Лазерная очистка: механизм, характеристики и области применения.

История приложения

В промышленности и других областях долгое время доминировали традиционные методы очистки, такие как химическая очистка и механическая шлифовка. Химическая очистка, как правило, приводит к образованию большого количества химических отходов, вызывая загрязнение окружающей среды, и может представлять опасность коррозии для некоторых прецизионных компонентов. Хотя механическая шлифовка может удалять поверхностные загрязнения, она склонна повреждать подложку, дает плохие результаты при обработке компонентов сложной формы, производит пылеобразование, угрожающее здоровью операторов, и с трудом справляется с требованиями к высокоточной очистке.

В связи с быстрым развитием высокотехнологичных отраслей промышленности, таких как аэрокосмическая, железнодорожная и судостроительная, требования к очистке компонентов стали все более жесткими. Качество поверхности крупных и сложных компонентов — таких как воздухозаборники авиационных двигателей, кузова высокоскоростных железнодорожных вагонов и люки судов — напрямую влияет на эксплуатационные характеристики и срок службы изделия. Эти компоненты не только имеют большие размеры и сложную форму, но и требуют чрезвычайно высокой точности, эффективности и целостности поверхности при очистке. Традиционные методы очистки больше не соответствуют требованиям современного производства.

На фоне растущего глобального внимания к вопросам экологии, обрабатывающая промышленность сталкивается с необходимостью сокращения выбросов загрязняющих веществ и потребления ресурсов. Лазерная очистка, как экологически чистая технология, обладает такими преимуществами, как отсутствие химического загрязнения, низкое энергопотребление и бесконтактная очистка. Она эффективно решает экологические проблемы, вызванные традиционными методами, соответствует стратегиям устойчивого развития и демонстрирует резкий рост спроса на применение в различных областях.

Технология лазерной очистки: механизм

Лазерная очистка — это технология, использующая лазерные лучи высокой плотности энергии для взаимодействия с поверхностями материалов, вызывая отслоение или разрушение загрязнений или покрытий от подложки, тем самым обеспечивая очистку. Процесс лазерной очистки включает в себя множество физических механизмов, таких как термическая абляция, вибрационная деформация, термическое расширение, испарение, фазовый взрыв, давление испарения и плазменный удар. Эти механизмы работают вместе, чтобы отделить очищаемый объект от подложки для эффективной очистки. В зависимости от очищающей среды лазерная очистка может быть разделена на сухую лазерную очистку, влажную лазерную очистку иЛазерная ударно-волновая очистка.

Сухая лазерная очистка

В настоящее время наиболее распространенным методом лазерной очистки является сухая лазерная очистка. Она использует лазерные лучи для непосредственного облучения поверхности подложки, вызывая термическое расширение подложки для преодоления сил Ван дер Ваальса и удаления загрязнений.

Интенсивность лазерного излучения: Значительные изменения плотности энергии лазера влияют на результаты очистки. При низкой интенсивности энергии преобладают испарение и фазовый взрыв; при высокой плотности энергии также играют роль давление испарения и ударные эффекты. Сверхвысокая энергия может привести к проблемам, связанным с плазмой. Очистка обычно проводится при более низкой плотности энергии для защиты подложки.
Длина волны лазера: Длина волны связана с передачей энергии материалу. На коротких длинах волн преобладает фотохимическая абляция, а на длинных — фототермическая абляция. Длина волны также влияет на силы и распределение температуры между частицами и подложкой, тем самым влияя на силу и эффективность очистки, причем эффект различен для разных материалов.
Длительность импульса: короткие и длинные импульсы имеют разные механизмы очистки. Длинные импульсы обладают сильным абляционным эффектом, но низкой селективностью; короткие импульсы могут генерировать высокие температуры и ударные волны для удаления загрязнений с минимальным повреждением. Сверхбыстрые лазерные импульсы работают по механизму «холодной абляции».
Угол падения: при вертикальном облучении частицы загрязнений блокируют лазерный луч; при наклонном облучении повышается эффективность очистки.

Влажная лазерная очистка

Влажная лазерная очистка осуществляется с помощью жидкой пленки. На поверхность очищаемой детали предварительно наносится жидкая пленка, а прямое лазерное излучение быстро нагревает жидкость, создавая сильные ударные силы для удаления поверхностных загрязнений с подложки.

Лазерная ударно-волновая очистка

Лазерная ударно-волновая очистка подразделяется на сухую и гибридную. При сухой лазерной ударно-волновой очистке фокусировка лазера генерирует плазму, которая воздействует на частицы, избегая повреждений от прямого облучения, но оставляя «слепые зоны» — это можно улучшить, регулируя угол падения или используя двухлучевую очистку. Гибридная лазерная ударно-волновая очистка включает в себя методы с использованием пара, подводной и влажной лазерной ударной очистки. Она использует эффекты, связанные с жидкостью, для удаления загрязнений, которые зависят от свойств жидкости, таких как плотность, и имеет широкое применение и значительные преимущества.

Приложения

Аэрокосмическая отрасль: оксидные пленки на воздухозаборниках из титановых сплавов

Лазерная очистка с использованием наносекундных импульсов позволяет добиться замечательных результатов в удалении оксидных пленок с поверхностей воздухозаборников из титанового сплава. Низкий термический эффект предотвращает вторичное окисление подложки, что делает этот метод очистки превосходным.

Механизм сухой очистки: основным механизмом является термическая абляция. Когда энергия лазера воздействует на оксидную пленку, поверхность поглощает большое количество энергии, изменяя механизм абляции в зависимости от интенсивности энергии и формируя различные морфологии поверхности. При низкой энергии оксидная пленка удаляется частично с минимальным количеством повторно расплавленных участков; при умеренной энергии оксидная пленка удаляется полностью с незначительными повреждениями; при высокой энергии, хотя оксидная пленка и удаляется, происходит значительное повреждение подложки, образуя гребнеобразные структуры поверхности.
Механизм влажной очистки: при низких плотностях энергии основным механизмом являются ударные волны, вызванные лазером; при высоких плотностях энергии преобладают термическая абляция и фазовый взрыв. В процессе очистки происходит быстрое охлаждение и нагрев титанового сплава, в результате чего образуется мартенситный титановый сплав. Когда плотность энергии достигает определенного значения, поверхность трансформируется в наноструктурированную выступающую поверхность, что имеет большое значение для последующего применения титановых сплавов.

Высокоскоростная железная дорога: покраска кузовов вагонов из алюминиевого сплава

Толщина лакокрасочного покрытия и методы очистки: Для очистки лакокрасочного покрытия кузовов вагонов высокоскоростных железных дорог из алюминиевого сплава подходящие методы лазерной очистки зависят от цвета и толщины краски.

Тонкий слой краски (толщина ≤ 40 мкм): Лазерные источники света с длинами волн, обладающими низкой степенью поглощения краски, позволяют добиться лучших результатов за счет термической вибрации.
Для удаления толстого слоя краски необходимы лазерные источники света с длинами волн, обладающими высокой степенью поглощения краски, а также механизм абляции.
Удаление красной краски: Основной механизм удаления красной краски — вибрация. Во время очистки энергия лазера проникает в подложку, а термическое напряжение, возникающее из-за повышения температуры подложки, приводит к отслаиванию краски. Весь слой краски может быть удален, оставляя на поверхности алюминиевого сплава рыхлую сетчатую структуру остатков краски.
Удаление синей краски: При одинаковой энергии лазера синяя краска нагревается до более высокой температуры, чем красная, но при этом вызывает меньшее термическое напряжение подложки. Когда температура краски достигает точки кипения, она удаляется путем испарения, сопровождающегося такими механизмами, как расслоение, горение и плазменный удар.

Морские суда: ржавчина на поверхностях корпусов из высокопрочной стали

Сухая очистка для удаления ржавчины: Основной механизм удаления ржавчины с корпусов из высокопрочной стали при сухой очистке заключается в испарении оксидной пленки под действием поглощенной энергии. Сила реакции, возникающая при испарении поверхностных оксидов, способствует удалению более толстых оксидных пленок.
Удаление ржавчины лазером с помощью жидкой пленки: основной механизм заключается в фазовом взрыве капель жидкости при поглощении энергии, создающем ударные силы для удаления слоев ржавчины. Взрывное кипение жидкой пленки усиливает эффект фазового взрыва при удалении ржавчины, обеспечивая лучшее удаление поверхностных оксидных пленок, но затрудняя удаление глубоко въевшихся оксидов. Различные механизмы удаления слоев ржавчины влияют на течение расплавленного металла на поверхности: боковое усилие от фазового взрыва способствует течению расплавленного слоя, обеспечивая более ровную поверхность, в то время как пары оксида, образующиеся при испарении, препятствуют заполнению ямок жидким металлом.

Морская среда: морские микроорганизмы на поверхностях алюминиевых сплавов

Параметры лазера и эффективность очистки: Лазеры с узкой длительностью импульса и высокой пиковой мощностью обеспечивают превосходные результаты очистки поверхностей из алюминиевых сплавов от морских микроорганизмов.
Механизм удаления микроорганизмов: Механизмы лазерного удаления слоя внеклеточного полимерного вещества (ВПВ) и субстратов морских ракообразных включают, соответственно, абляционное испарение и отслаивание ударной волной. Отдельные цепочки микробных макромолекул разрываются при многофотонном поглощении, распадаясь на большое количество атомов. Под совместным действием плазменного удара и механизмов абляции морские микроорганизмы эффективно удаляются.
Для органических веществ, таких как краска и морские микроорганизмы: при низкой плотности лазерной энергии фотохимические эффекты разрывают химические связи, что приводит к ухудшению качества, изменению цвета или потере активности. По мере увеличения плотности энергии происходят такие явления, как абляция, испарение, горение и плазменный удар. Для неорганических веществ, таких как оксидные пленки и ржавчина: при низкой плотности энергии изменений не происходит; абляция и испарение наблюдаются по мере увеличения энергии.
Лазерная очистка объектов культурного наследия

Импульсные лазеры играют решающую роль в сохранении культурного наследия, отвечая требованиям неразрушающей и высокоточной очистки культурных реликвий, таких как каменные, бумажные и металлические изделия.