Високоякісне виробництво, енергозбереження та скорочення викидів потребують дедалі гостріших процесів. З точки зору промислової обробки поверхонь, існує нагальна потреба в комплексній модернізації технологій і процесів. Традиційні промислові процеси очищення, такі як механічне очищення тертям, хімічне очищення від корозії, очищення сильним ударом, високочастотне ультразвукове очищення, не тільки мають довгі цикли очищення, але їх важко автоматизувати, шкідливо впливають на навколишнє середовище та не досягають бажаний ефект очищення. Він не може повністю задовольнити потреби тонкої обробки.
Однак через дедалі помітніші протиріччя між охороною навколишнього середовища, високою ефективністю та високою точністю традиційні промислові методи очищення є серйозними проблемами. У той же час з’явилися різні технології очищення, які сприяють захисту навколишнього середовища та підходять для деталей у сфері ультрафінішної обробки, і технологія лазерного очищення є однією з них.
Концепція лазерного очищення
Лазерне очищення — це технологія, яка використовує сфокусований лазер для дії на поверхню матеріалу для швидкого випаровування або видалення забруднень на поверхні, щоб очистити поверхню матеріалу. У порівнянні з різними традиційними фізичними або хімічними методами очищення, лазерне очищення має такі характеристики, як відсутність контакту, відсутність витратних матеріалів, відсутність забруднення, висока точність, відсутність пошкоджень або невеликих пошкоджень, і є ідеальним вибором для нового покоління промислових технологій очищення.
Принцип роботи машини для лазерного очищення
Принциплазерна очисна машинає більш складним і може включати як фізичні, так і хімічні процеси. У багатьох випадках основним є фізичні процеси, які супроводжуються деякими хімічними реакціями. Основні процеси можна розділити на три категорії, включаючи процес газифікації, процес удару та процес коливання.
Процес газифікації
Коли високоенергетичний лазер випромінює поверхню матеріалу, поверхня поглинає енергію лазера та перетворює її на внутрішню енергію, так що температура поверхні швидко підвищується та досягає вище температури випаровування матеріалу, так що забруднювачі вивільняються. відділяється від поверхні матеріалу у вигляді пари. Вибіркове випаровування зазвичай відбувається, коли швидкість поглинання лазерного світла поверхневими забруднювачами значно вища, ніж у підкладки. Типовим випадком застосування є очищення кам'яних поверхонь від забруднень. Як показано на малюнку нижче, забруднюючі речовини на поверхні каменю сильно поглинають лазер і швидко випаровуються. Коли забруднюючі речовини видаляються, а лазер випромінюється на поверхню каменю, поглинання слабке, більше енергії лазера розсіюється поверхнею каменю, зміна температури поверхні каменю невелика, і поверхня каменю захищена від пошкоджень.
Типовий хімічний процес відбувається, коли лазер ультрафіолетового діапазону використовується для очищення органічних забруднень, що називається лазерною абляцією. Ультрафіолетові лазери мають короткі довжини хвиль і високу енергію фотонів. Наприклад, ексимерні лазери KrF мають довжину хвилі 248 нм і енергію фотонів до 5 еВ, що в 40 разів перевищує енергію фотонів CO2-лазера (0,12 еВ). Такої високої енергії фотонів достатньо, щоб зруйнувати молекулярні зв’язки органічної речовини, так що CC, CH, CO тощо в органічних забруднюючих речовинах розриваються після поглинання енергії фотонів лазера, що призводить до піролітичної газифікації та видалення з поверхні.
Шоковий процес
Ударний процес - це серія реакцій, які відбуваються під час взаємодії лазера з матеріалом, після чого на поверхні матеріалу утворюється ударна хвиля. Під дією ударної хвилі поверхневі забруднення розщеплюються і стають пилом або сміттям, що відшаровується від поверхні. Існує багато механізмів, які викликають ударні хвилі, включаючи плазму, пару та швидке теплове розширення та звуження. На прикладі плазмових ударних хвиль можна коротко зрозуміти, як ударний процес у лазерному очищенні видаляє поверхневі забруднення. Із застосуванням лазерів із ультракороткою шириною імпульсу (нс) і надвисокою піковою потужністю (107–1010 Вт/см2) температура поверхні все одно різко зростатиме, навіть якщо поверхня злегка поглинає лазер, миттєво досягаючи температури випаровування. Угорі пара утворилася над поверхнею матеріалу, як показано в (а) на наступному малюнку. Температура пари може досягати 104-105 К, що може іонізувати саму пару або навколишнє повітря з утворенням плазми. Плазма блокуватиме доступ лазера до поверхні матеріалу, і випаровування поверхні матеріалу може припинитися, але плазма продовжуватиме поглинати енергію лазера, а температура продовжуватиме зростати, утворюючи локалізований стан надвисока температура і високий тиск, які миттєво створюють 1-100 кбар на поверхні матеріалу. Удар поступово передається всередину матеріалу, як показано на малюнках (b) і (c) нижче. Під дією ударної хвилі поверхневі забруднення розбиваються на дрібний пил, частинки або осколки. Коли лазер віддаляється від місця опромінення, плазма зникає, локально створюється негативний тиск, і частинки або уламки забруднень видаляються з поверхні, як показано на малюнку (d) нижче.
Коливальний процес
Під дією коротких імпульсів процеси нагріву та охолодження матеріалу відбуваються надзвичайно швидко. Оскільки різні матеріали мають різні коефіцієнти теплового розширення, під опроміненням короткоімпульсним лазером поверхневі забруднення та підкладка зазнають високочастотного теплового розширення та звуження різного ступеня, що призводить до коливань, що спричиняє відшаровування забруднень від поверхні. матеріал. Під час цього процесу відлущування може не відбуватися випаровування матеріалу та утворення плазми. Натомість сила зсуву, що утворюється на межі розділу забруднення та підкладки під дією коливань, руйнує зв’язок між забруднювачем і підкладкою. . Дослідження показали, що коли кут падіння лазера трохи збільшується, контакт між лазером і забрудненням частинок і поверхнею розділу підкладки може бути збільшений, поріг лазерного очищення може бути знижений, ефект коливань більш очевидний, і ефективність очищення вище. Однак кут падіння не повинен бути занадто великим. Занадто великий кут падіння зменшить щільність енергії, що діє на поверхню матеріалу, і послабить очисну здатність лазера.
Промислове застосування лазерних очисників
Промисловість цвілі
Лазерний очищувач може здійснювати безконтактне очищення форми, що є дуже безпечним для поверхні форми, може забезпечити його точність і може очищати субмікронні частинки бруду, які неможливо видалити традиційними методами очищення, так як для досягнення справді чистого, ефективного та високоякісного очищення.
Промисловість точних приладів
У промисловості точного машинобудування часто потрібно видалити складні ефіри та мінеральні масла, які використовуються для змащування та стійкості до корозії, з деталей, зазвичай хімічним шляхом, а хімічне очищення часто залишає залишки. Лазерна деетерифікація може повністю видалити ефіри та мінеральні масла, не пошкоджуючи поверхню деталей. Лазер сприяє вибуховій газифікації тонкого шару оксиду на поверхні деталі з утворенням ударної хвилі, що призводить до видалення забруднень, а не механічної взаємодії.
Залізнична промисловість
В даний час під час попереднього зварювального очищення рейок застосовується очищення шліфувальним кругом і абразивною стрічкою, що спричиняє серйозні пошкодження основи та серйозне залишкове напруження, а також щорічно витрачає багато витратних матеріалів для шліфувальних кругів, що є дорогим і спричиняє серйозні забруднення навколишнього середовища пилом. Лазерне очищення може забезпечити високоякісну та ефективну технологію екологічного очищення для виробництва високошвидкісних залізничних колій у моїй країні, вирішити вищезазначені проблеми, усунути дефекти зварювання, такі як отвори без швів на рейках і сірі плями, а також покращити стабільність і безпеку високошвидкісних залізничних колій у моїй країні. -експлуатація швидкісної залізниці.
Авіаційна промисловість
Через деякий час поверхню літака потрібно перефарбувати, але перед фарбуванням необхідно повністю видалити оригінальну стару фарбу. Хімічне замочування/витирання є основним методом зняття фарби в авіаційній сфері. Цей метод призводить до великої кількості допоміжних хімічних відходів, і неможливо досягти локального обслуговування та видалення фарби. Цей процес важкий і шкідливий для здоров'я. Лазерне очищення дозволяє якісно видалити фарбу з обшивки літака і легко автоматизується для виробництва. В даний час технологія лазерного очищення застосована для обслуговування деяких моделей високого класу.
Корабельна промисловість
В даний час для попереднього очищення суден в основному використовується метод піскоструминної обробки. Метод піскоструминної обробки спричинив серйозне забруднення навколишнього середовища пилом і був поступово заборонений, що призвело до скорочення або навіть призупинення виробництва виробниками суден. Технологія лазерного очищення забезпечить екологічне та чисте рішення для очищення від корозії на поверхнях суден.
Зброя
Технологія лазерного очищення знайшла широке застосування в обслуговуванні зброї. Лазерна система очищення може ефективно та швидко видаляти іржу та забруднення, а також може вибрати частину очищення, щоб реалізувати автоматизацію очищення. Використовуючи лазерне очищення, чистота не тільки вище, ніж процес хімічного очищення, але й практично не пошкоджує поверхню предмета. Встановлюючи різні параметри, машина для лазерного очищення може також утворювати щільну оксидну захисну плівку або металевий шар, що плавиться, на поверхні металевих предметів для підвищення міцності поверхні та стійкості до корозії. Відходи, видалені лазером, в основному не забруднюють навколишнє середовище, а також можуть працювати на великій відстані, що ефективно зменшує шкоду для здоров'я оператора.
Екстер'єр будівлі
Будується все більше і більше хмарочосів, і проблема очищення зовнішніх стін стає все більш актуальною. Лазерна система очищення добре очищає зовнішні стіни будівель через оптоволокно. Розчин з максимальною довжиною 70 метрів може ефективно очищати різноманітні забруднення на різних каменях, металах і склі, причому його ефективність набагато вище, ніж у звичайного очищення. Він також може видалити чорні плями та плями з різних каменів у будівлях. Випробування системи лазерного очищення будівель і кам’яних пам’ятників показує, що лазерне очищення добре впливає на захист зовнішнього вигляду старовинних будівель.
Електронна промисловість
Електронна промисловість використовує лазери для видалення оксидів: електронна промисловість вимагає високоточного знезараження, і лазерне розкислення особливо підходить. Виводи компонентів необхідно ретельно розкислити перед паянням плати, щоб забезпечити оптимальний електричний контакт, і виводи не повинні бути пошкоджені під час процесу дезактивації. Лазерне очищення може відповідати вимогам використання, і ефективність дуже висока, і для кожної голки потрібно лише одне лазерне опромінення.
Атомна електростанція
Системи лазерного очищення також використовуються для очищення труб реакторів на атомних електростанціях. Він використовує оптичне волокно для введення потужного лазерного променя в реактор для безпосереднього видалення радіоактивного пилу, а очищений матеріал легко чистити. А оскільки ним керують на відстані, можна гарантувати безпеку персоналу.
Резюме
Сучасна розвинена обробна промисловість стала найвищою висотою міжнародної конкуренції. Будучи передовою системою у виробництві лазерів, машина для лазерного очищення має великий потенціал для застосування в промислових розробках. Технологія лазерного очищення, що активно розвивається, має дуже важливе стратегічне значення для економічного та соціального розвитку.