Tipptasemel tootmine, energia säästmine ja heitkoguste vähendamine vajavad üha pakilisemalt täiustatud protsesse. Tööstusliku pinnatöötluse osas on tungiv vajadus tehnoloogia ja protsesside põhjaliku ajakohastamise järele. Traditsioonilised tööstuslikud puhastusprotsessid, nagu mehaaniline hõõrdpuhastus, keemiline korrosioonipuhastus, tugeva löögiga puhastus ja kõrgsageduslik ultrahelipuhastus, on mitte ainult pikkade puhastustsüklitega, vaid ka raskesti automatiseeritavad, kahjulikud keskkonnamõjud ja soovitud puhastusefekti saavutamata. Need ei suuda hästi rahuldada peentöötluse vajadusi.
Kuid üha ilmsemate vastuolude tõttu keskkonnakaitse, suure efektiivsuse ja suure täpsuse vahel on traditsioonilised tööstuslikud puhastusmeetodid oluliselt keerulisemad. Samal ajal on tekkinud mitmesuguseid keskkonnakaitset soodustavaid ja ultra-viimistluse valdkonna detailidele sobivaid puhastustehnoloogiaid ning laserpuhastustehnoloogia on üks neist.
Laserpuhastuse kontseptsioon
Laserpuhastus on tehnoloogia, mis kasutab fokuseeritud laserit, mis toimib materjali pinnale, et kiiresti aurustada või eemaldada pinnalt saasteained ja puhastada materjali pinda. Võrreldes erinevate traditsiooniliste füüsikaliste või keemiliste puhastusmeetoditega on laserpuhastusel omadused kontaktivabad, kulumaterjalideta ja reostuseta, kõrge täpsusega, kahjustuste või väikeste kahjustusteta ning see on ideaalne valik uue põlvkonna tööstusliku puhastustehnoloogia jaoks.
Laserpuhastusmasina tööpõhimõte
Põhimõte laserpuhastusmasin on keerulisem ja võib hõlmata nii füüsikalisi kui ka keemilisi protsesse. Paljudel juhtudel on füüsikalised protsessid peamine protsess, millega kaasnevad mõned keemilised reaktsioonid. Peamised protsessid saab jagada kolme kategooriasse: gaasistamisprotsess, löökprotsess ja võnkumisprotsess.
Gaasistamisprotsess
Kui materjali pinda kiiritatakse suure energiaga laseriga, neelab pind laserienergia ja muundab selle siseenergiaks, mille tulemusel pinna temperatuur tõuseb kiiresti ja ületab materjali aurustumistemperatuuri, nii et saasteained eralduvad materjali pinnalt auru kujul. Selektiivne aurustumine toimub tavaliselt siis, kui laserkiire neeldumiskiirus pinna saasteainete poolt on oluliselt suurem kui aluspinnal. Tüüpiline rakendusjuhtum on mustuse puhastamine kivipindadelt. Nagu alloleval joonisel näidatud, neelduvad kivipinnal olevad saasteained laserit tugevalt ja aurustuvad kiiresti. Kui saasteained eemaldatakse ja laser kiiritatakse kivipinda, on neeldumine nõrk, kivipinnalt hajub rohkem laserienergiat, kivipinna temperatuurimuutus on väike ja kivipind on kahjustuste eest kaitstud.
Tüüpiline keemiline protsess toimub siis, kui orgaaniliste saasteainete puhastamiseks kasutatakse ultraviolettkiirguse laserit, mida nimetatakse laserablatsiooniks. Ultraviolettlaseritel on lühikesed lainepikkused ja kõrge footonienergia. Näiteks KrF eksimeerlaserite lainepikkus on 248 nm ja footonienergia kuni 5 eV, mis on 40 korda suurem kui CO2 laseri footonienergia (0.12 eV). Nii kõrge footonienergia on piisav orgaanilise aine molekulaarsidemete hävitamiseks, nii et orgaanilistes saasteainetes sisalduvad CC, CHXNUMX, COjne lagunevad pärast laseri footonienergia neeldumist, mille tulemuseks on pürolüüsi gaasistamine ja eemaldamine pinnalt.
Šokiprotsess
Löökprotsess on reaktsioonide jada, mis tekib laseri ja materjali vahelise interaktsiooni ajal, mille järel tekib materjali pinnal lööklaine. Lööklaine mõjul pinna saasteained lagunevad ja muutuvad tolmuks või prahiks, mis pinnalt maha koorub. Lööklaineid põhjustavad mitmed mehhanismid, sealhulgas plasma, aur ning kiire soojuspaisumine ja -kokkutõmbumine. Plasma lööklaineid näitena kasutades on võimalik lühidalt mõista, kuidas laserpuhastuse löögiprotsess eemaldab pinnalt saasteaineid. Ülimalt lühikese impulsi laiuse (ns) ja ülikõrge tippvõimsusega (107–1010 W/cm2) laserite kasutamisel tõuseb pinna temperatuur järsult isegi siis, kui pind laserit kergelt neelab, saavutades koheselt aurustumistemperatuuri. Ülalpool on näha, kuidas aur moodustub materjali pinna kohale, nagu on näidatud järgmisel joonisel punktis (a). Auru temperatuur võib ulatuda 104–105 K-ni, mis võib auru ennast või ümbritsevat õhku ioniseerida, moodustades plasma. Plasma blokeerib laseri jõudmise materjali pinnale ja materjali pinna aurustumine võib peatuda, kuid plasma jätkab laserienergia neeldumist ja temperatuur tõuseb jätkuvalt, moodustades ülikõrge temperatuuri ja rõhu lokaliseeritud seisundi, mis tekitab materjali pinnale hetkelise 1–100 kbari rõhu. Löök kandub järk-järgult materjali sisse, nagu on näidatud allpool olevatel joonistel (b) ja (c). Lööklaine mõjul lagunevad pinna saasteained pisikesteks tolmuks, osakesteks või kildudeks. Kui laser kiiritusasendist eemale liigutatakse, plasma kaob ja tekib lokaalne negatiivne rõhk ning saasteainete osakesed või praht eemaldatakse pinnalt, nagu on näidatud allpool oleval joonisel (d).
Võnkumisprotsess
Lühikeste impulsside toimel on materjali kuumenemis- ja jahtumisprotsessid äärmiselt kiired. Kuna erinevatel materjalidel on erinevad soojuspaisumistegurid, siis lühiimpulsslaseri kiirguse all pinna saasteained ja aluspind läbivad erineval määral kõrgsagedusliku soojuspaisumise ja kokkutõmbumise, mille tulemuseks on võnkumine, mis põhjustab saasteainete koorumist materjali pinnalt. Selle koorimisprotsessi käigus ei pruugi materjali aurustumine toimuda ja plasma teket ei pruugi toimuda. Selle asemel hävitab saasteaine ja aluspinna vahelise sideme võnkumise mõjul tekkiv nihkejõud saasteaine ja aluspinna vahelise sideme. Uuringud on näidanud, et kui laseri langemisnurka veidi suurendada, saab laseri, osakeste saasteaine ja aluspinna vahelise kontakti suurendada, laseri puhastamise läve vähendada, võnkumise efekt on ilmsem ja puhastustõhusus suurem. Langemisnurk ei tohiks aga olla liiga suur. Liiga suur langemisnurk vähendab materjali pinnale mõjuvat energiatihedust ja nõrgestab laseri puhastusvõimet.
Laserpuhastusvahendite tööstuslikud rakendused
Hallitustööstus
Laserpuhasti võimaldab vormi kontaktivaba puhastamist, mis on vormi pinnale väga ohutu, tagab selle täpsuse ja puhastab traditsiooniliste puhastusmeetoditega eemaldamatuid submikronilisi mustuseosakesi, et saavutada tõeliselt saastevaba, tõhus ja kvaliteetne puhastus.
Täppisinstrumentide tööstus
Täppismasinate tööstuses on sageli vaja detailidelt eemaldada määrimiseks ja korrosioonikindluse tagamiseks kasutatavaid estreid ja mineraalõlisid, tavaliselt keemiliselt, ning keemiline puhastamine jätab sageli jääke. Laserdeesterdamine võib estrid ja mineraalõlid täielikult eemaldada ilma detailide pinda kahjustamata. Laser soodustab detaili pinnal oleva õhukese oksiidikihi plahvatuslikku gaasistumist, moodustades lööklaine, mille tulemuseks on saasteainete eemaldamine, mitte mehaaniline interaktsioon.
Raudteetööstus
Praegu kasutatakse rööbaste keevituseelsel puhastamisel lihvketta ja abrasiivlindi lihvimist, mis kahjustab aluspinda tõsiselt ja tekitab tõsiseid jääkpingeid. Lihvketta kulumaterjalide tarbimine on igal aastal suur, mis on kulukas ja tekitab keskkonnale tõsist tolmureostust. Laserpuhastus pakub kvaliteetset ja tõhusat keskkonnasõbralikku puhastustehnoloogiat riigi kiirraudtee rööbastee paigaldamise tootmiseks, lahendab ülaltoodud probleemid, kõrvaldab keevitusdefektid, näiteks õmblusteta rööpaaugud ja hallid laigud, ning parandab riigi kiirraudtee liikluse stabiilsust ja ohutust.
Lennundustööstus
Lennuki pind tuleb teatud aja möödudes üle värvida, kuid enne värvimist tuleb vana värv täielikult eemaldada. Keemiline leotamine/pühkimine on lennunduses peamine värvi eemaldamise meetod. See meetod tekitab suures koguses keemilisi abijäätmeid ning lokaalset hooldust ja värvi eemaldamist on võimatu saavutada. See protsess on töömahukas ja tervisele kahjulik. Laserpuhastus võimaldab kvaliteetset värvi eemaldamist lennuki pindadelt ja on tootmiseks hõlpsasti automatiseeritav. Praegu on laserpuhastustehnoloogiat rakendatud mõnede tippmudelite hoolduses.
Laevatööstus
Praegu kasutatakse laevade tootmiseelsel puhastamisel peamiselt liivapritsi meetodit. Liivapritsi meetod on põhjustanud ümbritsevas keskkonnas tõsist tolmureostust ja on järk-järgult keelatud, mille tulemusel on laevatootjad tootmist vähendanud või isegi peatanud. Laserpuhastustehnoloogia pakub laevapindade korrosioonivastaseks pihustamiseks keskkonnasõbralikku ja saastevaba puhastuslahendust.
Relvastus
Laserpuhastustehnoloogiat on relvade hoolduses laialdaselt kasutatud. Laserpuhastussüsteem saab eemaldage rooste ja saasteained tõhusalt ja kiiresti ning saab valida puhastusosa, et realiseerida puhastuse automatiseerimine. Laserpuhastuse abil pole mitte ainult puhtusaste kõrgem kui keemilise puhastuse puhul, vaid ka objekti pind ei kahjustu peaaegu üldse. Erinevate parameetrite seadistamisega saab laserpuhastusmasin metallobjektide pinnale moodustada ka tiheda oksiidikaitsekile või metalli sulamiskihi, et parandada pinna tugevust ja korrosioonikindlust. Laseriga eemaldatud jäätmed ei saasta põhimõtteliselt keskkonda ja seda saab kasutada ka pikkade vahemaade tagant, mis vähendab tõhusalt operaatori tervisele tekkivat kahju.
Hoone välisilme
Üha rohkem kõrghooneid ehitatakse ning hoonete välisseinte puhastusprobleem on muutunud üha olulisemaks. Laserpuhastussüsteem puhastab hoonete välisseinu hästi optiliste kiudude abil. Maksimaalselt 70 meetri pikkune lahendus suudab tõhusalt puhastada mitmesuguseid saasteaineid erinevatelt kividelt, metallidelt ja klaasilt ning selle efektiivsus on palju suurem kui tavapärasel puhastusel. See suudab eemaldada ka musti laike ja plekke erinevatelt kividelt hoonetes. Laserpuhastussüsteemi puhastuskatse hoonetel ja kivimälestistel näitab, et laserpuhastusel on hea mõju iidsete hoonete välimuse kaitsmisele.
Elektroonikatööstus
Elektroonikatööstus kasutab oksiidide eemaldamiseks lasereid: elektroonikatööstus vajab ülitäpset dekontaminatsiooni ja laserdeoksüdatsioon on selleks eriti sobiv. Enne plaadi jootmist tuleb komponentide tihvtid põhjalikult deoksüdeerida, et tagada optimaalne elektriline kontakt, ja tihvtid ei tohi dekontaminatsiooniprotsessi käigus kahjustuda. Laserpuhastus vastab kasutusnõuetele ja selle efektiivsus on väga kõrge ning iga nõela jaoks on vaja ainult ühte laserkiiritust.
Tuumaelektrijaam
Laserpuhastussüsteeme kasutatakse ka tuumaelektrijaamade reaktoritorude puhastamisel. See kasutab optilist kiudu, et suunata reaktorisse suure võimsusega laserkiir, mis eemaldab otse radioaktiivse tolmu, ja puhastatud materjali on lihtne puhastada. Ja kuna seda juhitakse eemalt, on töötajate ohutus tagatud.
kokkuvõte
Tänapäeva arenenud tootmistööstus on rahvusvahelises konkurentsis kõrgel kohal. Laserpuhastusmasinal, mis on lasertootmises täiustatud süsteem, on suur potentsiaal rakendusväärtuseks tööstusarengus. Laserpuhastustehnoloogia jõuline areng on majandusliku ja sotsiaalse arengu jaoks väga olulise strateegilise tähtsusega.
