Princípio da Tecnologia de Processamento a Laser

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Laser é a abreviatura de amplificação de luz por emissão estimulada de radiação, que significa “amplificação de luz por emissão estimulada de radiação”. Como um importante símbolo do desenvolvimento da ciência e tecnologia no século 20 e um dos pilares da tecnologia optoeletrônica na moderna sociedade da informação, o desenvolvimento da tecnologia do laser e indústrias relacionadas tem sido altamente valorizado pelos países avançados. O processamento a laser é o campo mais promissor de aplicações do laser. Em particular, as tecnologias de soldagem a laser, corte a laser e revestimento a laser desenvolveram-se rapidamente nos últimos anos e produziram enormes benefícios econômicos e sociais.

Princípios, características e tecnologia de processamento a laser

A tecnologia de processamento a laser é uma tecnologia que usa as características da interação entre o feixe de laser e a substância para cortar, soldar, tratar a superfície, perfurar e processar o emblema em materiais (incluindo metais e não metais). Como uma tecnologia de fabricação avançada, o processamento a laser tem sido amplamente utilizado na indústria automotiva, aparelhos eletrônicos, aviação, metalurgia, fabricação de máquinas e outros campos industriais. Ele desempenha um papel cada vez mais importante na melhoria da qualidade do produto e produtividade do trabalho, alcançando automação e livre de poluição e reduzindo o consumo de material. efeito.

O princípio do processamento a laser

O processamento a laser é um método de processamento no qual um feixe de laser focalizado é usado como fonte de calor para bombardear a peça de trabalho para fundir peças de metal ou não metálicas para formar pequenos orifícios, cortes, conexões, revestimento, etc. O processamento a laser é essencialmente um processo de interação entre laser e material não transparente. É um processo quântico na visão microscópica e é refletido, absorvido, aquecido, derretido, vaporizado e outros fenômenos na visão macroscópica.

Sob a irradiação de feixes de laser de diferentes densidades de potência, várias mudanças ocorrem na área de superfície do material. Essas mudanças incluem aumento da temperatura da superfície, derretimento, vaporização, formação de pequenos orifícios e geração de plasma fotoinduzido. A Figura 1.1 mostra várias mudanças no estado do material metálico sob a ação da radiação laser com diferentes densidades de potência.

Quando a densidade de potência do laser é inferior a 104 W / cm², a absorção da energia do laser pelo metal apenas faz com que a temperatura da superfície do material aumente, mas a fase sólida permanece inalterada. Pode ser usado para tratamento térmico de superfície, endurecimento por mudança de fase ou brasagem de peças.

Quando a densidade de potência do laser está na ordem de 104 ~ 106W / cm², o aquecimento por condutividade térmica é gerado e a camada superficial do material derrete. Pode ser usado para fundição de superfície de metal, liga, revestimento e soldagem por condutividade térmica (como soldagem de chapa fina de alta velocidade e soldagem de precisão, etc.).

Quando a densidade de potência do laser atinge a ordem de 106W / cm², a superfície do material é irradiada pelo feixe de laser, e a temperatura de aquecimento da fonte de calor do laser atinge o ponto de ebulição do metal, formando um vapor de plasma e vaporizando violentamente. Sob a ação da pressão de expansão de vaporização, a superfície do líquido é rebaixada para baixo. Pequenos orifícios de penetração profunda, ao mesmo tempo, o vapor de metal é ionizado sob a ação do feixe de laser para gerar plasma foto-induzido, que é usado principalmente para soldagem de penetração a laser, corte e perfuração.

Quando a densidade de potência do laser é maior do que a ordem de 107 W / cm², o plasma fotoinduzido se propagará contra a direção incidente do feixe de laser, formando uma nuvem de plasma, e o fenômeno de blindagem do laser pelo plasma será utilizado para perfuração com laser pulsado. Processamento como endurecimento por impacto.

O processamento a laser é o uso de um feixe de laser de alta densidade para irradiar a peça de trabalho para derreter e vaporizar o material para realizar um processamento especial, como perfuração, corte e soldagem (ver Figura 1.2.). O processamento de condensação inicial era usado principalmente para fazer pequenos orifícios e microssolda devido à sua baixa potência. Na década de 1970, com o surgimento de CO de alta potência₂ lasers, lasers de granada de ítrio e alumínio de alta taxa de repetição (YAG) e pesquisas aprofundadas sobre mecanismos e processos de processamento de laser, a tecnologia de processamento de laser tem feito um grande progresso, e o escopo de aplicação varia. A expansão. Vários quilowatts de equipamentos de processamento a laser têm sido usados para corte de alta velocidade, soldagem de penetração profunda e tratamento de superfície de vários materiais. Vários equipamentos especializados de processamento a laser estão competindo para aparecer, e combinados com rastreamento fotoelétrico, controle digital de computador, robótica e outras tecnologias, melhorando significativamente o nível de automação e as funções de uso do processamento a laser.

O laser pode ser interpretado como um dispositivo que converte energia bruta, como energia elétrica, energia química, energia térmica, energia de luz ou energia nuclear em feixes de radiação eletromagnética de certas frequências de luz específicas (luz ultravioleta, luz visível ou luz infravermelha). A forma de conversão é fácil de realizar em alguns meios sólidos, líquidos ou gasosos. Quando esses meios são excitados na forma de átomos ou moléculas, eles produzem feixes de laser com quase a mesma fase e quase um único feixe longo. Devido à mesma fase e comprimento de onda único, o ângulo de diferença é muito pequeno e a distância que pode ser transmitida é muito longa antes de ser altamente concentrada para fornecer funções como soldagem, corte e revestimento.

O equipamento de processamento a laser é composto por quatro partes principais, a saber, laser, sistema óptico, sistema mecânico, controle e sistema de detecção. A saída do feixe de laser de alta intensidade do laser é focada na peça de trabalho através da lente, e a densidade de potência no ponto focal é tão alta quanto 106 ~ 1012 W / cm² (a temperatura chega a 10000 ℃) e qualquer material derrete e vaporiza instantaneamente. O processamento a laser usa o efeito térmico dessa energia de luz para realizar a soldagem, perfuração e corte de materiais. Os lasers comumente usados para processamento são principalmente lasers de estado sólido YAG e CO₂ lasers, que têm as vantagens de estrutura simples, grande potência de saída e alta eficiência de conversão de energia, e podem ser amplamente usados para processamento de materiais a laser.

Características do processamento a laser

O primeiro feixe de laser do mundo foi produzido usando uma lâmpada de flash para excitar grãos de cristal de rubi em 1960. Devido à limitação da capacidade de calor do cristal, ele pode produzir apenas um feixe de pulso muito curto e a frequência é muito baixa. Embora a energia de pico do pulso instantâneo possa ser tão alta quanto 106W / cm², ainda é uma baixa produção de energia.

O uso de varetas de cristal de granada de ítrio e alumínio (Nd: YAG) com o número (Nd) como o elemento de excitação pode produzir um feixe contínuo de comprimento de onda único de 1 ~ 8Kw. O laser YAG (comprimento de onda é 1,06 pm) pode ser conectado à cabeça de processamento do laser por meio de uma fibra óptica flexível. O layout do equipamento é flexível e adequado para soldagem com espessura de 0,5-6 mm. Usando CO₂ laser (comprimento de onda 1,06 pm) com CO₂ como excitatriz, a energia de saída pode chegar a 25kW e pode ser usada para soldagem de penetração total de passagem única de placas de 2 mm de espessura. Tem sido amplamente utilizado no processamento de metais na indústria.

• O ponto de luz é pequeno, a energia é concentrada e a zona afetada pelo calor é pequena; o feixe de laser é fácil de focalizar e guiar, o que é conveniente para o controle automático.
• Ele não toca a peça de trabalho de processamento e não causa poluição na peça de trabalho; não está sujeito a interferência eletromagnética e é mais conveniente de usar do que o processamento de feixe de elétrons.
• A faixa de processamento é ampla, quase qualquer material pode ser gravado e cortado. A gravação e o corte em alta velocidade podem ser executados de acordo com a saída do padrão pelo computador, e a velocidade do corte a laser é muito mais rápida do que a do corte com fio.
• Seguro e confiável: o processamento sem contato é adotado, o que não causará extrusão mecânica ou estresse mecânico na seção do material. Exato e meticuloso; a precisão de usinagem pode chegar a 0,1 mm. Efeito consistente: para garantir que o efeito de processamento do mesmo lote de peças de trabalho seja quase o mesmo.
• A costura de corte é pequena; a costura de corte do corte a laser é geralmente de 0,1 ~ 0,2 mm e a superfície de corte é lisa: a superfície de corte do corte a laser não tem rebarbas. Pequena distorção térmica: O processamento a laser de corte a laser é fino, rápido e concentrado em energia. Portanto, o calor transferido para o material a ser cortado é pequeno, e a deformação do material também é muito pequena.
• É adequado para o processamento de grandes produtos. O custo de fabricação de moldes de produtos grandes é muito alto. O processamento a laser não requer nenhum molde, e o processamento a laser pode evitar completamente o colapso do material quando o material é perfurado e cortado, o que pode reduzir o custo de produção da empresa e melhorar o produto. As engrenagens.
• Baixo custo: não limitado pelo número de processamento, o processamento a laser é mais adequado para serviços de processamento de pequenos lotes.
• Economia de material: o processamento a laser adota programação de computador, que pode cortar produtos de diferentes formas, o que maximiza a taxa de utilização dos materiais e reduz muito o custo dos materiais.

Tecnologia de processamento a laser

A tecnologia laser é uma tecnologia abrangente que envolve várias disciplinas, como luz, mecânica, eletricidade, materiais e testes. Tradicionalmente, as técnicas de processamento a laser incluem corte, soldagem, tratamento de superfície, revestimento, puncionamento (marcação), rabisco e outras técnicas de processamento. Os requisitos dos diferentes métodos de processamento de material na potência do laser e na qualidade do feixe do sistema de fabricação do laser são mostrados na Figura 1.3.

Tecnologia de soldagem a laser

A soldagem a laser é um dos aspectos importantes da aplicação da tecnologia de processamento a laser. A radiação laser aquece a superfície da peça de trabalho e o calor da superfície é difundido para o interior por meio da condução de calor. Ao controlar a largura, energia, densidade de potência e frequência de repetição do pulso do laser, a peça de trabalho é derretida para formar uma poça fundida específica. Devido às suas vantagens únicas, tem sido usado com sucesso na soldagem de peças pequenas e pequenas. O surgimento de CO de alta potência₂ lasers e lasers de fibra de alta potência abriram um novo campo de soldagem a laser. A soldagem de penetração profunda com base no efeito pinhole foi obtida e tem sido amplamente utilizada em máquinas, fabricação de automóveis, aço e outros setores industriais.

A soldagem a laser pode soldar peças de difícil acesso e realizar soldagem de longa distância sem contato, o que tem grande flexibilidade. A tecnologia laser YAG usa tecnologia de transmissão de fibra óptica, o que torna a tecnologia de soldagem a laser mais amplamente utilizada. O feixe de laser é fácil de dividir o feixe de acordo com o tempo e espaço e pode processar vários feixes ao mesmo tempo, o que fornece condições para uma soldagem mais precisa. Por exemplo, pode ser usado para placas grossas e finas de carroçaria de automóveis, peças de automóveis, baterias de lítio, marcapassos cardíacos, relés selados, etc. Vários dispositivos e dispositivos selados não permitem a deformação e contaminação da soldagem.

A tecnologia de soldagem a laser tem um efeito de purificação de poça fundida, pode obter metal de solda puro e é adequada para soldagem entre o mesmo metal e materiais diferentes. A soldagem a laser tem alta densidade de energia, o que é particularmente vantajoso para soldar metais com alto ponto de fusão, alta refletividade, alta condutividade térmica e propriedades físicas muito diferentes.

As principais vantagens da soldagem a laser são velocidade rápida, grande penetração, pequena deformação e pode ser soldada em temperatura ambiente ou em condições especiais. Quando o laser passa pelo campo eletromagnético, o feixe não muda; o laser pode ser soldado em ambientes de ar e de gás e pode soldar vidro ou materiais transparentes ao feixe. Depois que o laser é focalizado, a densidade de potência é alta e a proporção de aspecto durante a soldagem pode chegar a 5: 1, até 10: 1, e pode soldar materiais refratários, como titânio e quartzo, e pode soldar materiais diferentes com bons resultados , como a soldagem de dois materiais com propriedades diferentes, cobre e tântalo, pode atingir uma taxa de aprovação de 100%. Micro-soldagem também pode ser realizada. Depois que o feixe de laser é focalizado, um pequeno ponto pode ser obtido e pode ser posicionado com precisão. Pode ser usado na soldagem de montagem de micro e pequenos componentes de produção automatizada em massa, como cabos de circuito integrado, molas de relógio, montagem de canhão de elétrons de tubo de imagem, etc., devido ao uso de soldagem a laser, a eficiência de produção é alta, a zona afetada pelo calor é pequena e as juntas de solda são livres de poluição, o que melhora muito a qualidade da soldagem.

Tecnologia de corte a laser

O corte a laser é obtido pela aplicação de energia de alta densidade de potência gerada pela focalização do laser. Sob o controle do computador, o laser é descarregado por meio de pulsos e um laser pulsado de alta frequência repetitivo controlado é emitido para formar um feixe de laser com uma certa frequência e uma certa largura de pulso. O feixe de laser pulsado é transmitido através do caminho óptico, refletido e focado na superfície do objeto processado através do grupo de lentes de foco, formando um pequeno ponto de alta densidade de energia, o foco está localizado perto da superfície a ser processada, e o material processado é derretido ou vaporizado em alta temperatura instantânea.

O pulso de laser de alta energia pode fazer um pequeno orifício na superfície do objeto em um instante. Sob o controle do computador, a cabeça de processamento do laser e o material processado realizam movimento relativo contínuo de acordo com os gráficos pré-desenhados, de modo que o objeto seja processado na forma desejada. Ao cortar, uma corrente de ar coaxial com o feixe é ejetada da cabeça de corte e o material derretido ou vaporizado é expelido da parte inferior da incisão. Em comparação com os métodos tradicionais de processamento de chapa, o corte a laser tem as vantagens de boa qualidade de corte (largura de corte estreita, pequena zona afetada pelo calor, corte suave), velocidade de corte rápida, alta flexibilidade (pode cortar qualquer formato) e uma ampla gama de materiais adaptabilidade.

A tecnologia de corte a laser é amplamente utilizada no processamento de materiais metálicos e não metálicos, o que pode reduzir muito o tempo de processamento, reduzir os custos de processamento e melhorar a qualidade da peça de trabalho. A moderna tecnologia de corte a laser se tornou a espada de "cortar ferro como lama" que as pessoas idealmente buscam.

Tomando o CO₂ máquina de corte a laser, por exemplo, todo o dispositivo de corte é composto por um sistema de controle, um sistema de movimento, um sistema óptico, um sistema de resfriamento de água, um sistema de proteção de ar, etc., usando o modo CNC avançado para alcançar a ligação multi-eixo e corte de energia a laser sem ser afetado pela velocidade; O servo motor com desempenho superior e a estrutura de orientação da transmissão podem alcançar boa precisão de movimento em alta velocidade.

O corte a laser pode ser usado na fabricação de automóveis, computadores, eletromecânica, peças de metal e materiais especiais, lâminas de serras circulares, arruelas de pressão, placas de cobre para peças eletrônicas, placas de malha de metal, tubos de aço, baquelite, folhas de liga de alumínio, vidro de quartzo, silício Borracha, folha de cerâmica de alumina, liga de titânio, etc. Os lasers usados são YAG lasers e CO₂ lasers. Os lasers pulsados são adequados para materiais metálicos e os lasers contínuos são adequados para materiais não metálicos. Este último é um importante campo de aplicação da tecnologia de corte a laser.

Tecnologia de revestimento a laser

O cladeamento a laser refere-se à fusão simultânea do material de cladeamento e da camada superficial do substrato por irradiação de feixe de laser na superfície do substrato de cladeamento de diferentes maneiras, e a solidificação rápida para formar uma fusão com diluição extremamente baixa e uma ligação metalúrgica com o substrato. Revestimento, um método de processo para melhorar a resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência ao calor, resistência à oxidação e características elétricas da superfície da camada de base.

Usando a densidade de alta potência do feixe de laser, a adição de pó de liga auto-fundente de composição específica (como ligas à base de níquel, cobalto e ferro, etc.), forma uma camada de revestimento muito fina na superfície do substrato para torná-los uniformes em estado fundido Espalhe na superfície da peça e alcance uma espessura predeterminada, e forma uma boa ligação metalúrgica com a matriz de micro-fusão, havendo apenas um pequeno grau de diluição entre si. No processo de solidificação rápida subsequente, a superfície da peça é completamente diferente do substrato. Camada de material de revestimento funcional com propriedades especiais. O revestimento a laser pode alterar completamente as propriedades de superfície dos materiais e fazer com que a superfície de materiais de baixo custo obtenha resistência ao desgaste extremamente alta, resistência à corrosão, resistência à alta temperatura e outras propriedades.

O revestimento a laser pode atingir o propósito de modificação, reparo ou remanufatura de superfície. Pode reparar buracos e rachaduras na superfície do material, restaurar o tamanho geométrico e o desempenho das peças desgastadas, atender aos requisitos de desempenho específico da superfície do material e economizar muitos metais preciosos. Comparado com a superfície, pulverização, galvanoplastia e deposição de vapor, o revestimento a laser tem as características de baixa taxa de diluição, estrutura densa e uma boa combinação de camada de revestimento e substrato. É amplamente utilizado nas indústrias aeroespacial, de moldes e eletromecânica. Atualmente, os lasers usados no revestimento a laser são principalmente lasers YAG de alta potência e CO₂ lasers.

Tratamento térmico a laser

O feixe de laser de alta densidade é usado para aquecer a superfície da peça de metal para obter a modificação da superfície (isto é, para melhorar a dureza da superfície, resistência ao desgaste e resistência à corrosão da peça de trabalho) tratamento térmico. O feixe de laser pode ser endurecido localmente e seletivamente de acordo com os requisitos, e a tensão e a deformação da peça de trabalho são pequenas. Esta tecnologia é amplamente utilizada na indústria automotiva, como tratamento térmico a laser de camisas de cilindro, virabrequins, anéis de pistão, comutadores, engrenagens e outras peças, e também é amplamente utilizada na indústria aeroespacial, indústria de máquinas-ferramenta e indústria de máquinas. A aplicação de tratamento térmico a laser em meu país é muito mais ampla do que em outros países. Os lasers usados atualmente são principalmente lasers YAG e CO₂ lasers.

O tratamento térmico a laser pode atingir o endurecimento de transformação de fase (ou têmpera de superfície, amorfização de superfície, têmpera por remissão de superfície), liga de superfície e outros tratamentos de modificação de superfície na superfície do metal, resultando em composição de superfície e propriedades estruturais que não podem ser alcançadas por grande têmpera de superfície. O endurecimento por transformação a laser é o processo mais antigo, mais estudado e mais amplamente usado no tratamento térmico a laser. É adequado para a maioria dos materiais e diferentes partes de peças com diferentes formatos e pode melhorar a resistência ao desgaste e à fadiga das peças. Após o tratamento térmico a laser, a dureza superficial do ferro fundido pode chegar a mais de 60HRC, e a dureza superficial do aço carbono médio e alto carbono pode chegar a mais de 70HRC, o que melhora a resistência ao desgaste, resistência à corrosão e resistência à oxidação do material , e estende a vida útil da peça de trabalho.

A tecnologia de recozimento a laser é um processo de processamento de semicondutores e o efeito é muito melhor do que o recozimento por tratamento térmico convencional. Após o recozimento a laser, a taxa de substituição de impurezas pode chegar a 98% ~ 99%, o que pode reduzir a resistividade do polissilício em 40% ~ 50%, o que pode melhorar muito a integração de circuitos integrados e reduzir o espaçamento entre os elementos do circuito para 0,5 μm.

Tecnologia de prototipagem rápida a laser

A tecnologia de prototipagem rápida a laser é formada pela combinação de tecnologia de processamento a laser com tecnologia de controle numérico de computador e tecnologia de fabricação flexível e é usada principalmente nas indústrias de moldes e modelos. Os lasers atualmente em uso são principalmente lasers YAG, CO₂ lasers e lasers de fibra. A tecnologia de prototipagem rápida a laser integra as mais recentes conquistas da tecnologia laser, tecnologia CAD / CAM, tecnologia de controle e tecnologia de materiais. De acordo com o modelo CAD da peça, o material de polímero fotossensível é curado camada por camada com um feixe de laser e a amostra é empilhada com precisão em uma amostra sem moldes e A ferramenta pode fabricar peças com formas complexas de forma rápida e precisa. Essa tecnologia tem sido amplamente utilizada na indústria aeroespacial, eletrônica, veículos de transporte e outros campos industriais.

Tecnologia de perfuração a laser

A tecnologia de perfuração a laser tem as vantagens de alta precisão, grande versatilidade, alta eficiência, baixo custo e benefícios técnicos e econômicos abrangentes significativos. Tornou-se uma das tecnologias-chave no campo da manufatura moderna. Antes do surgimento dos lasers, apenas materiais com maior dureza podem ser usados. É extremamente difícil fazer furos no material com menos dureza, por isso é extremamente difícil fazer furos no diamante com alta dureza. Após o advento do laser, esse tipo de operação é rápida e segura, mas o orifício feito pelo laser é cônico ao invés do formato cilíndrico da furação mecânica, o que é inconveniente em alguns locais (ver Figura 1.4).

A perfuração a laser é usada principalmente na indústria aeroespacial, fabricação de automóveis, instrumentação eletrônica, química e outras indústrias. O rápido desenvolvimento da perfuração a laser é refletido principalmente na potência de saída do laser YAG usado para perfuração aumentou de 400W para 800W ou mesmo 1000W, e a potência de pico de perfuração tão alta quanto 30 ~ 50kw, a largura de pulso usada para punção é ficando mais estreito, a frequência de repetição está ficando cada vez mais alta, os parâmetros de saída do laser são aprimorados, a qualidade da punção é melhorada, a velocidade da punção é aumentada e a faixa de aplicação da punção a laser também é expandida. A aplicação relativamente madura da perfuração a laser na China está na produção de diamante sintético e matrizes de trefilação de diamante natural, bem como nas indústrias de relógios, instrumentos, lâminas de aeronaves e placas de circuito impresso. Os lasers usados atualmente são CO₂. Lasers e lasers YAG são os principais, e lasers de excimer, lasers de isótopos e lasers de bomba de semicondutor também são usados.

Tecnologia de marcação a laser

A marcação a laser é um método de marcação que usa um feixe de laser de alta densidade de energia para irradiar localmente a peça de trabalho para vaporizar ou alterar a cor do material da superfície, deixando assim uma marca permanente. A marcação a laser pode produzir uma variedade de caracteres, símbolos e padrões, etc., e o tamanho dos caracteres pode variar de milímetros a micrômetros, o que tem um significado especial para a anti-falsificação de produtos. Depois de focar, o feixe de laser extremamente fino é como uma ferramenta, que pode remover o material da superfície do objeto ponto a ponto. A natureza avançada da tecnologia de marcação a laser é que o processo de marcação é um processamento sem contato, que não produz extrusão mecânica ou estresse mecânico e não danificará os itens processados. O tamanho do feixe de laser focalizado é pequeno, a zona afetada pelo calor é pequena e o processamento é bom, o que pode completar o processo que não pode ser alcançado por métodos convencionais.

A “ferramenta” usada na marcação a laser é um feixe focalizado, nenhum equipamento e materiais adicionais são necessários. Contanto que o laser possa funcionar normalmente, ele pode ser processado continuamente por um longo tempo. A marcação a laser possui alta velocidade de processamento e baixo custo. É controlado automaticamente por um computador e não requer intervenção humana durante a produção. A marcação a laser Excimer é uma nova tecnologia desenvolvida nos últimos anos. É especialmente adequado para marcação de metal e pode atingir marcação de submícron. Tem sido amplamente utilizado na indústria de microeletrônica e bioengenharia.

Que tipo de informação o laser pode marcar está relacionada ao conteúdo do design do computador? Contanto que o sistema de marcação de arte projetado pelo computador possa identificá-lo, a máquina de marcação pode restaurar com precisão as informações do projeto em um suporte adequado. Portanto, a função do software de marcação a laser determina em grande parte a função do sistema de marcação a laser. Essa tecnologia tem sido aplicada em diversos materiais e quase todas as indústrias. Os lasers usados incluem lasers YAG, CO₂ lasers e lasers de bomba de semicondutor.

Reforço de superfície do laser e liga

O fortalecimento da superfície do laser é o uso de aquecimento por feixe de laser de alta densidade para fazer a camada fina da superfície da peça de trabalho se fundir e mudar de fase, e então se auto-excitar e resfriar rapidamente para formar uma estrutura microcristalina ou amorfa. A liga da superfície do laser é usar um laser para aquecer o metal, liga ou composto revestido na superfície da peça de trabalho e derreter rapidamente com o metal de base para formar uma nova camada de liga ou camada de composto na superfície da peça de trabalho para atingir o finalidade da modificação da superfície do material. Você também pode usar um feixe de laser para aquecer o metal de base e o gás de passagem para causar reações metalúrgicas químicas (como a deposição de vapor na superfície) para formar um filme fino com a estrutura de fase desejada na superfície do metal para alterar as propriedades da superfície da peça de trabalho . O reforço da superfície do laser e a formação de liga são adequados para peças que precisam melhorar a resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas e outras propriedades no setor aeroespacial, armas, indústria nuclear e fabricação de automóveis.

De outros

Além da tecnologia de processamento a laser mencionada acima, a tecnologia de processamento a laser madura também inclui tecnologia de gravação a laser, tecnologia de ajuste fino a laser, tecnologia de armazenamento a laser, tecnologia de gravação a laser, tecnologia de limpeza a laser, tecnologia de galvanoplastia aprimorada a laser, tecnologia de envidraçamento a laser, etc.

A tecnologia de fotocondicionamento é mais simples do que a tecnologia de corrosão química tradicional, que pode reduzir muito o custo de produção e pode processar 0,125 ~ 1μm de largura. A linha é adequada para a fabricação de circuitos integrados em grande escala.

A tecnologia de ajuste fino a laser pode ajustar automaticamente a resistência especificada, com uma precisão de 0,01% ~ 0,002%, que é menor em precisão, eficiência e custo do que os métodos de processamento tradicionais. O ajuste fino do laser inclui resistores de filme fino (espessura de 0,01 ~ 0,64m) e filme espesso Ajuste fino da resistência (20-50μm de espessura), ajuste fino da capacitância e ajuste fino de circuitos integrados híbridos.

A tecnologia de armazenamento a laser usa lasers para gravar vídeo, áudio, dados de texto e informações de computador, que é uma das tecnologias de suporte na era da informação.

A tecnologia de gravação a laser é a tecnologia chave para a produção de circuitos integrados. Possui traçado fino, alta precisão (largura de linha de 15-25μm, profundidade de plantio de 5-200μm), velocidade de processamento rápida (até 200mm / s) e rendimento de até 99,5% ou mais.

O uso da tecnologia de limpeza a laser pode reduzir muito a poluição por partículas de dispositivos processados e melhorar o rendimento de dispositivos de precisão.

A tecnologia de galvanoplastia aprimorada por laser pode aumentar a velocidade de deposição de metais, e a velocidade é 1000 vezes mais rápida do que sem irradiação a laser. É de grande importância para a produção e reparo de microinterruptores, peças de instrumentos de precisão, dispositivos microeletrônicos e circuitos integrados de grande escala. A tecnologia aprimorada pode aumentar a firmeza da camada galvanizada em 100-1000 vezes.

A tecnologia de envidraçamento a laser tem um futuro promissor para a modificação de materiais. Seu baixo custo, fácil controle e cópia favorecem o desenvolvimento de novos materiais. O envidraçamento a laser combinado com pulverização de chama, pulverização de plasma, deposição de íons e outras tecnologias tem amplas perspectivas de aplicação no controle da organização e no aprimoramento da resistência ao desgaste superficial e à corrosão. Materiais eletrônicos, materiais eletromagnéticos e outros materiais elétricos são usados idealmente em instrumentos de medição após o envidraçamento a laser.

Status atual e tendência de desenvolvimento da tecnologia de processamento a laser

Após mais de 30 anos de desenvolvimento em meu país, a tecnologia laser alcançou avanços científicos e tecnológicos de alto nível. Muitos foram usados em práticas de produção. A produção de equipamentos de processamento a laser aumentou a uma taxa média anual de 20%, o que resolveu a transformação tecnológica das indústrias tradicionais e a melhoria da qualidade do produto. muitas questões. Por exemplo, a tecnologia de fibra química de lã de laser está sendo promovida em grandes usinas siderúrgicas, como Baosteel e Benxi Iron and Steel, o que mudará o estado da dependência de chapas de aço de cobertura de automóveis em meu país; a qualidade, função e preço das máquinas de marcação a laser e equipamentos de soldagem a laser atendem às necessidades do mercado doméstico e à participação no mercado. A taxa é superior a 80%.

Status atual da tecnologia de processamento a laser

O processamento a laser é o maior projeto em aplicações estrangeiras de laser e também é um meio importante de transformar as indústrias tradicionais. É principalmente 1 ~ 10KW CO₂ lasers, lasers YAG de 100W a kilowatt e lasers de fibra de alta potência para realizar o corte de vários materiais, soldagem, puncionamento, revestimento e tratamento de superfície, etc. De acordo com a revisão e previsão do mercado de laser nos últimos anos, o aplicativo de lasers ocupa o primeiro lugar no campo de processamento de materiais, e os lasers médicos são o segundo maior campo de aplicação no exterior.

No campo de aplicações de processamento a laser, CO₂ lasers são os mais amplamente usados em corte e soldagem, sendo responsáveis por 70% e 20%, respectivamente, e o tratamento de superfície é inferior a 10%. A aplicação dos lasers YAG é soldagem, marcação (50%) e corte (15%). Principalmente. Nos Estados Unidos e Europa, CO₂ lasers representam 70% a 80%. No processamento a laser do meu país, o corte é usado principalmente para 10%, dos quais mais de 98% de CO₂ a potência do laser está na faixa de 1,5 ~ 3KW; cerca de 15% dos quais são principalmente tratamento de superfície, a maioria dos quais são tratamento de superfície a laser de camisas de cilindro de motor de automóvel. Os benefícios econômicos e sociais da tecnologia de processamento a laser são muito altos e há uma grande perspectiva de mercado.

Na indústria automotiva, a tecnologia de processamento a laser oferece total aproveitamento de suas características de processamento avançadas, rápidas e flexíveis. Por exemplo, um grande número de máquinas de corte a laser tridimensionais são usadas em protótipos de automóveis e produção de pequenos lotes, o que não apenas economiza protótipos e equipamentos de ferramentas, mas também reduz consideravelmente o ciclo de produção; o feixe de laser faz pequenos orifícios em materiais de alta dureza e superfícies complexas e curvas, que são rápidos e não causam danos; A soldagem a laser se tornou um processo padrão na indústria automotiva. A Toyota Motor Corporation do Japão usou a tecnologia a laser para soldar painéis da carroceria, soldar placas de metal com diferentes espessuras e diferentes revestimentos de superfície e depois estampar.

Embora o tratamento de superfície a laser não seja tão comum quanto soldagem e corte no exterior, ainda é amplamente utilizado na indústria automotiva, como o tratamento de superfície de camisas de cilindro, virabrequins, anéis de pistão, comutadores, engrenagens e outras peças. Em países industrialmente desenvolvidos, a tecnologia de processamento a laser é combinada com a tecnologia de controle numérico do computador e a tecnologia de fabricação flexível para derivar a tecnologia de prototipagem rápida a laser. Essa tecnologia pode não apenas fabricar modelos rapidamente, mas também derreter diretamente pós de metal e impressão 3D para fazer moldes de metal.

A Figura 1.5 mostra o processo de uso da soldagem a laser para substituir a soldagem por resistência na montagem da carroceria, para que o projeto do carro possa exercer livremente sua imaginação e criatividade para projetar um estilo único de carro. Ao mesmo tempo, a tecnologia de soldagem a laser tem maior eficiência do que a soldagem por resistência a ponto, melhor desempenho da junta, menor consumo de material e outras vantagens.

Devido às vantagens da tecnologia de processamento a laser, todos os fabricantes de automóveis europeus adotaram a tecnologia de processamento a laser em grandes quantidades, sem exceção. Por exemplo, a Volkswagen Company alemã uma vez encomendou lasers YAG de 4kw de alta potência para 260 conjuntos, que são usados principalmente para soldagem de carrocerias e processamento de peças. Mais de 400 conjuntos de diferentes tipos de equipamentos de processamento a laser de alta potência foram instalados na linha de produção da Bosch na Alemanha, que são usados principalmente para o processamento e soldagem de peças automotivas. A amplitude e a profundidade da aplicação da tecnologia de processamento a laser na fabricação de automóveis se tornaram um símbolo importante do avanço da indústria automobilística.

No campo aeroespacial, antes da década de 1970, por não haver laser contínuo de alta potência, a soldagem a laser pulsado era usada principalmente para soldagem por pontos de pequenas peças de precisão, ou soldas formadas por pontos de soldagem únicos sobrepostos. Após a década de 1970, com o desenvolvimento do CO₂ tecnologia de soldagem a laser de vários watts secos, a situação sofreu uma mudança fundamental. Placas de aço com espessura de alguns milímetros podem ser soldadas de uma só vez, e a soldagem resultante é semelhante à soldagem por feixe de elétrons, mostrando o grande potencial da soldagem a laser de alta potência. Por exemplo, a principal razão pela qual o nome vazio A80 pode reduzir significativamente o peso da aeronave, reduzir o consumo de combustível e reduzir os custos operacionais é a aplicação de tecnologia de soldagem a laser para a conexão da fuselagem, a partição interna da asa e o reforço ( Figura 1.6), em vez de O processo de rebitagem original foi chamado de uma grande revolução tecnológica na indústria de fabricação de aviação pela indústria aeroespacial alemã.

Desde o século 21, os lasers YAG têm desempenhado um papel cada vez mais importante na soldagem, corte, perfuração e marcação. Em geral, acredita-se que o corte a laser YAG pode obter boa qualidade de corte e alta precisão de corte, mas a velocidade de corte é limitada. Com a melhoria da potência de saída do laser YAG e da qualidade do feixe, o laser YAG atingiu o quilowatt CO₂, mercado de corte a laser. Os lasers YAG são particularmente adequados para microdispositivos que não permitem deformação térmica e contaminação de soldagem, como baterias de lítio, marcapassos cardíacos e relés selados.

O laser de fibra é um novo tipo de dispositivo a laser desenvolvido nos últimos anos e também é uma das tecnologias de hotspot no campo da pesquisa de informações optoeletrônicas no país e no exterior. Por causa de suas vantagens em modos ópticos e vida útil, os lasers de fibra se tornaram um representante de uma nova geração de lasers de estado sólido. Eles foram amplamente estudados e desenvolvidos rapidamente em casa e no exterior, e têm amplas perspectivas de aplicação.

A tendência de desenvolvimento da tecnologia de processamento a laser

O laser é uma das principais invenções do século 20 e possui enorme potencial tecnológico. Os especialistas acreditam que agora é o apogeu da tecnologia eletrônica, o protagonista é o computador, a próxima geração será a era da tecnologia óptica e o protagonista é o laser. O laser é especialmente adequado para processamento de materiais por causa de suas três características: unissexualidade, coerência e paralelismo. O processamento a laser é o campo mais promissor de aplicações do laser, e mais de 20 tecnologias de processamento a laser foram desenvolvidas no exterior. O controle de espaço e de tempo do laser são muito bons, e o material, forma, tamanho e ambiente de processamento do objeto de processamento têm grande liberdade e é especialmente adequado para processamento automático. A combinação do sistema de processamento a laser e a tecnologia de controle numérico do computador pode formar um equipamento de processamento automático de alta eficiência, o que abre amplas perspectivas para processamento e produção de alta qualidade, alta eficiência e baixo custo

A tecnologia de processamento a laser é uma das importantes tecnologias de apoio à tecnologia de manufatura verde, que está em linha com a estratégia nacional de desenvolvimento sustentável. A tendência de desenvolvimento da tecnologia de processamento a laser se reflete principalmente nos seguintes aspectos.

• Em termos de pesquisa e desenvolvimento de materiais, de acordo com os tipos de materiais para soldagem a laser e revestimento, são desenvolvidos materiais de soldagem a laser e revestimento de diferentes materiais, respectivamente.
• Em termos de controle de processo, para processos de soldagem por astigmatismo e revestimento, a tendência de desenvolvimento é desenvolver um sistema de monitoramento online baseado em soldagem a laser e revestimento para monitorar o processo de soldagem a laser e revestimento em tempo real. Pesquise e desenvolva processos compostos (como composto de arco a laser, etc.) que sejam compatíveis com soldagem a laser e revestimento para melhorar a eficiência da soldagem e revestimento a laser.
• No gerenciamento e robotização de sistemas de processamento, a integração do sistema não é apenas o processamento em si, mas também a detecção em tempo real e o processamento de feedback. Com o estabelecimento de sistemas especialistas, a inteligência do sistema de processamento tornou-se uma tendência de desenvolvimento inevitável. Para melhorar a eficiência da soldagem, corte e revestimento a laser, robôs inteligentes de baixo custo foram desenvolvidos e gradualmente popularizados e aplicados.
• A pesquisa de uma nova geração de lasers industriais está atualmente em um período de atualização tecnológica, que é marcado pelo desenvolvimento e aplicação de lasers de estado sólido com bombeamento de diodo.

O conjunto completo de equipamentos de processamento a laser inclui um gerador de laser, sistema de controle numérico, máquina-ferramenta de processamento, etc., que constituem o sistema de manufatura flexível de processamento a laser. No momento, o foco da pesquisa e desenvolvimento da tecnologia de processamento a laser pode ser resumido nos seguintes aspectos

• Controle numérico e integração. Combinar lasers com tecnologia de controle numérico de computador, sistemas ópticos avançados e posicionamento de peças de alta precisão e automatizado para formar um centro de processamento de pesquisa e produção tornou-se uma tendência no desenvolvimento da tecnologia de processamento de laser
• Miniaturização e combinação. Os dois métodos de processamento de corte a laser e estamparia foram combinados em uma máquina-ferramenta em países estrangeiros para fazer uma máquina de puncionamento a laser. Ele tem a versatilidade do corte a laser e as características de alta velocidade e eficiência do processamento de estampagem. Corte de formas complexas, puncionamento, marcação, rabisco e outros processamentos.
• Alta frequência e alta confiabilidade. Atualmente, a taxa de repetição de lasers YAG no exterior atingiu 2.000 vezes / s, e o tempo médio de manutenção dos lasers YAG bombeados por conjunto de diodos aumentou das centenas de horas originais para (1 ~ 2) milhões de horas.
• Use excimer laser para processamento de metal. Este é um novo assunto de processamento a laser estrangeiro. Os lasers de excimer podem emitir lasers ultravioleta com comprimentos de onda de 157 a 350 nm. A maioria dos metais tem baixa refletividade para este laser e, correspondentemente, altas taxas de absorção. Portanto, esse tipo de laser tem grande valor de aplicação na área de processamento de metais.

Problemas existentes e perspectivas de mercado

Principais problemas

• A capacidade de transformar resultados de pesquisas científicas em produtividade é baixa, e muitos resultados promissores de tecnologia de processamento a laser permanecem no estágio de protótipo do laboratório.
• O principal componente do sistema de processamento a laser, o laser tem poucas variedades e baixa confiabilidade. No exterior, não apenas lasers de estado sólido bombeados por diodo foram usados no processo de produção, mas também os lasers de diodo foram usados. Lasers de estado sólido com bomba de diodo em meu país ainda estão em fase de pesquisa e desenvolvimento.
• A pesquisa e o desenvolvimento da tecnologia de processamento de laser fino são relativamente fracos, e há menos pesquisas sobre o processamento de laser ultravioleta.
• A confiabilidade, segurança, manutenção e compatibilidade do equipamento de processamento a laser são ruins e ainda é difícil atender às necessidades da produção industrial em grande escala.

Perspectivas de mercado

A tecnologia de processamento a laser melhorou muito o nível de manufatura tradicional, trouxe grandes mudanças no design do produto, tecnologia de manufatura e conceitos de produção, e desencadeou uma revolução na tecnologia de manufatura. Em comparação com o sistema de processamento a laser avançado internacional, o sistema de processamento a laser do meu país tem uma grande lacuna (as estatísticas de dados mostram que ele representa apenas cerca de 2% das vendas globais). As principais manifestações são que existem poucos sistemas de processamento de laser de última geração, os principais lasers não são desligados e o equipamento de processamento de micro-laser tem uma grande lacuna.

Os fabricantes de equipamentos de processamento a laser do meu país estão se desenvolvendo de forma constante, e o mercado doméstico de aplicações a laser tem muito espaço para desenvolvimento. Nos próximos anos, as empresas de produção de processamento a laser terão um desenvolvimento mais rápido, o que se deve principalmente aos seguintes aspectos.

• O estado atribui grande importância a isso. Departamentos governamentais em todos os níveis estão ativamente prestando atenção, planejando e estabelecendo projetos. Muitos recursos estão sendo injetados, o que promove a inovação independente e a atualização tecnológica dos produtos empresariais.
• A aceitação da tecnologia de processamento a laser em várias indústrias de manufatura nacionais pode aumentar o conteúdo técnico de seus produtos e acelerar a atualização do produto. O uso de tecnologia avançada de processamento a laser pode atingir o nível de “fabricação ágil” e atender aos requisitos do mercado para produtos personalizados.
• Gradualmente, um grupo industrial de peças de laser apoiando empresas foi gradualmente formado, e vários fabricantes distintos de sistemas de processamento a laser foram gradualmente estabelecidos. No momento, quatro cinturões industriais de fabricação de equipamentos de processamento a laser foram formados, principalmente distribuídos na China Central, Delta do Rio das Pérolas, Delta do Rio Yangtze e Delta do Rio Yangtze. Beijing-Tianjin Rim Bohai Área economicamente desenvolvida.
• A pesquisa e o desenvolvimento de lasers líderes nacionais entraram na fase de aplicação no mercado, como o CO axial de alta potência₂ lasers, cavidade de metal RF CO de pequena e média potência₂ lasers, lasers de estado sólido bombeados por semicondutor, lasers de fibra, bem como DPL de frequência dupla, módulos de diodo de alta potência, etc. Entrando na fase de comercialização, o desenvolvimento positivo está pronto, criando condições para a aplicação de equipamento de processamento a laser.