レーザー表面処理技術

レーザー焼入れ

レーザー焼入れは、高応力の複雑な部品を加工するためのソリューションの 1 つです。 カムシャフトや曲げ工具などの摩耗の激しい部品に高い応力を耐えさせ、寿命を延ばすことができます。

その原理は、金属格子 (オーステナイト) 内の炭素原子を再配列し、レーザー ビームが送り方向に沿って表面を着実に加熱することです。 レーザービームが移動すると、周囲の材料が急速に冷却され、金属格子が元の形状に戻らなくなり、マルテンサイトが生成され、硬度が大幅に増加します。 レーザー硬化によって達成される炭素鋼の外層の硬化深さは、通常 0.1-1.5mm ですが、材料によっては 2.5mm 以上になる場合もあります。

従来の焼入れ方法と比較して、次のような利点があります。
1. 対象となる入熱が局所的に限定されるため、加工時の部品の反りがほとんどありません。 やり直しコストが削減されるか、完全に排除されることもあります。
2. 複雑な幾何学的表面や精密部品の焼入れも可能で、従来の焼入れ方法では焼入れできない局所的に限定された機能面の精密な焼入れを実現できます。
3. 歪みがない。 従来の硬化プロセスでは、より高いエネルギーの入力と焼入れにより変形が発生しますが、レーザー硬化プロセスでは、レーザー技術と温度制御のおかげで入熱を正確に制御できます。 コンポーネントはほぼ元の状態のままです。
4. 部品の硬度形状は、「オンザフライ」で迅速に変更できます。 これは、光学系やシステム全体を変換する必要がないことを意味します。

レーザーテクスチャリング

レーザーテクスチャリングは、金属材料の表面改質を行う加工法の一つです。 構造化プロセス中に、技術的特性を具体的に変更し、新しい機能を開発するために、レーザーは層または基板に規則的に配置された幾何学的形状を作成します。 このプロセスでは、レーザー放射 (通常は短パルス レーザー) を使用して、表面上に規則的に配置された幾何学的形状を反復的に生成します。 レーザービームは、制御された方法で材料を溶解し、適切なプロセス管理により規定の構造に固化します。

レーザーカラフルな表面処理

レーザー焼き戻しは、レーザー カラー マーキングとも呼ばれるレーザー カラフルな表面処理に一般的に使用されます。 プロセス原理は、レーザーが材料を加熱すると、金属がその融点よりわずかに低い温度まで局所的に加熱されるというものです。 適切なプロセスパラメータの下では、この時点でゲートの構造が変化します。 ワークの表面に酸化皮膜が形成され、この皮膜が露光されます。 このとき、照射下では入射光の干渉により様々な焼き戻し色が現れます。 表面に生成されるファントムマーキング層は見る角度によって変化し、マーキングパターンも様々な色に変化します。 色。

これらの色は約 200 度までの温度で安定しています。 温度が高くなると、ゲートは元の状態に戻り、マーキングが消えます。 表面品質はそのまま残ります。 偽造防止アプリケーションにおいて高度なセキュリティとトレーサビリティを備えています。 医療技術で長年使用されており、超短パルスレーザーによる新しい黒色マーキングに加えて、製品マーキングにも最適であり、UDI 指令に準拠した独自のトレーサビリティーを実現します。

レーザークラッディング

金属とサーメットのハイブリッド材料に適した積層造形プロセスです。 これにより、3D 幾何学的形状を作成または変更できます。 この製造方法を使用すると、レーザーで修理やコーティングを行うこともできます。 したがって、航空宇宙産業では、タービンブレードの修理に積層造形が使用されています。 工具や金型の製造では、ひび割れや磨耗したエッジや機能面を修復したり、部分的に保護したりすることができます。 エネルギー技術や石油化学分野では、摩耗や腐食から保護するために、ベアリングの位置、ローラー、または油圧コンポーネントがコーティングされます。 また、積層造形は自動車製造にも使用されています。 ここでは、多数のコンポーネントが改善されました。 従来のレーザー金属クラッディングでは、レーザービームが最初にワークピースを局所的に加熱し、次に溶融池を形成します。 次に、微細な金属粉末がレーザー加工ヘッドのノズルから溶融池に直接噴射されます。 高速レーザー金属クラッディング中、粉末粒子は基板表面のすぐ上でほぼ溶融温度まで加熱されます。 したがって、粉末粒子を溶解するのに必要な時間が短縮されます。 効果: 処理速度が大幅に向上します。 熱の影響が小さいため、アルミニウム合金や鋳鉄合金などの非常に熱に弱い材料も高速レーザー金属クラッディングでコーティングできます。 HS-LMD プロセスにより、回転対称表面上で最大 1500 cm2/min の非常に高い表面速度を生成できます。 同時に、毎分最大数百メートルの送り速度が達成されます。 レーザーパウダーレーザー金属クラッディングを使用して、高価な部品や金型を迅速かつ簡単に修理します。 大小の損傷は、痕跡を残さずに迅速かつ実質的に修復できます。 デザインの変更も可能です。 これにより、時間、エネルギー、材料が節約されます。 特にニッケルやチタンなどの高価な金属の場合、非常に価値があります。 代表的な用途例としては、タービンブレード、各種ピストン、バルブ、シャフト、金型などがあります。

レーザー熱処理

数千個の小型レーザー (VCSEL) が単一のチップに搭載されています。 各送信機にはこれらのチップが 56 個搭載されており、モジュールは複数の送信機で構成されます。 長方形の放射ゾーンには数百万の小さなレーザーを含めることができ、数キロワットの赤外線レーザー出力を出力できます。 VCSEL は、大きな指向性の長方形のビーム断面を介して、放射強度 100 W/cm2 の近赤外線ビームを生成します。 原則として、この技術は、非常に正確な表面および温度制御を必要とするすべての工業プロセスに適しています。 レーザー熱処理モジュールは、厳しい精度と柔軟性を必要とする大面積加熱用途に特に適しています。 従来の加熱方法と比較して、この新しい加熱プロセスは柔軟性、精度が高く、コスト削減が可能です。

この技術を利用してパウチ型電池シートを密封することで、アルミ箔のシワを防ぎ、電池の寿命を延ばすことができます。 また、バッテリー用のアルミ箔の乾燥、光湿潤ソーラーパネル、スチールやシリコンウエハーなどの特定の材料上の加熱領域の精密加工などの用途にも使用できます。

レーザー研磨

レーザー研磨技術のメカニズムは、表面の狭い溶融と表面の過剰溶融であり、表面の再溶融とレーザー再溶融層の再固化に依存します。 金属表面に十分に高いエネルギーのレーザーが照射されると、その表面はある程度の再溶解、再分布、表面引張応力と重力を受け、固化する前に滑らかな表面が得られます。 溶けた層全体の厚さは谷から頂上までの高さよりも薄く、溶融金属全体が近くの谷を埋めることができます。 この充填の推進力は毛細管効果によって実現されますが、より厚い溶融層は液体金属を促進します。溶融池の中心から外側への流れの推進力は、熱毛管効果またはマルコーニ効果であり、それを再分配します。

レーザーショットピーニング・レーザー衝撃強化

レーザーショックピーニングは、レーザーピーニングとも呼ばれ、高エネルギー密度、高焦点の短パルスレーザー（λ=1053nm）を金属部品の表面に照射し、表面金属（または吸収層）を瞬時に硬化させます。高出力密度レーザーの作用下で形成されます。 プラズマが爆発し、爆発の衝撃波が拘束層の拘束を受けて金属部品の内部に伝わり、表面粒子が圧縮塑性変形し、残留圧縮応力や粒子微細化などの表面強化効果が得られます。部品の表面が厚くなります。 従来の機械式ショットブラストと比較して、次の利点があります。

1. 強い指向性: レーザーは高いエネルギー変換効率で制御可能な角度で金属表面に作用しますが、機械的な発射体の衝突角度はランダムです。
2. 大きな力：レーザーショットピーニングプラズマブラストによって発生する瞬間圧力は数GPaにも達します。 高出力密度: レーザー衝撃のピーク出力密度は数GW/cm2から数十GW/cm2に達します。
3. 優れた表面完全性: レーザー衝撃による表面へのスパッタリング効果はほとんどありませんが、機械的なショットピーニングの後は、表面形態が損傷し、応力集中が発生します。 レーザー衝撃後の最大圧縮応力値が向上し、表面残留圧縮応力が約 40% ～ 50% 増加し、ワークピースの疲労寿命、高温耐性、曲げ成形およびその他の関連指標が大幅に向上しました。 航空機の表面処理や航空エンジンの表面処理などの分野で使用されています。