Высокопроизводительное производство, энергосбережение и сокращение выбросов испытывают все более острую потребность в передовых процессах. Что касается промышленной обработки поверхностей, существует острая необходимость комплексного обновления технологий и процессов. Традиционные процессы промышленной очистки, такие как очистка механическим трением, очистка от химической коррозии, очистка сильным ударом, высокочастотная ультразвуковая очистка, не только имеют длительные циклы очистки, но и сложны в автоматизации, оказывают вредное воздействие на окружающую среду и не позволяют достичь желаемый очищающий эффект. Он не может хорошо удовлетворить потребности тонкой обработки.
Однако из-за все более заметных противоречий между защитой окружающей среды, высокой эффективностью и высокой точностью традиционные методы промышленной очистки сталкиваются с серьезными проблемами. В то же время появились различные технологии очистки, способствующие защите окружающей среды и подходящие для деталей в области ультрафинишной обработки, и технология лазерной очистки является одной из них.
Концепция лазерной очистки
Лазерная очистка — это технология, в которой сфокусированный лазер воздействует на поверхность материала для быстрого испарения или удаления загрязнений с поверхности и очистки поверхности материала. По сравнению с различными традиционными физическими или химическими методами очистки лазерная очистка отличается бесконтактностью, отсутствием расходных материалов, отсутствием загрязнения, высокой точностью, отсутствием повреждений или небольших повреждений и является идеальным выбором для нового поколения технологий промышленной очистки.
Принцип работы машины лазерной очистки
Принципмашина для лазерной очисткиявляется более сложным и может включать как физические, так и химические процессы. Во многих случаях основным процессом являются физические процессы, сопровождающиеся некоторыми химическими реакциями. Основные процессы можно разделить на три категории: процесс газификации, ударный процесс и колебательный процесс.
Процесс газификации
Когда высокоэнергетический лазер облучается на поверхности материала, поверхность поглощает энергию лазера и преобразует ее во внутреннюю энергию, так что температура поверхности быстро повышается и достигает температуры испарения материала, так что загрязняющие вещества отделяется от поверхности материала в виде пара. Селективное испарение обычно происходит, когда скорость поглощения лазерного света поверхностными загрязнениями значительно выше, чем скорость поглощения подложки. Типичный случай применения – очистка от грязи каменных поверхностей. Как показано на рисунке ниже, загрязняющие вещества на поверхности камня сильно поглощают лазер и быстро испаряются. Когда загрязняющие вещества удаляются и лазер облучается на поверхности камня, поглощение слабое, больше энергии лазера рассеивается поверхностью камня, изменение температуры поверхности камня невелико, и поверхность камня защищена от повреждений.
Типичный химический процесс происходит, когда для очистки органических загрязнений используется лазер ультрафиолетового диапазона, который называется лазерной абляцией. Ультрафиолетовые лазеры имеют короткие длины волн и высокую энергию фотонов. Например, эксимерные лазеры KrF имеют длину волны 248 нм и энергию фотонов до 5 эВ, что в 40 раз превышает энергию фотонов CO2-лазера (0,12 эВ). Такой высокой энергии фотонов достаточно, чтобы разрушить молекулярные связи органического вещества, так что CC, CH, CO и т. д. в органических загрязнителях разрушаются после поглощения энергии фотонов лазера, что приводит к пиролизной газификации и удалению с поверхности.
Шоковый процесс
Ударный процесс представляет собой серию реакций, возникающих при взаимодействии лазера с материалом, после чего на поверхности материала образуется ударная волна. Под действием ударной волны поверхностные загрязнения разбиваются и превращаются в пыль или мусор, отслаивающийся от поверхности. Существует множество механизмов, вызывающих ударные волны, включая плазму, пар, а также быстрое тепловое расширение и сжатие. На примере плазменных ударных волн можно кратко понять, как ударный процесс при лазерной очистке удаляет поверхностные загрязнения. При использовании лазеров со сверхкороткой шириной импульса (нс) и сверхвысокой пиковой мощностью (107–1010 Вт/см2) температура поверхности все равно будет резко повышаться, даже если поверхность слегка поглощает лазер, мгновенно достигая температуры испарения. Выше пар образовался над поверхностью материала, как показано в (а) на следующем рисунке. Температура пара может достигать 104 – 105 К, что может ионизировать сам пар или окружающий воздух с образованием плазмы. Плазма заблокирует достижение лазером поверхности материала, и испарение поверхности материала может прекратиться, но плазма продолжит поглощать энергию лазера, а температура будет продолжать расти, образуя локализованное состояние сверхвысокая температура и высокое давление, создающее мгновенное давление 1-100 кбар на поверхности материала. Удар постепенно переносится внутрь материала, как показано на рисунках (b) и (c) ниже. Под действием ударной волны поверхностные загрязнения разбиваются на мельчайшую пыль, частицы или фрагменты. Когда лазер удаляется от места облучения, плазма исчезает и локально создается отрицательное давление, а частицы или остатки загрязнений удаляются с поверхности, как показано на рисунке (d) ниже.
Колебательный процесс
Под действием коротких импульсов процессы нагрева и охлаждения материала происходят чрезвычайно быстро. Поскольку разные материалы имеют разные коэффициенты теплового расширения, под воздействием короткоимпульсного лазера поверхностные загрязнения и подложка подвергаются высокочастотному тепловому расширению и сжатию разной степени, что приводит к колебаниям, в результате чего загрязнения отслаиваются от поверхности. материал. Во время этого процесса отшелушивания испарение материала может не происходить и плазма не может образовываться. Вместо этого сдвиговая сила, образующаяся на границе раздела загрязнения и подложки под действием колебаний, разрушает связь между загрязнением и подложкой. . Исследования показали, что при небольшом увеличении угла падения лазера контакт между лазером, загрязнением частиц и границей раздела подложки может быть увеличен, порог лазерной очистки может быть снижен, эффект колебаний становится более очевидным, и эффективность очистки выше. Однако угол падения не должен быть слишком большим. Слишком большой угол падения уменьшит плотность энергии, действующую на поверхность материала, и ослабит очищающую способность лазера.
Промышленное применение лазерных очистителей
Пресс-формы
Лазерный очиститель может осуществлять бесконтактную очистку формы, что очень безопасно для поверхности формы, обеспечивает ее точность и может очищать субмикронные частицы грязи, которые невозможно удалить традиционными методами очистки, таким образом, для достижения действительно экологически чистой, эффективной и качественной очистки.
Прецизионная приборостроительная промышленность
В промышленности точного машиностроения часто приходится удалять из деталей сложные эфиры и минеральные масла, используемые для смазки и защиты от коррозии, обычно химическим путем, а химическая очистка часто оставляет следы. Лазерная деэтерификация позволяет полностью удалить эфиры и минеральные масла, не повреждая поверхность деталей. Лазер способствует взрывной газификации тонкого оксидного слоя на поверхности детали с образованием ударной волны, что приводит к удалению загрязнений, а не к механическому взаимодействию.
Железнодорожная промышленность
В настоящее время при всей предсварочной очистке рельсов применяется очистка шлифовального круга и абразивной ленты, что приводит к серьезному повреждению основы и серьезному остаточному напряжению, а также ежегодно потребляет много расходных материалов для шлифовальных кругов, что является дорогостоящим и приводит к серьезным последствиям. загрязнение окружающей среды пылью. Лазерная очистка может обеспечить высококачественную и эффективную технологию «зеленой» очистки для производства высокоскоростных железнодорожных путей в моей стране, решить вышеуказанные проблемы, устранить дефекты сварки, такие как бесшовные отверстия рельсов и серые пятна, а также улучшить стабильность и безопасность высоких железных дорог моей страны. -скоростная эксплуатация железных дорог.
Авиационная промышленность
Поверхность самолета необходимо перекрашивать через определенный промежуток времени, но перед покраской необходимо полностью удалить оригинальную старую краску. Химическое замачивание/очистка является основным методом удаления краски в авиационной сфере. При таком методе образуется большое количество химических вспомогательных отходов, а добиться локального ремонта и снятия краски невозможно. Этот процесс является большой трудоемкостью и вреден для здоровья. Лазерная очистка позволяет качественно удалить краску с поверхностей обшивки самолета и легко автоматизируется в производстве. В настоящее время технология лазерной очистки применяется для обслуживания некоторых моделей высокого класса.
Судовая промышленность
В настоящее время при предпроизводственной очистке судов в основном используется метод пескоструйной обработки. Метод пескоструйной обработки привел к серьезному загрязнению окружающей среды пылью и постепенно был запрещен, что привело к сокращению или даже приостановке производства судостроительными компаниями. Технология лазерной очистки обеспечит экологичное и экологически чистое чистящее средство для антикоррозионного распыления на поверхности корабля.
Вооружение
Технология лазерной очистки широко используется при обслуживании оружия. Система лазерной очистки позволяет эффективно и быстро удалять ржавчину и загрязнения, а также выбирать очищающую часть для автоматизации очистки. При использовании лазерной очистки чистота не только выше, чем при химической очистке, но и практически не повреждается поверхность объекта. Устанавливая различные параметры, машина для лазерной очистки также может образовывать плотную оксидную защитную пленку или слой плавления металла на поверхности металлических предметов для улучшения поверхностной прочности и коррозионной стойкости. Удаляемые лазером отходы практически не загрязняют окружающую среду, а также его можно эксплуатировать на большом расстоянии, что эффективно снижает вред здоровью оператора.
Экстерьер здания
Строится все больше и больше небоскребов, и проблема очистки наружных стен становится все более актуальной. Система лазерной очистки хорошо очищает наружные стены зданий посредством оптоволокна. Решение максимальной длиной 70 метров способно эффективно очищать различные загрязнения на различных камнях, металлах и стекле, причем его эффективность намного выше, чем у обычной очистки. Он также может удалить черные пятна и пятна с различных камней в зданиях. Испытания системы лазерной очистки зданий и каменных памятников показывают, что лазерная очистка хорошо влияет на защиту внешнего вида старинных зданий.
Электронная промышленность
В электронной промышленности для удаления оксидов используются лазеры: электронная промышленность требует высокоточной дезактивации, и лазерное раскисление особенно подходит. Выводы компонентов должны быть тщательно раскислены перед пайкой платы, чтобы обеспечить оптимальный электрический контакт, а выводы не должны быть повреждены в процессе обеззараживания. Лазерная очистка отвечает требованиям использования, ее эффективность очень высока, и для каждой иглы требуется только одно лазерное облучение.
Атомная Электростанция
Системы лазерной очистки также используются при очистке труб реакторов на атомных электростанциях. Он использует оптическое волокно для подачи мощного лазерного луча в реактор для непосредственного удаления радиоактивной пыли, а очищенный материал легко очищается. А поскольку управление осуществляется на расстоянии, можно гарантировать безопасность персонала.
Краткое содержание
Современная передовая обрабатывающая промышленность стала командной высотой международной конкуренции. Являясь передовой системой в лазерном производстве, машина для лазерной очистки имеет большой потенциал для применения в промышленном развитии. Активно развивающаяся технология лазерной очистки имеет очень важное стратегическое значение для экономического и социального развития.