automobile.

Dans le domaine de l'aérospatiale, avant les années 1970, faute de laser continu à haute puissance, le soudage laser pulsé était principalement utilisé pour le soudage par points de petites pièces de précision, ou des soudures formées par chevauchement de points de soudure uniques. Après les années 1970, avec le développement du CO₂ technologie de soudage laser de plusieurs watts secs, la situation a subi un changement fondamental. Des plaques d'acier de quelques millimètres d'épaisseur peuvent être soudées en une seule fois, et la soudure qui en résulte est similaire au soudage par faisceau d'électrons, montrant le grand potentiel du soudage laser haute puissance. Par exemple, la principale raison pour laquelle le nom vide A80 peut réduire considérablement le poids de l'avion, réduire la consommation de carburant et réduire les coûts d'exploitation est d'appliquer la technologie de soudage laser à la connexion du fuselage, de la cloison intérieure de l'aile et du raidisseur ( Figure 1.6), au lieu de Le processus de rivetage original a été qualifié de révolution technologique majeure dans l'industrie aéronautique par l'industrie aérospatiale allemande.

Depuis le 21ème siècle, les lasers YAG ont joué un rôle de plus en plus important dans le soudage, le découpage, le perçage et le marquage. Il est généralement admis que la découpe au laser YAG peut obtenir une bonne qualité de découpe et une précision de découpe élevée, mais la vitesse de découpe est limitée. Avec l'amélioration de la puissance de sortie du laser YAG et de la qualité du faisceau, le laser YAG est passé au kilowatt CO₂, marché de la découpe laser. Les lasers YAG sont particulièrement adaptés aux microdispositifs qui ne permettent pas la déformation thermique et la contamination par soudage, tels que les batteries au lithium, les stimulateurs cardiaques et les relais scellés.

Le laser à fibre est un nouveau type de dispositif laser développé ces dernières années, et c'est également l'une des technologies de pointe dans le domaine de la recherche d'informations optoélectroniques au pays et à l'étranger. En raison de leurs avantages en termes de modes optiques et de durée de vie, les lasers à fibre sont devenus le représentant d'une nouvelle génération de lasers à solide. Ils ont été largement étudiés et développés rapidement dans le pays et à l'étranger, et ont de larges perspectives d'application.

La tendance de développement de la technologie de traitement laser

Le laser est l'une des inventions majeures du 20ème siècle et possède un énorme potentiel technologique. Les experts pensent que c'est maintenant l'apogée de la technologie électronique, le protagoniste est l'ordinateur, la prochaine génération sera l'ère de la technologie optique et le protagoniste est le laser. Le laser est particulièrement adapté au traitement des matériaux en raison de ses trois caractéristiques : l'unisexualité, la cohérence et le parallélisme. Le traitement laser est le domaine d'applications laser le plus prometteur et plus de 20 technologies de traitement laser ont été développées à l'étranger. Le contrôle spatial et le contrôle temporel du laser sont très bons, et le matériau, la forme, la taille et l'environnement de traitement de l'objet de traitement ont une grande liberté, et il est particulièrement adapté au traitement automatique. La combinaison du système de traitement laser et de la technologie de commande numérique par ordinateur peut former un équipement de traitement automatique à haute efficacité, qui ouvre de larges perspectives pour un traitement et une production de haute qualité, à haute efficacité et à faible coût.

La technologie de traitement au laser est l'une des technologies de soutien importantes de la technologie de fabrication verte, qui est conforme à la stratégie nationale de développement durable. La tendance de développement de la technologie de traitement laser se reflète principalement dans les aspects suivants.

• En termes de recherche et développement de matériaux, selon les types de matériaux pour le soudage laser et le placage, des matériaux de soudage laser et de placage de différents matériaux sont développés respectivement.
• En termes de contrôle des procédés, pour les procédés de soudage et de rechargement par astigmatisme, la tendance de développement est de développer un système de surveillance en ligne basé sur le soudage et le rechargement laser pour surveiller le processus de soudage et de rechargement laser en temps réel. Rechercher et développer des procédés composites (tels que le composite à l'arc laser, etc.) compatibles avec le soudage et le placage au laser pour améliorer l'efficacité du soudage et du placage au laser.
• Dans la gestion et la robotisation des systèmes de traitement, l'intégration du système n'est pas seulement le traitement lui-même, mais également la détection en temps réel et le traitement du retour d'informations. Avec la mise en place des systèmes experts, le traitement de l'intelligence des systèmes est devenu une tendance de développement inévitable. Afin d'améliorer l'efficacité du soudage laser, de la découpe et du placage, des robots intelligents à faible coût ont été développés et progressivement popularisés et appliqués.
• La recherche d'une nouvelle génération de lasers industriels est actuellement dans une période de mise à jour technologique, qui est marquée par le développement et l'application de lasers tout solide pompés par diode.

L'ensemble complet d'équipements de traitement laser comprend un générateur laser, un système de commande numérique, une machine-outil de traitement, etc., qui constituent le système de fabrication flexible du traitement laser. À l'heure actuelle, l'objectif de la recherche et du développement de la technologie de traitement laser peut être résumé comme les aspects suivants

• Commande numérique et intégration. La combinaison de lasers avec une technologie de commande numérique par ordinateur, des systèmes optiques avancés et un positionnement de pièce de haute précision et automatisé pour former un centre de traitement de recherche et de production est devenue une tendance dans le développement de la technologie de traitement au laser.
• Miniaturisation et combinaison. Les deux méthodes de traitement de découpe laser et d'estampage ont été combinées sur une machine-outil dans des pays étrangers pour fabriquer une poinçonneuse laser. Il possède à la fois la polyvalence de la découpe laser et les caractéristiques de vitesse et d'efficacité élevées du traitement d'estampage. Découpe de formes complexes, poinçonnage, marquage, traçage et autres traitements.
• Haute fréquence et haute fiabilité. À l'heure actuelle, le taux de répétition des lasers YAG à l'étranger a atteint 2000 fois/s, et le temps de maintenance moyen des lasers YAG pompés par barrette de diodes est passé de plusieurs centaines d'heures à (1~2) millions d'heures.
• Utilisez le laser excimer pour le traitement des métaux. C'est un nouveau sujet du traitement laser étranger. Les lasers à excimère peuvent émettre des lasers ultraviolets avec des longueurs d'onde de 157 à 350 nm. La plupart des métaux ont une faible réflectivité pour ce laser et des taux d'absorption élevés en conséquence. Par conséquent, ce type de laser a une grande valeur d'application dans le domaine du traitement des métaux.

Problèmes existants et perspectives du marché

Problèmes principaux

• La capacité de transformer les résultats de la recherche scientifique en productivité est faible, et de nombreux résultats prometteurs de la technologie de traitement laser restent au stade de prototype du laboratoire.
• Composant principal du système de traitement laser, le laser a peu de variétés et une faible fiabilité. À l'étranger, non seulement des lasers tout solide pompés par diode ont été utilisés dans le processus de production, mais également des lasers à diode. Les lasers tout solide à pompage par diode dans mon pays sont encore au stade de la recherche et du développement.
• La recherche et le développement de la technologie de traitement au laser fin sont relativement faibles, et il y a moins de recherche sur le traitement du laser ultraviolet.
• La fiabilité, la sécurité, la maintenabilité et l'adaptation des équipements de traitement laser sont médiocres et il est toujours difficile de répondre aux besoins de la production industrielle à grande échelle.

Perspectives du marché

La technologie de traitement au laser a considérablement amélioré le niveau de fabrication traditionnelle, entraîné de grands changements dans la conception des produits, la technologie de fabrication et les concepts de production, et déclenché une révolution dans la technologie de fabrication. Comparé au système international de traitement laser avancé, le système de traitement laser de mon pays présente un écart important (les statistiques des données montrent qu'il ne représente qu'environ 2% des ventes mondiales). Les principales manifestations sont qu'il existe peu de systèmes de traitement laser haut de gamme, que les principaux lasers ne sont pas éteints et que l'équipement de traitement au micro-laser présente un écart important.

les fabricants d'équipements de traitement laser de mon pays se développent régulièrement et le marché national des applications laser a beaucoup de place pour le développement. Au cours des prochaines années, les entreprises de production de traitement au laser connaîtront un développement plus rapide, principalement en raison des aspects suivants.

• L'Etat y attache une grande importance. Les ministères à tous les niveaux prêtent une attention active aux projets, les planifient et les mettent en place. De nombreux fonds sont injectés, ce qui favorise l'innovation indépendante et la mise à niveau technologique des produits d'entreprise.
• L'acceptation de la technologie de traitement au laser dans diverses industries manufacturières nationales peut augmenter le contenu technique de leurs produits et accélérer la mise à niveau du produit. L'utilisation d'une technologie avancée de traitement laser peut atteindre le niveau de « fabrication agile » et répondre aux exigences du marché en matière de produits personnalisés.
• Peu à peu, un groupe industriel de pièces laser soutenant les entreprises s'est progressivement formé et divers fabricants de systèmes de traitement laser distinctifs ont été progressivement établis. À l'heure actuelle, quatre ceintures industrielles de fabrication d'équipements de traitement au laser ont été formées, principalement distribuées en Chine centrale, dans le delta de la rivière des Perles, le delta du fleuve Yangtze et le delta du fleuve Yangtze. Beijing-Tianjin Rim Bohai Zone économiquement développée.
• La recherche et le développement des principaux lasers nationaux sont entrés dans la phase d'application du marché, tels que le CO axial haute puissance₂ lasers, cavité métallique de petite et moyenne puissance RF CO₂ lasers, lasers tout solide pompés par semi-conducteurs, lasers à fibre, ainsi que DPL à fréquence doublée, modules de diodes haute puissance, etc. Entrant dans la phase de commercialisation, le développement positif est prêt, créant les conditions pour l'application de produits domestiques équipement de traitement laser.