レーザー技術は、溶接、切断、マーキングに広く使用されていることで長い間知られています。過去2年間、レーザークリーニングが徐々に普及するにつれて、レーザー表面処理の概念はますます人々の注目を集め、人々の心に現れました。レーザー加工は非接触で、柔軟性が高く、高速でノイズがなく、熱影響部が小さく、基板に損傷がなく、消耗品がなく、環境に優しく低炭素です。
レーザー洗浄に加えて、レーザー表面処理には、レーザー研磨、レーザークラッディング、レーザークエンチングなど、実際には多くの応用分野があります。これらの方法は、表面処理を疎水性にしたり、レーザーパルスを使用して直径約 10 ミクロン、深さわずか数ミクロンの小さなくぼみを生成したりして、粗さを増やし、表面の接着性を高めるなど、材料表面の特定の物理的および化学的特性を変更するために使用されます。
レーザー洗浄の他に、以下のレーザー表面処理方法をご存知ですか？
01. 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、より高い応力に耐えさせ、寿命を延ばすことができます。
その原理は、炭素含有ワークピースの表面を融点よりわずかに低い温度（900-1400度で照射パワーの40％が吸収される）まで加熱することにより、金属格子内の炭素原子を再配置（オーステナイト化）し、その後、レーザービームが送り方向に沿って表面を安定的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、金属格子が元の形に戻れなくなり、マルテンサイトが生成され、硬度が大幅に増加します。
レーザー焼入れによ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 以上になることもあります。従来の焼入れ方法と比較すると、その利点は次のとおりです。
1. 対象とする熱入力は同じ領域に限定されるため、処理中に部品が反ることはほとんどありません。手直しのコストが削減されるか、完全に排除されます。
2. 複雑な幾何学的表面や精密部品の硬化も可能で、従来の焼入れ方法では焼入れできない局所的に制限された機能面の精密な硬化も実現できます。
3. 歪みなし。従来の硬化プロセスでは、高いエネルギー入力と急冷により変形が生じますが、レーザー硬化プロセスでは、レーザー技術と温度制御により熱入力を正確に制御できます。部品はほぼ元の状態のままです。
4. コンポーネントの硬度ジオメトリは「瞬時に」変更できます。つまり、光学系やシステム全体を変換する必要はありません。
02. 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のためのプロセス手段の 1 つです。構造化プロセスでは、レーザーが層または基板に規則的に配列された形状を作成し、技術的特性をターゲットに合わせて変更して新しい機能を開発します。このプロセスは、おおまかに言うと、レーザー放射 (通常は短パルス レーザー) を使用して、表面に規則的に配列された形状を再現可能な方法で生成することです。レーザー ビームは材料を制御された方法で溶かし、適切なプロセス管理を通じて定義された構造に固化します。
たとえば、疎水性の表面構造により、水は表面から流れ落ちます。この機能は、超短パルスレーザーを使用して表面にサブミクロンの構造を作成することで実現でき、作成する構造はレーザーパラメータを変更することで正確に制御できます。親水性表面などの反対の効果も実現できます。
自動車パネルの塗装では、塗料の密着性を高めるために、薄板の表面に「マイクロピット」を均一に分布させる必要があります。1秒間に数千回から数万回の周波数のパルスレーザービームを集束させてローラー表面に照射します。焦点の位置でローラー表面に小さな溶融池が形成されます。同時に、小さな溶融池を横に吹き飛ばして、溶融池内の溶融物が指定された要件に従って溶融池の端までできるだけ多く集まり、円弧状の突起を形成します。これらの小さな突起とマイクロピットは、材料表面の粗さを増やして塗料の密着性を高めるだけでなく、材料の表面硬度を高めて耐用年数を延ばすこともできます。
レーザー構造化により、金属材料の摩擦特性や電気伝導性、熱伝導性などの特性が生成されます。さらに、レーザー構造化により、ワークピースの結合強度と耐用年数も向上します。
水上伯光
従来の方法と比較して、表面レーザー構造化はより環境に優しく、追加のサンドブラスト剤や化学薬品を必要としません。繰り返し可能で正確なレーザーは、ミクロン単位の正確な制御された構造を実現し、複製が非常に簡単です。メンテナンスが少なく、すぐに摩耗する機械ツールと比較して、レーザーは非接触であるため、完全に摩耗しません。後処理は必要なく、レーザー処理された部品に溶融物やその他の処理残留物は残りません。
03. レーザーによるカラフルな表面処理
レーザー焼戻しは、レーザーカラー表面処理（レーザーカラーマーキングとも呼ばれます）でよく使用されます。処理原理は、レーザーが材料を加熱すると、金属が融点よりわずかに低い温度まで加熱されることです。適切な処理パラメータの下では、ゲートの構造が変化し、ワークピースの表面に酸化物層が形成されます。この膜が光にさらされると、入射光が干渉して、このときにさまざまな焼戻し色が現れます。表面に生成されるカラフルなマーキング層は、見る角度によって変化します。マークのパターンもさまざまな色に変わります。これらの色は、約 200 ℃ 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、マーキングは消えます。表面品質は完全に維持されます。偽造防止アプリケーションでは、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。近年、医療技術分野で成熟した使用が進んでいます。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、製品識別にも非常に適しており、UDI 指令に従った独自のトレーサビリティを実現します。
04. レーザークラッディング
これは、金属および金属セラミックハイブリッド材料に適した積層造形プロセスです。これを使用して、3D ジオメトリを作成または変更できます。この製造方法を使用して、レーザーを使用して 3D ジオメトリを修復またはコーティングすることもできます。したがって、航空宇宙分野では、積層造形はタービンブレードの修復に使用されています。
ツールと金型の製造では、破損または摩耗したエッジや成形された機能面を修復したり、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では、ベアリング、ローラー、油圧部品をコーティングして、摩耗や腐食から保護します。付加製造は自動車の製造にも使用されています。ここでは多数の部品が修正されます。
従来のレーザー金属堆積では、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霧されます。高速レーザー金属堆積では、粉末粒子は基板表面上ですでにほぼ融点まで加熱されているため、粉末粒子を溶融するのに必要な時間が短くなります。
効果：プロセス速度が大幅に向上します。熱の影響が軽減されるため、アルミニウム合金や鋳鉄合金などの熱に非常に敏感な材料も、高速レーザー金属堆積法でコーティングできます。HS-LMD プロセスを使用すると、回転対称表面で最大 1500 rpm の高速表面速度を実現できます。cm/分。同時に、最大数百メートル/分の送り速度が実現されます。
レーザー粉末堆積法で、高価な部品や金型を迅速かつ簡単に修復します。あらゆるサイズの損傷を、ほとんど跡を残さずに迅速に修復できます。設計変更も可能です。これにより、時間、エネルギー、材料を節約できます。これは、ニッケルやチタンなどの高価な金属の場合に特に価値があります。典型的な用途の例としては、タービンブレード、さまざまなピストン、バルブ、シャフト、金型などがあります。
05. レーザー熱処理
数千個のマイクロレーザー (VCSEL) が 1 つのチップに搭載されています。各エミッターには 56 個のチップが搭載されており、モジュールは複数のエミッターで構成されています。長方形の放射フィールドには数百万個のマイクロレーザーが含まれ、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、大きな方向性のある長方形のビーム断面を持つ、放射強度 100 W/cm² の近赤外線ビームを生成します。原理的には、この技術は、表面および温度制御において極めて高い精度が求められるすべての産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、要求が厳しく柔軟な要件を伴う大面積加熱アプリケーション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、コスト削減が向上しています。
この技術は、袋型セルを密封してアルミホイルのしわを防ぎ、バッテリーの耐用年数を延ばすために使用できます。また、バッテリーアルミホイルの乾燥、太陽光パネルの光浸漬、特定の材料（鋼鉄やシリコンウェーハなど）の加熱領域の精密加工にも使用できます。
06. レーザー研磨
レーザー研磨技術のメカニズムは、表面狭溶融と表面過溶融であり、レーザー再溶融層の表面再溶融と再凝固に依存しています。金属表面に十分に高いエネルギーのレーザーを照射すると、その表面はある程度の再溶融と再分布を受け、表面の引張応力と重力の作用により、凝固前に滑らかな表面が実現されます。
溶融層全体の厚さは谷から山までの高さよりも小さいため、溶融金属全体が近くの谷に充填されます。この充填の駆動力は毛細管効果によって得られ、層が厚いと液体金属が溶融池の中心から外側に流れ出ます。駆動力は熱毛細管効果またはマルコーニ効果であり、これにより再分配されます。
水爾比光
応用例としては、軽量・大型望遠鏡（特に大型で複雑な形状の反射鏡）の光学部品として使用される炭化ケイ素セラミックスがあります。RB-SiCは典型的な高硬度の複合相材料であり、その表面精密研磨技術は難しく、非効率的です。Si粉末でプレコーティングされたRB-SiCの表面をフェムト秒レーザーで改質します。わずか4.5時間の研磨で、表面粗さSq 4.45 nmの光学表面が得られます。直接研削研磨と比較して、研磨効率は3倍以上向上します。レーザー研磨は、金型、カム、タービンブレードの研磨にも広く使用されています。
07. レーザーショットピーニング
レーザー衝撃強化はレーザーショットピーニングとも呼ばれ、金属部品の表面に高エネルギー密度、高焦点、短パルスレーザー（λ=1053nm）を照射することです。表面の金属（または吸収層）は、高出力密度レーザーの作用により瞬時にプラズマ爆発を形成します。爆発の衝撃波は拘束層の拘束下で金属部品の内部に伝達され、表面の粒子に圧縮塑性変形を生じさせ、部品の表面のより厚い範囲で残留圧縮応力、粒子の微細化などの表面強化効果が得られます。従来の機械式ショットピーニングと比較して、次の利点があります。
1. 強い指向性: レーザーは金属表面に制御可能な角度で作用し、高いエネルギー変換効率を持ちますが、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生成される瞬間圧力は数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～数十GW//cm2に達します。
3. 表面の完全性が良好: 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後は表面形態が損傷し、応力集中が発生します。
レーザー照射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、耐高温性、曲げ成形などの関連指標の値が大幅に向上します。航空機表面処理や航空エンジン表面処理の分野で応用されています。
