Лазерне очищення: механізм, характеристики та застосування

Передумови застосування

У промисловості та інших галузях традиційні методи очищення, такі як хімічне очищення та механічне шліфування, вже давно домінують. Хімічне очищення, як правило, призводить до утворення великої кількості хімічних відходів, що забруднює навколишнє середовище та може становити ризик корозії певних прецизійних компонентів. Хоча механічне шліфування може видаляти поверхневі забруднення, воно схильне до пошкодження основи, дає погані результати при обробці компонентів складної форми, утворює пил, який загрожує здоров'ю операторів, і не відповідає вимогам високоточної очистки.

Зі швидким розвитком високотехнологічних галузей промисловості, таких як аерокосмічна, залізнична та морська промисловість, вимоги до очищення компонентів стають дедалі суворішими. Якість поверхні великих та складних компонентів, таких як повітрозабірники авіаційних двигунів, кузови високошвидкісних залізничних вагонів та кришки люків суден, безпосередньо впливає на продуктивність та термін служби виробу. Ці компоненти не тільки мають великі розміри та складні форми, але й вимагають надзвичайно високої точності, ефективності та цілісності поверхні очищення. Традиційні методи очищення більше не можуть задовольнити потреби сучасного виробництва.

На тлі зростаючої глобальної екологічної обізнаності виробнича галузь стикається з тиском щодо скорочення викидів забруднюючих речовин та споживання ресурсів. Як екологічна технологія очищення, лазерне очищення пропонує такі переваги, як відсутність хімічного забруднення, низьке споживання енергії та безконтактне очищення. Воно ефективно вирішує екологічні проблеми, спричинені традиційними методами, відповідає стратегіям сталого розвитку та спостерігає стрімке зростання попиту на застосування в різних галузях.

Технологія лазерного очищення: механізм

Лазерне очищення – це технологія, яка використовує лазерні промені високої щільності енергії для взаємодії з поверхнями матеріалів, що призводить до відшаровування або розкладання забруднень або покриттів з підкладки, тим самим забезпечуючи очищення. Процес лазерного очищення включає кілька фізичних механізмів, таких як термічна абляція, вібрація напруги, теплове розширення, випаровування, фазовий вибух, тиск випаровування та плазмовий удар. Ці механізми працюють разом, щоб відокремити об'єкт очищення від підкладки для ефективного очищення. Залежно від середовища для очищення, лазерне очищення можна розділити на сухе лазерне очищення, вологе лазерне очищення та...лазерне ударно-хвильове очищення.

Сухе лазерне чищення

Сухе лазерне очищення наразі є найпоширенішим методом лазерного очищення. Він використовує лазерні промені для безпосереднього опромінення поверхні підкладки, що призводить до теплового розширення підкладки, що долає сили Ван-дер-Ваальса та видаляє забруднення.

Інтенсивність лазера: Значні зміни щільності лазерної енергії впливають на результати очищення. При низьких інтенсивностях енергії домінують випаровування та фазовий вибух; при високих щільностях енергії також відіграють певну роль тиск випаровування та ударні ефекти. Надвисока енергія може призвести до проблем, пов'язаних з плазмою. Очищення зазвичай виконується при нижчих щільностях енергії для захисту підкладки.
Довжина хвилі лазера: довжина хвилі пов'язана з енергозв'язком матеріалу. Короткі довжини хвиль переважно характеризуються фотохімічною абляцією, тоді як довгі довжини хвиль переважно характеризуються фототермічною абляцією. Довжина хвилі також впливає на сили та розподіл температури між частинками та підкладкою, тим самим впливаючи на силу та ефективність очищення, з різним впливом на різні матеріали.
Ширина імпульсу: Короткі та довгі імпульси мають різні механізми очищення. Довгі імпульси мають сильний абляційний ефект, але погану селективність; короткі імпульси можуть генерувати високі температури та ударні хвилі для видалення забруднень з мінімальними пошкодженнями. Надшвидкі лазерні імпульси працюють за механізмом «холодної абляції».
Кут падіння: Вертикальне опромінення призводить до блокування лазера частинками забруднюючих речовин; косе опромінення покращує ефективність очищення.

Вологе лазерне очищення

Мокре лазерне очищення досягається за допомогою рідкої плівки. Рідка плівка попередньо наноситься на поверхню заготовки, що очищується, і пряме лазерне випромінювання швидко нагріває рідину, створюючи сильні ударні сили для видалення поверхневих забруднень з підкладки.

Лазерне ударно-хвильове очищення

Лазерне ударнохвильове очищення класифікується на сухе лазерне ударнохвильове очищення та гібридне лазерне ударнохвильове очищення. При сухому лазерному ударнохвильовому очищенні фокусування лазера генерує плазму для удару по частинках, уникаючи пошкоджень від прямого опромінення, але залишаючи сліпі зони — це можна покращити, регулюючи кут падіння або використовуючи подвійне променеве очищення. Гібридне лазерне ударнохвильове очищення включає методи пароутворення, підводного очищення та вологого лазерного удару. Воно використовує ефекти, пов'язані з рідиною, для видалення забруднень, що пов'язано з властивостями рідини, такими як щільність, і має широке застосування зі значними перевагами.

Застосування

Аерокосмічна промисловість: Оксидні плівки на повітрозабірниках з титанового сплаву

Наносекундне імпульсне лазерне очищення досягає чудових результатів у видаленні оксидних плівок з поверхонь повітрозабірника титанового сплаву. Його низький тепловий ефект запобігає вторинному окисленню підкладки, що робить його чудовим методом очищення.

Механізм сухого очищення: Термічна абляція є основним механізмом. Коли лазерна енергія діє на оксидну плівку, поверхня поглинає велику кількість енергії, змінюючи механізм абляції залежно від інтенсивності енергії та формуючи різні морфології поверхні. При низькій енергії оксидна плівка частково видаляється з мінімальними ділянками переплавлення; при помірній енергії оксидна плівка повністю видаляється з незначними пошкодженнями; при високій енергії, хоча оксидна плівка видаляється, відбувається значне пошкодження підкладки, утворюючи гребеноподібні структури поверхні.
Механізм мокрого очищення: при низьких щільностях енергії основним механізмом є лазерно-індуковані ударні хвилі; при високих щільностях енергії домінують теплова абляція та фазовий вибух. Під час очищення швидке охолодження та нагрівання титанового сплаву утворює мартенситний титановий сплав. Коли щільність енергії досягає певного значення, поверхня перетворюється на наноструктуровану виступаючу поверхню, що має велике значення для подальшого застосування матеріалів з титанових сплавів.

Швидкісна залізниця: фарбування кузовів вагонів з алюмінієвого сплаву

Товщина фарби та методи очищення: Для очищення фарби на кузовах вагонів з алюмінієвого сплаву високошвидкісних рейок відповідні методи лазерного очищення залежать від кольору та товщини фарби.

Тонка фарба (товщина ≤ 40 мкм): Джерела лазерного світла з довжинами хвиль з низьким коефіцієнтом поглинання фарби досягають кращих результатів завдяки тепловій вібрації.
Густа фарба: Потрібні джерела лазерного світла з довжинами хвиль високого коефіцієнта поглинання фарби, що використовують механізм абляції для видалення.
Зняття червоної фарби: Основним механізмом видалення червоної фарби є вібрація. Під час очищення лазерна енергія проникає в основу, а термічне напруження, що виникає внаслідок підвищення температури основи, призводить до відшаровування фарби. Весь шар фарби можна видалити, залишаючи на поверхні алюмінієвого сплаву пухку сітчасту морфологію залишків фарби.
Видалення синьої фарби: За однакової лазерної енергії синя фарба досягає вищої температури, ніж червона, але створює меншу термічну напругу на підкладці. Коли температура фарби досягає точки кипіння, вона видаляється шляхом випаровування, що супроводжується такими пов'язаними механізмами, як розшарування, горіння та плазмовий удар.

Морські судна: Іржа на поверхнях корпусу з високоміцної сталі

Хімчистка для видалення іржі: основним механізмом видалення іржі під час хімчистки високоміцних сталевих корпусів є випаровування оксидної плівки при поглинанні енергії. Сила реакції, спрямована вниз, що утворюється під час випаровування поверхневих оксидів, допомагає видалити товстіші оксидні плівки.
Видалення іржі лазером за допомогою рідкої плівки: основним механізмом є фазовий вибух крапель рідини при поглинанні енергії, що створює ударні сили для видалення шарів іржі. Вибухове кипіння рідкої плівки посилює вплив механізму фазового вибуху на видалення іржі, забезпечуючи краще видалення поверхневих оксидних плівок, але борючись з глибоко вкоріненими оксидами. Різні механізми видалення шарів іржі впливають на потік поверхневого розплавленого металу: бічний поштовх від фазового вибуху сприяє потоку розплавленого шару для більш рівної поверхні, тоді як оксидна пара від випаровування перешкоджає заповненню ямок рідким металом.

Морське середовище: Морські мікроорганізми на поверхнях алюмінієвих сплавів

Параметри лазера та ефекти очищення: Лазери з вузькою шириною імпульсу та високою піковою потужністю досягають чудових результатів очищення морських мікроорганізмів на поверхнях алюмінієвих сплавів.
Механізм видалення мікроорганізмів: Механізми лазерного видалення позаклітинного шару полімерної речовини (EPS) та субстратів з вусоногих молюсків - це абляційне випаровування та ударно-хвильове видалення відповідно. Окремі ланцюги мікробних макромолекул розриваються під час багатофотонного поглинання, розкладаючись на велику кількість атомів. Під час комбінованої дії плазмового удару та механізмів абляції морські мікроорганізми ефективно видаляються.
Для органічних речовин, таких як фарба та морські мікроорганізми: при низькій щільності лазерної енергії фотохімічні ефекти розривають хімічні зв'язки, що призводить до погіршення стану, зміни кольору або втрати активності. Зі збільшенням щільності енергії виникають такі явища, як абляція, випаровування, полум'я горіння та плазмовий удар. Для неорганічних речовин, таких як оксидні плівки та іржа: при низькій щільності енергії змін не відбувається; абляція та випаровування з'являються зі збільшенням енергії.
Лазерне очищення культурної спадщини

Імпульсні лазери відіграють вирішальну роль у збереженні культурної спадщини, задовольняючи вимоги неруйнівного та високоточного очищення культурних реліквій, таких як кам'яні, паперові та металеві артефакти.