В последние годы лазерная очистка стала одним из наиболее актуальных направлений исследований в области промышленного производства. Исследования охватывают процессы, теорию, оборудование и области применения. В промышленном применении технология лазерной очистки позволяет надежно очищать большое количество различных поверхностей, включая сталь, алюминий, титан, стекло и композитные материалы и т. д. Области применения включают аэрокосмическую, авиационную, судостроительную, высокоскоростную железнодорожную, автомобильную, литейную, атомную энергетику, морскую и другие отрасли.
Технология лазерной очистки, появившаяся в 1960-х годах, обладает такими преимуществами, как высокая эффективность очистки, широкий спектр применения, высокая точность, бесконтактность и доступность. В промышленном производстве, ремонте и других областях она имеет широкие перспективы применения, и ожидается, что она частично или полностью заменит традиционные методы очистки и станет наиболее перспективной экологически чистой технологией очистки в XXI веке.
Метод лазерной очистки
Процесс лазерной очистки очень сложен и включает в себя множество механизмов удаления материала. Для одного метода лазерной очистки одновременно может существовать множество механизмов, которые в основном обусловлены взаимодействием лазера с материалом, включая абляцию поверхности материала, разложение, ионизацию, деградацию, плавление, горение, испарение, вибрацию, распыление, расширение, сжатие, взрыв, отслаивание, шелушение и другие физико-химические изменения.
В настоящее время существуют три основных метода лазерной очистки: лазерная абляция, лазерная очистка с использованием жидкой пленки и очистка лазерными ударными волнами.
Метод очистки методом лазерной абляции
Основные методологические механизмы включают термическое расширение, испарение, абляцию и фазовый взрыв. Лазер воздействует непосредственно на удаляемый материал с поверхности подложки, а в качестве окружающей среды может использоваться воздух, разреженный газ или вакуум. Условия работы просты и наиболее широко используются для удаления различных покрытий, красок, частиц или загрязнений. На приведенной ниже схеме показана схема процесса лазерной абляции.
При воздействии лазерного излучения на поверхность материала происходит первое термическое расширение подложки и очищающего материала. С увеличением времени взаимодействия лазера с очищающим материалом, если температура ниже порога кавитации очищающего материала, происходит только физическое изменение очищающего материала. Разница в коэффициентах термического расширения очищающего материала и подложки приводит к давлению на границе раздела, деформации очищающего материала, отрыву от поверхности подложки, растрескиванию, механическому разрушению, вибрационному сжатию и т. д., а также к удалению очищающего материала струей или отслаиванию от поверхности подложки.
Если температура выше пороговой температуры газификации очищающего материала, возникнут две ситуации: 1) порог абляции очищающего материала будет ниже, чем у подложки; 2) порог абляции очищающего материала будет выше, чем у подложки.
Эти два процесса очистки материалов включают плавление, кавитацию и абляцию, а также другие физико-химические изменения. Механизм очистки более сложен и, помимо термического воздействия, может также включать разрыв молекулярных связей между очищаемым материалом и подложкой, разложение или деградацию очищаемого материала, фазовый взрыв, газификацию очищаемого материала, мгновенную ионизацию, генерацию плазмы.
(1)Лазерная очистка с использованием жидкой пленки
Основной принцип действия метода основан на кипении жидкой пленки, испарении и вибрации и т.д. Необходимость выбора соответствующей длины волны лазера позволяет компенсировать недостаток ударного давления в процессе лазерной абляции и может использоваться для удаления некоторых трудноудаляемых объектов.
Как показано на рисунке ниже, на поверхность очищаемого объекта наносится жидкая пленка (вода, этанол или другие жидкости), после чего она подвергается облучению лазером. Жидкая пленка поглощает энергию лазера, что приводит к мощному взрыву жидкой среды, взрыву кипящей жидкости с высокой скоростью, передаче энергии очищающим материалам поверхности, и высокой кратковременной взрывной силе, достаточной для удаления поверхностных загрязнений и достижения цели очистки.
Метод лазерной очистки с использованием жидкой пленки имеет два недостатка.
Сложный и трудно контролируемый процесс.
Из-за использования жидкой пленки химический состав поверхности подложки после очистки легко изменяется, что приводит к образованию новых веществ.
(1)Метод очистки с помощью лазерной ударной волны
Технологический подход и механизм существенно отличаются от первых двух. Механизм в основном основан на удалении частиц ударной волной, а объектами очистки являются преимущественно частицы (субмикронные или наноразмерные). Требования к процессу очень строгие: необходимо обеспечить ионизацию воздуха, а также поддерживать достаточное расстояние между лазером и подложкой, чтобы гарантировать достаточно сильное воздействие ударной силы на частицы.
Ниже представлена принципиальная схема процесса лазерной ударно-волновой очистки. Лазер направлен параллельно поверхности подложки, при этом подложка не соприкасается с ней. Перемещая заготовку или лазерную головку, регулируйте фокус лазера на частице, расположенной вблизи лазерного луча. В фокусной точке происходит ионизация воздуха, в результате чего образуются ударные волны, которые быстро расширяются, приобретая сферическую форму и контактируя с частицами. Когда момент поперечной компоненты ударной волны на частице становится больше момента продольной компоненты и силы сцепления с частицей, частица удаляется путем перекатывания.
Технология лазерной очистки
Механизм лазерной очистки в основном основан на поглощении лазерной энергией поверхности объекта, её испарении и испарении, или мгновенном тепловом расширении, которое преодолевает адсорбцию частиц на поверхности, благодаря чему объект отделяется от поверхности, и достигается цель очистки.
Вкратце, это можно охарактеризовать следующим образом: 1. лазерное разложение паров, 2. лазерная очистка, 3. тепловое расширение частиц загрязнения, 4. вибрация поверхности подложки и вибрация частиц — четыре аспекта.
По сравнению с традиционными методами очистки, технология лазерной очистки обладает следующими характеристиками.
1. Это «сухая» чистка, без использования чистящих средств или других химических растворов, и чистота при этом значительно выше, чем при химической чистке.
2. Область применения удаления загрязнений и диапазон обрабатываемых поверхностей очень широки, и
3. Благодаря регулированию параметров лазерного процесса, исключается повреждение поверхности подложки за счет эффективного удаления загрязнений, в результате чего поверхность остается в первозданном виде.
4. Лазерная очистка легко поддается автоматизации.
5. Оборудование для лазерной дезактивации может использоваться в течение длительного времени и имеет низкие эксплуатационные расходы.
6. Технология лазерной очистки является экологичной: в результате процесса очистки образуются твердые отходы в виде порошка, небольшого размера, что облегчает хранение и практически не загрязняет окружающую среду.
В 1980-х годах стремительное развитие полупроводниковой промышленности предъявляло более высокие требования к технологиям очистки поверхности кремниевых пластин от загрязнений частицами. Ключевым моментом стало преодоление сильной адсорбционной силы между микрочастицами и подложкой. Традиционные методы химической, механической и ультразвуковой очистки не справлялись с этой задачей, а лазерная очистка позволяла решить подобные проблемы загрязнения. Соответствующие исследования и области применения быстро развивались.
В 1987 году впервые появилась заявка на патент на лазерную очистку. В 1990-х годах Запка успешно применил технологию лазерной очистки в процессе производства полупроводников для удаления микрочастиц с поверхности маски, осуществив таким образом первое применение технологии лазерной очистки в промышленной сфере. В 1995 году исследователи успешно использовали 2-киловаттный TEA-CO2 лазер для очистки фюзеляжа самолета от краски.
С наступлением XXI века, благодаря стремительному развитию лазеров со сверхкороткими импульсами, исследования и применение технологии лазерной очистки в стране и за рубежом постепенно расширялись, сосредоточившись на поверхности металлических материалов. Типичными зарубежными областями применения являются удаление краски с фюзеляжей самолетов, обезжиривание поверхностей пресс-форм, удаление нагара из внутренних частей двигателей и очистка поверхностей соединений перед сваркой. В США Институт сварки Эдисона провел лазерную очистку самолета FG16: при мощности лазера 1 кВт объем очистки составил 2,36 см³ в минуту.
Стоит отметить, что исследования и применение лазерной обработки для удаления краски с современных композитных деталей также являются одним из наиболее актуальных направлений. Лазерная обработка для удаления краски уже реализована на лопастях винтов вертолетов HG53 и HG56 ВМС США, а также на плоском хвостовом оперении истребителя F16 и других композитных поверхностях, в то время как в Китае применение композитных материалов в авиационной промышленности запоздало, поэтому подобные исследования в основном остаются в тупике.
Кроме того, одним из текущих направлений исследований является использование технологии лазерной очистки для обработки поверхности композитных материалов CFRP перед склеиванием с целью повышения прочности соединения. Компания по производству лазерного оборудования адаптировала оборудование для лазерной очистки поверхности дверных рам из легкого алюминиевого сплава для очистки оксидной пленки. Компания Rolls-Royce UK использовала лазерную очистку для удаления оксидной пленки с поверхности компонентов авиационных двигателей из титана.
Технология лазерной очистки стремительно развивается в последние два года, достигнув значительных успехов как в изучении параметров и механизмов процесса лазерной очистки, так и в исследовании объектов очистки и их практическом применении. После многочисленных теоретических исследований технология лазерной очистки постоянно смещается в сторону практического применения, и в будущем лазерная очистка будет широко использоваться для защиты культурных ценностей и произведений искусства, а рынок её применения значительно расширится. С развитием науки и техники применение технологии лазерной очистки в промышленности становится реальностью, и сфера её применения постоянно расширяется.
Компания Maven Laser Automation работает в лазерной отрасли уже 14 лет, специализируясь на лазерной маркировке. В нашем ассортименте представлены лазерные очистители шкафов станков, тележек, рюкзаков и многофункциональные лазерные очистители. Кроме того, мы предлагаем лазерные сварочные аппараты, лазерные режущие станки и лазерные маркировочные гравировальные станки. Если вас заинтересовало наше оборудование, подпишитесь на нас и свяжитесь с нами.
Дата публикации: 14 ноября 2022 г.
