Лазерная ачыстка: механізм, характарыстыкі і прымяненне

Перадгісторыя прыкладання

У прамысловасці і іншых галінах традыцыйныя метады ачысткі, такія як хімічная ачыстка і механічнае шліфаванне, доўгі час дамінавалі. Хімічная ачыстка, як правіла, прыводзіць да ўтварэння вялікай колькасці хімічных адходаў, што забруджвае навакольнае асяроддзе і можа ствараць рызыку карозіі некаторых дакладных кампанентаў. Нягледзячы на тое, што механічнае шліфаванне можа выдаліць паверхневыя забруджванні, яно схільнае да пашкоджання падкладкі, дае дрэнныя вынікі пры апрацоўцы кампанентаў складанай формы, стварае пылавое забруджванне, якое пагражае здароўю аператараў, і з цяжкасцю адпавядае патрабаванням да высокадакладнай ачысткі.

З хуткім развіццём высокатэхналагічных вытворчых галін, такіх як аэракасмічная, чыгуначная і марская прамысловасці, патрабаванні да ачысткі кампанентаў сталі ўсё больш жорсткімі. Якасць паверхні буйных і складаных кампанентаў, такіх як паветразаборнікі авіяцыйных рухавікоў, кузавы хуткасных чыгуначных вагонаў і вечкі люкаў суднаў, непасрэдна ўплывае на прадукцыйнасць і тэрмін службы вырабаў. Гэтыя кампаненты не толькі маюць вялікія памеры і складаную форму, але і патрабуюць надзвычай высокай дакладнасці ачысткі, эфектыўнасці і цэласнасці паверхні. Традыцыйныя метады ачысткі больш не могуць задаволіць патрэбы сучаснай вытворчасці.

На фоне росту глабальнай экалагічнай свядомасці вытворчая прамысловасць сутыкаецца з ціскам на скарачэнне выкідаў забруджвальных рэчываў і спажывання рэсурсаў. Як экалагічная тэхналогія ачысткі, лазерная ачыстка прапануе такія перавагі, як адсутнасць хімічнага забруджвання, нізкае спажыванне энергіі і бескантактавая ачыстка. Яна эфектыўна вырашае экалагічныя праблемы, выкліканыя традыцыйнымі метадамі, адпавядае стратэгіям устойлівага развіцця і назірае востры рост попыту на прымяненне ў розных галінах.

Тэхналогія лазернай ачысткі: механізм

Лазерная ачыстка — гэта тэхналогія, у якой лазерныя прамяні высокай шчыльнасці энергіі ўзаемадзейнічаюць з паверхнямі матэрыялаў, у выніку чаго забруджванні або пакрыцці адслойваюцца або раскладаюцца з падкладкі, тым самым дасягаючы ачысткі. Працэс лазернай ачысткі ўключае ў сябе некалькі фізічных механізмаў, такіх як цеплавая абляцыя, вібрацыя напружання, цеплавое пашырэнне, выпарэнне, фазавы выбух, ціск выпарэння і плазменны ўдар. Гэтыя механізмы працуюць разам, каб аддзяліць мішэнь ачысткі ад падкладкі для эфектыўнай ачысткі. У залежнасці ад ачышчальнага асяроддзя лазерную ачыстку можна падзяліць на сухую лазерную ачыстку, вільготную лазерную ачыстку і...лазерная ўдарная хвалевая ачыстка.

Сухая лазерная чыстка

Сухая лазерная ачыстка ў цяперашні час з'яўляецца найбольш распаўсюджаным метадам лазернай ачысткі. Пры ёй выкарыстоўваюцца лазерныя прамяні для непасрэднага апраменьвання паверхні падкладкі, што выклікае цеплавое пашырэнне падкладкі, каб пераадолець сілы Ван-дэр-Ваальса і выдаліць забруджванні.

Інтэнсіўнасць лазера: Значныя змены шчыльнасці энергіі лазера ўплываюць на вынікі ачысткі. Пры нізкай інтэнсіўнасці энергіі дамінуюць выпарэнне і фазавы выбух; пры высокай шчыльнасці энергіі таксама адыгрываюць пэўную ролю ціск выпарэння і ўдарныя эфекты. Звышвысокая энергія можа прывесці да праблем, звязаных з плазмай. Ачыстка звычайна праводзіцца пры больш нізкай шчыльнасці энергіі для абароны падкладкі.
Даўжыня хвалі лазера: даўжыня хвалі звязана з энергетычнай сувяззю матэрыялу. Кароткія даўжыні хваль пераважна ўплываюць на фотахімічную абляцыю, а доўгія — на фотатэрмічную. Даўжыня хвалі таксама ўплывае на сілы і размеркаванне тэмпературы паміж часціцамі і падкладкай, тым самым уплываючы на сілу і эфектыўнасць ачысткі, з розным уздзеяннем на розныя матэрыялы.
Шырыня імпульсу: Кароткія і доўгія імпульсы маюць розныя механізмы ачысткі. Доўгія імпульсы маюць моцны абляцыйны эфект, але дрэнную селектыўнасць; кароткія імпульсы могуць генераваць высокія тэмпературы і ўдарныя хвалі для выдалення забруджванняў з мінімальнай шкодай. Звышхуткія лазерныя імпульсы працуюць па механізме «халоднай абляцыі».
Кут падзення: вертыкальнае апраменьванне прымушае забруджвальныя часціцы блакіраваць лазер; косае апраменьванне паляпшае эфектыўнасць ачысткі.

Вільготная лазерная чыстка

Вільготная лазерная ачыстка дасягаецца з дапамогай вадкай плёнкі. Вадкая плёнка папярэдне наносіцца на паверхню апрацоўванай дэталі, якая падлягае ачыстцы, і прамое лазернае выпраменьванне хутка награвае вадкасць, ствараючы моцныя ўдарныя сілы для выдалення паверхневых забруджванняў з падкладкі.

Лазерная ўдарная хвалевая ачыстка

Лазерная ўдарная хвалявая ачыстка падзяляецца на сухую і гібрыдную. Пры сухой лазернай ударнай хвалевай ачыстцы лазерная факусоўка генеруе плазму для ўздзеяння на часціцы, пазбягаючы пашкоджанняў ад прамога апрамянення, але пакідаючы сляпыя зоны — гэта можна палепшыць, змяніўшы вугал падзення або выкарыстоўваючы двухпрамянёвую ачыстку. Гібрыдная лазерная ўдарная хвалявая ачыстка ўключае ў сябе метады з дапамогай пары, падводнага і вільготнага лазернага ўдарнага выпраменьвання. Яна выкарыстоўвае эфекты, звязаныя з вадкасцю, для выдалення забруджванняў, што звязана з уласцівасцямі вадкасці, такімі як шчыльнасць, і мае шырокае прымяненне са значнымі перавагамі.

Прыкладанні

Аэракасмічная прамысловасць: аксідныя плёнкі на паветразаборніках з тытанавых сплаваў

Нанасекундная імпульсная лазерная ачыстка дасягае выдатных вынікаў у выдаленні аксідных плёнак з паверхняў паветразаборнікаў тытанавых сплаваў. Яе нізкі цеплавы эфект прадухіляе другаснае акісленне падкладкі, што робіць яе найлепшым метадам ачысткі.

Механізм сухой ачысткі: асноўным механізмам з'яўляецца тэрмічная абляцыя. Калі лазерная энергія ўздзейнічае на аксідную плёнку, паверхня паглынае вялікую колькасць энергіі, змяняючы механізм абляцыі ў залежнасці ад інтэнсіўнасці энергіі і фармуючы розныя марфалогіі паверхні. Пры нізкай энергіі аксідная плёнка часткова выдаляецца з мінімальнымі пераплаўленымі ўчасткамі; пры ўмеранай энергіі аксідная плёнка цалкам выдаляецца з нязначнымі пашкоджаннямі; пры высокай энергіі, хоць аксідная плёнка і выдаляецца, адбываецца значнае пашкоджанне падкладкі, утвараючы грабяпадобныя паверхневыя структуры.
Механізм вільготнай ачысткі: пры нізкай шчыльнасці энергіі асноўным механізмам з'яўляюцца лазерна-індукаваныя ўдарныя хвалі; пры высокай шчыльнасці энергіі дамінуюць цеплавая абляцыя і фазавы выбух. Падчас ачысткі хуткае астуджэнне і награванне тытанавага сплаву ўтварае мартэнсітны тытанавы сплаў. Калі шчыльнасць энергіі дасягае пэўнага значэння, паверхня ператвараецца ў нанаструктураваную выступаючую паверхню, што мае вялікае значэнне для наступнага прымянення тытанавых сплаваў.

Высокахуткасная чыгунка: фарба на кузавах вагонаў з алюмініевых сплаваў

Таўшчыня фарбы і метады ачысткі: Для ачысткі фарбы на кузавах вагонаў з алюмініевых сплаваў хуткасных чыгунак прыдатныя метады лазернай ачысткі адрозніваюцца ў залежнасці ад колеру і таўшчыні фарбы.

Тонкая фарба (таўшчыня ≤ 40 мкм): Лазерныя крыніцы святла з даўжынямі хваль нізкай хуткасцю паглынання фарбы дасягаюць лепшых вынікаў дзякуючы цеплавой вібрацыі.
Густая фарба: патрабуюцца лазерныя крыніцы святла з даўжынямі хваль высокай хуткасці паглынання фарбы з выкарыстаннем механізму абляцыі для выдалення.
Зняцце чырвонай фарбы: асноўным механізмам зняцця чырвонай фарбы з'яўляецца вібрацыя. Падчас ачысткі лазерная энергія пранікае ў падкладку, і цеплавое напружанне, якое ўзнікае з-за павышэння тэмпературы падкладкі, прыводзіць да адслойвання фарбы. Увесь пласт фарбы можа быць выдалены, пакідаючы на паверхні алюмініевага сплаву друзлую сеткападобную марфалогію рэшткаў фарбы.
Выдаленне сіняй фарбы: пры аднолькавай энергетыцы лазера сіняй фарбе тэмпература вышэйшая, чым чырвонай, але яна стварае меншае цеплавое напружанне на падкладцы. Калі тэмпература фарбы дасягае кропкі кіпення, яна выдаляецца шляхам выпарэння, што суправаджаецца такімі механізмамі, як расслаенне, гарэнне і плазменны ўдар.

Марскія судны: іржа на паверхнях корпуса з высокатрывалай сталі

Хімчыстка для выдалення іржы: асноўным механізмам выдалення іржы падчас хімічнай чысткі высокатрывалых сталёвых карпусоў з'яўляецца выпарэнне аксіднай плёнкі пры паглынанні энергіі. Сіла рэакцыі, накіраваная ўніз, якая ўзнікае падчас выпарэння паверхневых аксідаў, дапамагае выдаліць больш тоўстыя аксідныя плёнкі.
Выдаленне іржы лазерам з дапамогай вадкай плёнкі: асноўным механізмам з'яўляецца фазавы выбух кропель вадкасці пры паглынанні энергіі, што стварае ўдарныя сілы для выдалення слаёў іржы. Выбуховае кіпенне вадкай плёнкі ўзмацняе эфект механізму фазавага выбуху на выдаленне іржы, дазваляючы лепш выдаляць паверхневыя аксідныя плёнкі, але сутыкаючыся з цяжкасцямі пры выдаленні глыбока ўкаранёных аксідаў. Розныя механізмы выдалення слаёў іржы ўплываюць на паток паверхневага расплаўленага металу: бакавы выкід ад фазавага выбуху спрыяе патоку расплаўленага пласта для атрымання больш роўнай паверхні, у той час як пары аксіду ад выпарэння перашкаджаюць запаўненню вадкім металам ямак.

Марское асяроддзе: марскія мікраарганізмы на паверхнях алюмініевых сплаваў

Параметры лазера і эфекты ачысткі: Лазеры з вузкай шырынёй імпульсу і высокай пікавай магутнасцю дасягаюць выдатных вынікаў ачысткі марскіх мікраарганізмаў на паверхнях алюмініевых сплаваў.
Механізм выдалення мікраарганізмаў: Механізмы лазернага выдалення пласта пазаклеткавага палімернага рэчыва (EPS) і субстратаў з марскіх вусачак - гэта абляцыйнае выпарэнне і ўдарная хваля, адпаведна. Асобныя ланцугі мікробных макрамалекул разрываюцца падчас шматфатоннага паглынання, раскладаючыся на вялікую колькасць атамаў. Пад сумесным дзеяннем механізмаў плазменнага ўдару і абляцыі марскія мікраарганізмы эфектыўна выдаляюцца.
Для арганічных рэчываў, такіх як фарба і марскія мікраарганізмы: пры нізкай шчыльнасці лазернай энергіі фотахімічныя эфекты разбураюць хімічныя сувязі, што прыводзіць да пагаршэння якасці, змены колеру або страты актыўнасці. Па меры павелічэння шчыльнасці энергіі ўзнікаюць такія з'явы, як абляцыя, выпарэнне, полымя гарэння і плазменны ўдар. Для неарганічных рэчываў, такіх як аксідныя плёнкі і іржа: пры нізкай шчыльнасці энергіі змены не адбываюцца; абляцыя і выпарэнне з'яўляюцца па меры павелічэння энергіі.
Лазерная ачыстка культурнай спадчыны

Імпульсныя лазеры адыгрываюць вырашальную ролю ў захаванні культурнай спадчыны, задавальняючы патрабаванні неразбуральнай і высокадакладнай ачысткі культурных рэліквій, такіх як каменныя, папяровыя і металічныя артэфакты.