Исследование применения лазерной очистки и придания шероховатости поверхности 

Лазерная очистка и лазерная шероховатость поверхности. Прецизионное производство листового металла. Сегодняшние достижения были бы просто невозможны без лазерных технологий. Лазерная резка уже повсеместна, а лазерная сварка (автоматическая или ручная) также быстро набирает популярность. Но лазеры не просто режут и сваривают, они могут очищать. Хотя технология лазерной очистки еще не стала популярной, она зарекомендовала себя в таких областях, как удаление краски и ржавчины, особенно в специализированных областях очистки в таких отраслях, как аэрокосмическая и автомобильная. Большая часть оборудования для лазерной очистки использует сканирующую оптику, которая перемещает лазерный луч со скоростью несколько метров в секунду, чтобы проецировать его в нужную форму (например, круг или прямоугольник) на поверхность.

Что именно представляет собой лазерная очистка?

Лазерная очистка охватывает ряд различных процессов, которые делятся на две основные категории. Одна из них — удаление поверхностных загрязнений, а другая — «гравировка» или «текстурирование» поверхности для соответствия определенным покрытиям, клеевому соединению или другим требованиям. Хотя удаление загрязнений (известное как «очистка») и лазерное текстурирование могут использовать похожее или даже одно и то же оборудование, эти два процесса различны, и производители выбирают между разными категориями в зависимости от своих потребностей.

Как очищают лазеры?
По своей сути лазерная очистка заключается в удалении поверхностных загрязнений, таких как ржавчина и нежелательная краска. Оборудование часто оснащено системой вытяжки дыма, которая улавливает загрязнения, удаляемые лазером. В некоторых критических аэрокосмических приложениях, таких как очистка титана, для предотвращения образования оксида используется защитный газ. Во многих распространенных приложениях лазеры работают путем абляции поверхностных загрязнений. Абляция (превращение твердого тела непосредственно в газ) работает лучше всего, когда порог абляции загрязнителя значительно ниже, чем у основного металла, так что лазер может распылять загрязнитель, не затрагивая поверхность металла. Энергия, подаваемая лазером, выполняет операцию очистки по-разному, в зависимости от удаляемого материала. Например, иногда лазер создает эффект термического удара на поверхности, вызывая разницу в коэффициентах термического расширения между поверхностным мусором, таким как ржавчина, и основным металлом, а удар создает «стряхивание» частиц ржавчины на поверхность. В других случаях тепло лазера сжигает удаляемый материал, которым обычно является краска или другие органические покрытия.

Масляные загрязнения прозрачны для лазеров, поэтому они не удаляются путем абляции или термического удара. В этом случае лазер «кипятит» определенные части масла. В частности, лазер нагревает небольшие участки поверхности металла, заставляя капли масла выпрыгивать с поверхности в воздух, где система вытяжки дыма улавливает эти капли. «В этих приложениях система отвода дыма так же важна, как и сам лазер.

Лазерное текстурирование поверхностей
Лазеры обеспечивают точность, которую трудно сравнить с другими инструментами. Мощность лазера, длительность импульса и профиль луча можно регулировать так, чтобы процесс удалял только нужную часть и оставлял другие области нетронутыми. Так же, как лазерная очистка удаляет загрязнения, оставляя основной металл нетронутым, лазерное текстурирование также можно выполнять с точным контролем. В этих процессах лазерный луч обычно представляет собой гауссов луч с высокой энергией в центре луча, который удаляет слой металла и заставляет металл под ним мгновенно изменять состояние из твердого в жидкое и обратно в твердое. В этом процессе обычно используются одномодовые лазеры, которые обеспечивают очень малые размеры пятна, создавая чрезвычайно точные текстуры. Можно провести аналогию со струйной обработкой, где размер каждой песчинки точно контролируется, хотя лазерное текстурирование работает совершенно иначе — обрабатывая поверхность теплом лазера, а не физическим воздействием песчинок. В некоторых приложениях по изготовлению металла лазерное текстурирование может точно моделировать поверхность, чтобы изменить ее свойства, например, сделать ее гидрофобной. Эти приложения по точному текстурированию обычно используют лазеры с очень короткой длительностью импульса, обычно измеряемой в пикосекундах или фемтосекундах. Многие другие приложения по текстурированию используются для подготовки металлических поверхностей к нанесению покрытий без использования абразива или чистящих химикатов.

Автоматизированные приложения
Автоматизированная лазерная очистка становится все более распространенной в средах с малым количеством смешанных партий и большим объемом. Например, очистка сварных швов аккумуляторов является типичным применением. «Эти системы обрабатывают миллионы деталей, сваривая несколько заготовок в секунду для очистки поверхностей». Удаление смазки после штамповки является еще одним растущим применением. Ранее эти операции основывались на больших линиях очистки для подготовки штамповок к покрытию, используя большое количество воды, которая легко загрязнялась металлом и другим мусором, и с которой было трудно и дорого обращаться. Подготовка склеивания является еще одной важной областью применения, особенно лазерное текстурирование. В некоторых случаях корпус может потребоваться собрать с помощью специального клея, который соответствует поверхности с определенной текстурой или рисунком. Производство тормозных колодок использует похожую технологию, где лазер текстурирует металлическую поверхность перед установкой тормозной колодки.

Замена пескоструйной обработки?
Преимущества лазерной сварки в скорости и качестве хорошо известны, поэтому она все чаще встречается в цехах. Так может ли лазерное текстурирование заменить пескоструйную обработку? Автоматизированное оборудование хорошо работает в условиях большого объема и малого ассортимента, особенно для деталей простой геометрии. Однако по мере того, как детали становятся более сложными, а комбинации деталей увеличиваются, сложность автоматизации возрастает. Это связано с природой лазерного текстурирования, которое в идеале требует, чтобы луч был перпендикулярен поверхности металла или максимально близок к перпендикуляру.

Новая альтернатива
Лазерная очистка и текстурирование подходят не во всех случаях, в зависимости от загрязняющих веществ, которые необходимо удалить, и требований к подготовке поверхности. Например, лазеры не очень хорошо удаляют прокатную окалину с толстого горячекатаного листа, особенно в автоматизированной среде, требующей высокой производительности. Тем не менее, лазерная очистка и текстурирование демонстрируют большой потенциал, особенно в отраслях, ищущих квалифицированных рабочих. Пескоструйная обработка и химические очистители часто делают окружающую среду менее чистой. «Многие хотят видеть более экологичные, более устойчивые процессы в производстве», — сказал Миллер Кордейро, контент-менеджер Laser Photonics. «Лазерная очистка и аналогичные технологии предоставляют производителям больше возможностей, помогая им повысить окупаемость инвестиций». Замена всей крошки и химикатов лазерами, наряду с правильными протоколами безопасности (СИЗ, световая безопасность, блокируемые ограждения с соответствующим защитным стеклом от лазеров), может сделать заводской цех более чистым и привлекательным местом для работы. Для отрасли, которая постоянно ищет новые способы привлечения работников, создание лучшей рабочей среды, безусловно, является хорошей идеей.