Введение

Очистка – одна из базовых технологий во многих отраслях промышленности.  Очистка возникает и как элемент технологии формирования конечного изделия – перед нанесением покрытий или выполнением технологических операций и как элемент производственного цикла изделия – очистка от производственных загрязнений разного рода, очистка перед повторной окраской и.т.п. Кроме этого, необходим целый ряд специальных типов очистки, например, от биологических и радиационных загрязнений.  

Очистка в общем виде представляет собой операцию удаления поверхностных слоев изделия, образованных какими-то загрязнениями или покрытиями иногда даже включая поверхностный слой основного материала. Есть два основных класса – механические методы очистки (щетки, шлифовальные инструменты, потоки абразивных элементов) и химические методы, заключающиеся в воздействии химических реагентов на поверхностные слои. Тем не менее, все известные методы имеют набор отрицательных свойств, в частности, нежелательное воздействие на основной материал изделия и/или плохие экологические параметры процесса. Поэтому очистка часто остается серьезной и болезненной проблемой для целого ряда производств.

С момента появления лазеров технологи сразу обратили внимание на возможности «чистой лучовой энергии» в качестве средства для очистки. Импульсный высоконцентированный световой пучок способен так быстро нагревать тонкий поверхностный слой материала, что тот просто испаряется без заметного действия на расположенные ниже слои, при этом в ряде случаев даже не происходит термического разложения материала покрытия с образованием нежелательных или токсичных веществ. В результате мы потенциально имеем уникальный по свойствам метод очистки, который лишен всех недостатков, присущих классическим методам.

Существуют и дополнительные эффекты, связанные с генерацией в приповерхностном слое термоупругих напряжений и ударных акустических волн, за счет этих явлений загрязнения могут дополнительно «отрываться» от поверхности.

Развитию технологий лазерной очистки препятствовали в основном экономические проблемы (стоимость) и  производительность процесса. Интересно, что лазерные методы очистки давно успешно используются для очистки музейных ценностей – то есть там, где параметр стоимости и производительности не играет определяющую роль.

Настоящая статья имеет основную цель – показать, что смена поколений лазерного оборудования превращает процесс лазерной очистки во вполне конкурентоспособный процесс, который сейчас технологи предприятий должны рассматривать как серьезную альтернативу.

Общее описание процесса.

Схема процесса очистки предельно проста – излучение импульсного лазера фокусируют на поверхности детали, причем размер пятна должен быть такой, чтобы плотность мощности излучения за период импульса приводила к быстрому повышению температуры поверхностного слоя до температуры его быстрого разрушения (испарения или сублимации). Ориентировочная величина такой плотность мощности составляет от 10⁷..10¹⁰ Вт/см2. При фокусировке в пятно размером порядка 0.5 мм для формирования такой плотности мощности достаточно лазера со средней мощностью всего 10 Вт.

Для сквозной обработки поверхности далее применяют сканирующие системы, которые развертывают лазерный пучок в линию с высокой скоростью, обрабатывая, таким образом, сразу полосу материала и затем линию обработки перемещают относительно поверхности. Общая производительность будет зависеть от мощности лазера, частоты импульсов, толщины и состава удаляемого слоя, в частности, существенную роль могут иметь поглощающие свойства поверхности. На сильном различии степени поглощения лазерного излучения загрязнениями и основным материалом основаны некоторые специальные методы лазерной очистки – так музейные экспонаты из мрамора и других камней очень эффективно очищаются излучением СО₂-лазеров с длиной волны 10.6 мкм, так как длинноволновое излучение эффективнее поглощается именно загрязнениями органического характера, которые удаляются даже из микротрещин.

Современные лазеры и параметры очистки

Новое поколение волоконных лазеров импульсного типа идеально пригодно для построения систем лазерной очистки. В отличии от классических импульсных YAG-лазеров – это сверхкомпактные приборы с ресурсом более 100000 час с воздушным охлаждением и полным отсутствием каких-то малоресурсных компонентов. На фотографии Рис.3 изображена серийная модель лазера YLR-20 cо средней мощностью излучения 20 Вт, производимая НТО «ИРЭ-Полюс». Это компактный прибор с воздушным охлаждением и передачей выходного пучка по волокну длиной около 6 метров. На выходе волокна расположен коллиматор, формирующий параллельный пучок диаметром около 12..15 мм.  Серийно выпускаются лазеры со средней мощностью 10, 20 и 50 Вт, по отдельному заказу до 200 Вт. Частота импульсов регулируемая (в разных моделях разный диапазон), но не менее 20 кГц, а энергия импульса около 1 мДж.

К описанному прибору необходима оптическая система фокусировки и развертки пучка, подобная той, что используется в конструкциях лазерных маркеров (Рис.4), и состоящая из специальных приводов углового поворота отклоняющих зеркал и фокусирующего объектива. Для стационарной системы очистки можно использовать любые серийные системы такого рода, а для мобильных применений или очистки больших поверхностей целесообразно использовать упрощенные, менее габаритные системы.

В таблице 1 приведены экспериментальные данные по очистке различных материалов и различных покрытий и загрязнений, полученных на описанном лазере мощностью 10 Вт. При повышении мощности лазера указанная в таблице производительность может быть прямо увеличена в соответствующее число раз.

Таблица 1. Экспериментальные параметры очистка различных изделий волоконными импульсными лазерами.

Специальные процессы

В ряде случаев эксплуатационные загрязнения проникают в сам материал на некоторую глубину из-за процессов диффузии в условиях эксплуатации. Примером такого загрязнения является радиационное. При радиационном загрязнении процесс очистки усложняется тем, что продукты очистки подлежат специальной утилизации и для классических методов очистки это является серьезной технологической задачей. Дополнительно возникает проблема безопасности для операторов.

Лазерные методы позволяют и здесь получить значительные улучшения процесса. Во-первых, лазерный метод бесконтактен и может реализовываться дистанционно,  во-вторых, специальные решения могут обеспечить почти полный сбор продуктов очистки. Так, за счет почти полной прозрачности почти всех полимерных пленок для длины волны волоконного лазера 1.07 мкм обработку можно вести прямо через полимерную упаковку или через прокручиваемую над поверхностью обработки ленту с полимерной пленкой с нанесенным клейким составом.

Очистка от эксплуатационных загрязнений.

Эксплуатационные загрязнения могут существенно ухудшать свойства изделий, например, характеристики теплообмена или аэродинамику и стойкость поверхности. Типичными классами тут могут быть лопатки турбин и поверхности теплообменного оборудования. В случае высоконагруженных лопаток загрязняющие слои имеют весьма твердую структуру и высокое сцепление с металлом и удаляются классическими способами чрезвычайно тяжело. Лазерная очистка с такими задачами справляется отлично и к тому же иногда придает дополнительные свойства очищенному сплаву из-за специфической модификации поверхностного слоя.

В случае элементов теплообменного оборудования самая типовая и болезненная проблема – это очистка внутренней поверхности труб теплоообменников. С появлением волоконных лазеров с передачей излучения по волокну появляется возможность решать и эту проблему, правда для труб диаметром менее 25 мм придется решать  некоторые непростые конструктивные проблемы рабочей головки. 

Еще одна специальная проблема, эффективно решаемая лазерной очисткой - это очистка фильтров и сеток. Здесь загрязнения эффективно удаляются не только с поверхности, но и из внутреннего объема отверстий.

Очистка от толстого слоя загрязнений.

В некоторых случаях жизненный цикл изделия предполагает периодической восстановление защитного слоя, например, слоя краски. Для нанесения нового слоя окраски необходимо полностью удалять предыдущий. Эта ситуация типична для случая транспортных средств, например, для железнодорожных вагонов. Из-за довольно толстого слоя краски и грунтовки (например, для пассажирских вагонов общая толщина слоя может доходить до 1 мм) здесь всегда применялась очистка пескоструйными методами.

Пескоструйный метод имеет несколько недостатков:

·  необходимость демонтажа части оборудования, для которого недопустимо действие абразива, или герметизацию участков изделия;

·  поверхность металла после пескоструйной очистки имеет свойство быстро окисляться и насыщаться влагой, так что операция  окраски должна выполняться через короткое время (не более 4 часов);

·   значительные затраты на утилизацию и очистку рабочего материала, расход которого очень значителен.

Прямое использование лазерной очистки в описанном выше варианте в данной задаче невозможно из-за очень малой производительности процесса, так как послойное удаление такого массивного слоя краски и грунтовки требует больших энергетических затрат. Поэтому мы проводили исследование гибридного процесса, идея которого состояла в комбинации воздействия мощного непрерывного лазера и вторичного действия маломощного импульсного.

Предполагалось, что мощное тепловое действие непрерывного лазера приведет к сильной деструктуризации слоя краски и грунтовки, нарушении его прочности и связности и облегчит дальнейшее импульсное удаление маломощным лазером. Эксперименты проводили с использованием непрерывного волоконного лазера мощностью 700 Вт, излучение которого фокусировали в пятно около 2 мм. Из корпуса грузового вагона  со старой окраской вырезали круги диаметром 300 мм, устанавливали на вращатель и обрабатывали лазерным пучком на разных режимах. Затем проводилась окончательная очистка импульсным волоконным лазером мощностью 10 Вт с разверткой лазерного луча в линию.

В результате исследований был обнаружен сильный синергетический эффект такого гибридного процесса, другими словами – наши теоретические предположения полностью оправдались. Получены следующие параметры по производительности процесса:

·        Производительность предварительной обработки (лазер 700 Вт) -  7 кв.м/ч.

·        Производительность финишной обработки (лазер 10 Вт) – 0.5 км/ч.

Причем резервы роста производительности для гибридного метода этими результатами далеко не исчерпываются. Действительно, схема разделенного по этапам и по времени гибридного процесса с точки зрения теории далеко не оптимальна. Дело в том, что на первом этапе процесса проводится деструктуризация поверхностного слоя на всю его толщину, при этом значительная часть непрерывного лазерного потока уходит на нагрев основного металла за счет теплопроводности и теряется из полезного баланса процесса. Гораздо эффективнее было бы с точки зрения общетеоретических представлений производить деструктуризацию послойно и послойно удалять «рыхлый» материал импульсным лазером.  Другими словами – нужно совместить воздействие двух видов излучения в одном процессе.

Для волоконных лазеров такое совмещение не представляет особой проблемы, так как оба типа излучения передаются к рабочей головке по оптическим волокнам, более того, при необходимости можно сконструировать специальный «комбинированный» волоконный излучатель, в котором оба типа излучения генерируются и передаются по единому оптическому кабелю. Причем непрерывная часть излучателя может быть выполнена не в лазерном варианта, а в варианте «диодного» излучателя, в котором в выходное волокно собирается излучение от накачивающих диодов, поскольку нам не требуется фокусировка в малые пятна. При такой схеме реализуется общий КПД от розетки порядка 40..50%

Результаты моделирования дают такие оценки итоговой производительности очистки для слоя краски около 0.5 мм

ВЫВОДЫ:

1.    Развитие промышленных лазерных излучателей позволяет на современном этапе рассматривать процессы лазерной очистки как реальную экономически целесообразную альтернативу классическим методам очистки.

2.    Лазерные методы очистки – наиболее экологически чистый процесс очистки, обеспечивающий дополнительно возможность высокой степени автоматизации процесса.

3.    Современный уровень мощности волоконных излучателей способен обеспечить промышленные уровни выскопроизводительной очистки до десятков квадратных метров в час при низкой стоимости процесса. 

 К.т.н. В.Н.Смирнов, ООО «Лазерные мобильные системы»

К.т.н. А.И.Скрипченко, В.М.Медвецкий, ООО НТЦ «Электроресурс»