Как работает лазерная резка?
Лазерная резка — это повседневный метод производства металлических и неметаллических деталей. Эта отрасль, оцениваемая в 4 миллиарда долларов, ответственна за…
В этой статье рассматривается процесс технологии лазерной очистки в контексте очистки металлических поверхностей, а также описывается принцип её работы и преимущества.
Лазер (усиление света посредством вынужденного излучения) представляет собой монохроматический и когерентный источник электромагнитного излучения, распространяющийся по прямой с незначительным расходимостью. В настоящее время лазеры используются в различных технологических процессах в производственном секторе — от очистки поверхности до нанообработки.
Лазерная очистка — это неразрушающий и бесконтактный метод удаления загрязнений с поверхности материала с помощью лазерного луча в контролируемых условиях. Благодаря этому лазерные очистительные установки постепенно становятся приоритетным оборудованием для удаления загрязнений и очистки.
Подходящий тип лазера и оптимальные параметры выбираются индивидуально для каждой задачи очистки. В методе лазерной очистки параметры лазерного излучения могут варьироваться в широком диапазоне, что позволяет подобрать параметры специально для удаляемого материала или загрязнения.
Основные виды лазерной очистки — это паровая и сухая. Сухая лазерная очистка предполагает импульсный нагрев твердой поверхности лазером без участия жидкости, в то время как паровая происходит при наличии жидкого слоя на поверхности.
Сухая лазерная очистка переходит в режим испарительной очистки при увеличении энергии лазерного импульса. Несмотря на простоту, эффективность сухой очистки ниже по сравнению с паровой, и она требует большей интенсивности лазера. Кроме того, сухая очистка может повредить поверхность металла.
Лазерная очистка в первую очередь основана на процессе лазерной абляции — удалении материала, осевшего на поверхности, с помощью лазерного луча. Удаление ржавчины лазером со стали и других материалов происходит именно за счёт абляции.
Абляция происходит только в том случае, если энергия падающего лазерного луча превышает порог абляции данного материала. Для каждого материала характерен свой порог абляции, зависящий от его молекулярных связей, и этот порог отличается у разных материалов.
Таким образом, при значительной разнице порогов абляции двух материалов можно избирательно удалять один из них, не повреждая другой.
Например, порог абляции ржавчины значительно ниже, чем у стали или алюминия, что позволяет с помощью лазерных установок полностью испарить ржавчину, не повреждая стальную основу.
Для эффективного удаления слоя могут использоваться как импульсные, так и непрерывные лазерные лучи, однако скорость процесса зависит от типа используемого лазера.
Импульсный лазерный луч обеспечивает более высокую эффективность и скорость удаления по сравнению с непрерывным. Кроме того, импульсный режим помогает предотвратить перегрев основной металлической поверхности.
Лазерная очистка экологична, не требует расходных материалов, химикатов и растворителей, так как основана исключительно на воздействии лазерного луча. Кроме того, оборудование для лазерной очистки безопасно для операторов, поскольку соответствует всем стандартам безопасности.
Среди других значительных преимуществ лазерной очистки можно выделить высокую производительность, отсутствие механических повреждений поверхности и возможность дистанционного управления. Таким образом, лазерная очистка — на сегодняшний день самый безопасный метод удаления ржавчины. Основным же недостатком является сложность в распознавании разницы порогов абляции между подложкой и слоем загрязнений.
Роботизированные твердотельные лазеры, применяемые для очистки форм шин, обеспечивают более высокую скорость очистки по сравнению с традиционными абразивными методами. Аналогично, лазер на основе неодимового граната иттрия-алюминия (Nd:YAG) недавно применялся для удаления листьев с железнодорожных путей. Лазеры Nd:YAG повышают гибкость процесса очистки и более надёжны в эксплуатации по сравнению с другими лазерами.
Для очистки больших площадей используются импульсные лазеры на углекислом газе (CO2) с поперечным возбуждением и выходной мощностью в несколько киловатт. Длина волны 10,6 мкм делает такие лазеры особенно подходящими для очистки металлических подложек, поскольку металлы сильно отражают данное излучение, что позволяет удалять только органические загрязнения. Однако равномерное распределение энергии у мощных CO2-лазеров достичь сложно.
Лазерная очистка обычно применяется для удаления ржавчины и профилирования поверхности при обработке стали, очистки анодов, подготовки поверхности для клеевых соединений, предварительной подготовки к сварке и пайке, частичного удаления покрытий, селективного удаления краски и удаления загрязнений с поверхностей металлических пресс-форм.
В исследовании, опубликованном в журнале MATEC Web of Conferences, учёные экспериментально изучили влияние различных ключевых параметров лазера, таких как количество проходов и скорость сканирования, на глубину удаления и характеристики поверхности, включая профиль, твёрдость и шероховатость после лазерной очистки.
Для обработки ржавых образцов низкоуглеродистой стали использовался перемещающийся импульсный лазерный луч. Глубина удаления увеличивалась с ростом мощности лазера и количеством проходов, а также снижалась при увеличении скорости сканирования. После лазерной очистки на высоких мощностях и низких скоростях поверхность деформировалась и меняла цвет.
Окончательная шероховатость и профиль поверхности после обработки зависели от схемы сканирования лазера. Таким образом, значения шероховатости очищенных лазером деталей не зависели от исходной шероховатости поверхности до очистки.
Кроме того, после лазерной обработки значительно возрастала твёрдость поверхности. Значения микротвёрдости менялись в зависимости от траектории сканирования лазерного луча, что свидетельствует о структурных изменениях в материале в результате лазерной очистки.
Одиночные проходы на высоких скоростях обеспечивали качественную очистку поверхности, а многократные проходы вызывали случайные изменения топологии при низких скоростях и специфические изменения — при высоких.
В заключение, инновационная технология лазерной очистки зарекомендовала себя как экологически чистый и простой метод, а также как достойная альтернатива традиционным процессам для повышения эффективности и качества очистки металлических поверхностей.
