Лазерно почистване: механизъм, характеристики и приложения

Предистория на приложението

В промишлеността и други области традиционните методи за почистване, като химическо почистване и механично шлифоване, отдавна доминират. Химическото почистване води до генериране на голямо количество химически отпадъчни течности, причинявайки замърсяване на околната среда и може да представлява риск от корозия на определени прецизни компоненти. Въпреки че механичното шлифоване може да премахне повърхностните замърсители, то е склонно да повреди основата, постига лоши резултати при обработката на компоненти със сложна форма, произвежда прахово замърсяване, което застрашава здравето на операторите, и трудно отговаря на изискванията за високо прецизно почистване.

С бързото развитие на високотехнологични производствени индустрии, като например аерокосмическата индустрия, железопътния транспорт и морските кораби, изискванията за почистване на компонентите стават все по-строги. Качеството на повърхността на големи и сложни компоненти – като например въздухозаборници на самолетни двигатели, каросерии на високоскоростни железопътни вагони и капаци на люкове на кораби – влияе пряко върху производителността и експлоатационния живот на продукта. Тези компоненти не само се отличават с големи размери и сложни форми, но и изискват изключително висока прецизност на почистване, ефективност и целостност на повърхността. Традиционните методи за почистване вече не могат да отговорят на нуждите за развитие на съвременното производство.

На фона на нарастващата глобална екологична осведоменост, производствената индустрия е изправена пред натиск да намали емисиите на замърсители и потреблението на ресурси. Като зелена технология за почистване, лазерното почистване предлага предимства, включително липса на химическо замърсяване, ниска консумация на енергия и безконтактно почистване. То ефективно решава екологичните проблеми, причинени от традиционните методи, съобразява се със стратегиите за устойчиво развитие и наблюдава рязък скок в търсенето на приложения в различни области.

Технология за лазерно почистване: Механизъм

Лазерното почистване е технология, която използва лазерни лъчи с висока енергийна плътност, за да взаимодействат с повърхностите на материалите, причинявайки отлепване или разлагане на замърсители или покрития от основата, като по този начин се постига почистване. Процесът на лазерно почистване включва множество физически механизми, като термична аблация, вибрации на напрежение, термично разширение, изпаряване, фазова експлозия, налягане на изпарение и плазмен шок. Тези механизми работят заедно, за да отделят почистващата цел от основата за ефективно почистване. Въз основа на почистващата среда, лазерното почистване може да се раздели на сухо лазерно почистване, мокро лазерно почистване и...почистване с лазерна ударна вълна.

Химическо лазерно почистване

Сухото лазерно почистване в момента е най-широко използваният метод за лазерно почистване. То използва лазерни лъчи за директно облъчване на повърхността на субстрата, причинявайки термично разширение на субстрата, за да преодолее силите на ван дер Ваалс и да премахне замърсителите.

Интензитет на лазера: Значителни промени в плътността на лазерната енергия влияят върху резултатите от почистването. При ниски енергийни интензитети доминират изпарението и фазовата експлозия; при високи енергийни плътности, налягането на изпарение и ударните ефекти също играят роля. Свръхвисоката енергия може да доведе до проблеми, свързани с плазмата. Почистването обикновено се извършва при по-ниски енергийни плътности, за да се защити субстратът.
Дължина на лазерната вълна: Дължината на вълната е свързана с енергийното свързване на материала. Късите дължини на вълните са доминирани от фотохимичната аблация, докато дългите дължини на вълните са доминирани от фототермичната аблация. Дължината на вълната също влияе върху силите и разпределението на температурата между частиците и субстрата, като по този начин влияе върху силата и ефективността на почистване, с различни ефекти върху различните материали.
Ширина на импулса: Късите и дългите импулси имат различни механизми на почистване. Дългите импулси имат силен аблационен ефект, но лоша селективност; късите импулси могат да генерират високи температури и ударни вълни, за да премахнат замърсителите с минимални щети. Ултрабързите лазерни импулси работят на принципа на „студена аблация“.
Ъгъл на падане: Вертикалното облъчване кара замърсяващите частици да блокират лазера; наклоненото облъчване подобрява ефективността на почистване.

Мокро лазерно почистване

Мокрото лазерно почистване се постига с помощта на течен филм. Течен филм се нанася предварително върху повърхността на детайла, който ще се почиства, и директното лазерно облъчване бързо нагрява течността, генерирайки силни ударни сили за отстраняване на повърхностните замърсители от основата.

Лазерно ударно вълново почистване

Лазерното почистване с ударна вълна се класифицира като сухо лазерно почистване с ударна вълна и хибридно лазерно почистване с ударна вълна. При сухото лазерно почистване с ударна вълна, лазерното фокусиране генерира плазма, която въздейства върху частиците, избягвайки повреди от директно облъчване, но оставяйки слепи зони - това може да се подобри чрез регулиране на ъгъла на падане или чрез използване на почистване с два лъча. Хибридното лазерно почистване с ударна вълна включва методи с пароподпомогнат, подводен и мокър лазерен удар. То използва ефекти, свързани с течности, за отстраняване на замърсители, което е свързано със свойствата на течностите, като например плътност, и има широки приложения със значителни предимства.

Приложения

Аерокосмическа индустрия: Оксидни филми върху въздухозаборници от титаниева сплав

Наносекундното импулсно лазерно почистване постига забележителни резултати при премахването на оксидни филми от повърхностите за всмукване на въздух от титаниева сплав. Ниският му термичен ефект предотвратява вторичното окисляване на субстрата, което го прави превъзходен метод за почистване.

Механизъм на химическо почистване: Термичната аблация е основният механизъм. Когато лазерната енергия действа върху оксидния филм, повърхността абсорбира голямо количество енергия, променяйки механизма на аблация въз основа на енергийния интензитет и образувайки различни морфологии на повърхността. При ниска енергия оксидният филм се отстранява частично с минимални повторно разтопени зони; при умерена енергия оксидният филм се отстранява напълно с незначителни повреди; при висока енергия, въпреки че оксидният филм се отстранява, настъпват значителни повреди на субстрата, образувайки хребестоподобни повърхностни структури.
Механизъм на мокро почистване: При ниски енергийни плътности основният механизъм са лазерно индуцирани ударни вълни; при високи енергийни плътности доминират термичната аблация и фазова експлозия. По време на почистването, бързото охлаждане и нагряване на титановата сплав образуват мартензитна титанова сплав. Когато енергийната плътност достигне определена стойност, повърхността се трансформира в наноструктурирана издатина, което е от голямо значение за последващото приложение на титанови сплави.

Високоскоростна железница: Боядисване върху каросерии на автомобили от алуминиева сплав

Дебелина на боята и методи за почистване: За почистване на боя върху каросерии на високоскоростни железопътни вагони от алуминиева сплав, подходящите методи за лазерно почистване варират в зависимост от цвета и дебелината на боята.

Тънка боя (дебелина ≤ 40μm): Лазерните източници на светлина с дължини на вълните с ниска степен на абсорбция на боята постигат по-добри резултати чрез термични вибрации.
Гъста боя: Необходими са лазерни източници на светлина с дължини на вълните с висока степен на абсорбция на боята, като за отстраняване се използва аблационен механизъм.
Отстраняване на червена боя: Основният механизъм за отстраняване на червена боя е вибрацията. По време на почистване лазерната енергия прониква в основата и термичното напрежение, генерирано от повишаването на температурата на основата, кара боята да се отлепи. Целият слой боя може да бъде отстранен, оставяйки рохкава мрежоподобна морфология на остатъчна боя върху повърхността на алуминиевата сплав.
Отстраняване на синя боя: При една и съща лазерна енергия, синята боя достига по-висока температура от червената, но предизвиква по-ниско термично напрежение върху основата. Когато температурата на боята достигне точката на кипене, тя се отстранява чрез изпаряване, придружено от свързани механизми като разслояване, горене и плазмен шок.

Морски кораби: Ръжда върху повърхностите на корпуса от високоякостна стомана

Химическо почистване за отстраняване на ръжда: Основният механизъм за отстраняване по време на химическо почистване на ръжда върху корпуси от високоякостна стомана е изпаряването на оксидния филм при абсорбиране на енергия. Силата на реакция надолу, генерирана по време на изпаряването на повърхностните оксиди, помага за премахването на по-дебели оксидни филми.
Лазерно отстраняване на ръжда с течен филм: Основният механизъм е фазова експлозия на течни капчици при абсорбиране на енергия, генерирайки ударни сили за отстраняване на слоеве ръжда. Експлозивното кипене на течния филм усилва ефекта на механизма на фазова експлозия върху отстраняването на ръжда, позволявайки по-добро отстраняване на повърхностните оксидни филми, но създава трудности с дълбоко вградените оксиди. Различни механизми за отстраняване на слоеве ръжда влияят на потока на повърхностния разтопен метал: страничното натискане от фазова експлозия насърчава потока на разтопен слой за по-равна повърхност, докато оксидните пари от изпаряването пречат на течния метал да запълни вдлъбнатините.

Морска среда: Морски микроорганизми върху повърхности от алуминиеви сплави

Параметри на лазера и почистващи ефекти: Лазерите с тясна импулсна ширина и висока пикова мощност постигат отлични резултати при почистване на морски микроорганизми върху повърхности от алуминиеви сплави.
Механизъм за отстраняване на микроорганизми: Механизмите за лазерно отстраняване на извънклетъчното полимерно вещество (EPS) и субстратите от ракообразни са съответно аблационно изпаряване и ударно-вълново отстраняване. Единичните вериги от микробни макромолекули се разкъсват по време на многофотонна абсорбция, разлагайки се на голям брой атоми. Под комбинираното действие на плазмения шок и аблационните механизми, морските микроорганизми се отстраняват ефективно.
За органични вещества като бои и морски микроорганизми: При ниски плътности на лазерната енергия, фотохимичните ефекти разрушават химичните връзки, което води до влошаване, обезцветяване или загуба на активност. С увеличаване на плътността на енергията се появяват явления като аблация, изпаряване, пламъци от горене и плазмен шок. За неорганични вещества като оксидни филми и ръжда: При ниски плътности на енергия не настъпват промени; аблация и изпаряване се появяват с увеличаване на енергията.
Лазерно почистване на културно наследство

Импулсните лазери играят ключова роля в опазването на културното наследство, отговаряйки на изискванията за неразрушително и високопрецизно почистване на културни реликви като каменни артефакти, хартиени артефакти и метални артефакти.