La fabricación de alta gama, la conservación de energía y la reducción de emisiones tienen una necesidad cada vez más urgente de procesos avanzados. En términos de tratamiento de superficies industriales, existe una necesidad urgente de una actualización integral de la tecnología y los procesos. Los procesos de limpieza industrial tradicionales, como la limpieza por fricción mecánica, la limpieza por corrosión química, la limpieza por impacto fuerte y la limpieza por ultrasonidos de alta frecuencia, no sólo tienen ciclos de limpieza largos, sino que son difíciles de automatizar, tienen efectos nocivos para el medio ambiente y no logran alcanzar los objetivos esperados. efecto de limpieza deseado. No puede satisfacer bien las necesidades del procesamiento fino.
Sin embargo, con las contradicciones cada vez más prominentes entre la protección del medio ambiente, la alta eficiencia y la alta precisión, los métodos tradicionales de limpieza industrial se enfrentan a un gran desafío. Al mismo tiempo, han surgido diversas tecnologías de limpieza que favorecen la protección del medio ambiente y son adecuadas para piezas en el campo del ultraacabado, y la tecnología de limpieza láser es una de ellas.
Concepto de limpieza láser
La limpieza con láser es una tecnología que utiliza un láser enfocado para actuar sobre la superficie de un material para vaporizar o eliminar rápidamente los contaminantes de la superficie, a fin de limpiar la superficie del material. En comparación con varios métodos tradicionales de limpieza física o química, la limpieza con láser tiene las características de no contacto, sin consumibles, sin contaminación, alta precisión, sin daños o daños pequeños, y es una opción ideal para una nueva generación de tecnología de limpieza industrial.
Principio de funcionamiento de la máquina de limpieza láser
El principio demáquina de limpieza láseres más complicado y puede incluir procesos tanto físicos como químicos. En muchos casos, los procesos físicos son el proceso principal, acompañados de algunas reacciones químicas. Los procesos principales se pueden clasificar en tres categorías, incluido el proceso de gasificación, el proceso de choque y el proceso de oscilación.
Proceso de gasificación
Cuando el láser de alta energía se irradia sobre la superficie del material, la superficie absorbe la energía del láser y la convierte en energía interna, de modo que la temperatura de la superficie aumenta rápidamente y alcanza por encima de la temperatura de vaporización del material, de modo que los contaminantes se Se separa de la superficie del material en forma de vapor. La vaporización selectiva suele ocurrir cuando la tasa de absorción de la luz láser por los contaminantes de la superficie es significativamente mayor que la del sustrato. Un caso de aplicación típico es la limpieza de suciedad en superficies de piedra. Como se muestra en la figura siguiente, los contaminantes en la superficie de la piedra tienen una fuerte absorción del láser y se vaporizan rápidamente. Cuando se eliminan los contaminantes y se irradia el láser sobre la superficie de la piedra, la absorción es débil, la superficie de la piedra dispersa más energía del láser, el cambio de temperatura de la superficie de la piedra es pequeño y la superficie de la piedra está protegida contra daños.
Un proceso típico de base química ocurre cuando se utiliza un láser en la banda ultravioleta para limpiar contaminantes orgánicos, lo que se llama ablación con láser. Los láseres ultravioleta tienen longitudes de onda cortas y alta energía fotónica. Por ejemplo, los láseres excímeros KrF tienen una longitud de onda de 248 nm y una energía de fotón de hasta 5 eV, que es 40 veces mayor que la energía de fotón del láser de CO2 (0,12 eV). Una energía fotónica tan alta es suficiente para destruir los enlaces moleculares de la materia orgánica, de modo que CC, CH, CO, etc. en los contaminantes orgánicos se rompen después de absorber la energía fotónica del láser, lo que resulta en gasificación por pirólisis y eliminación de la superficie.
Proceso de choque
El proceso de choque es una serie de reacciones que ocurren durante la interacción entre el láser y el material, y luego se forma una onda de choque en la superficie del material. Bajo la acción de la onda de choque, los contaminantes de la superficie se rompen y se convierten en polvo o escombros que se desprenden de la superficie. Hay muchos mecanismos que causan ondas de choque, incluidos el plasma, el vapor y la rápida expansión y contracción térmica. Utilizando las ondas de choque de plasma como ejemplo, es posible comprender brevemente cómo el proceso de choque en la limpieza con láser elimina los contaminantes de la superficie. Con la aplicación de láseres de ancho de pulso ultracorto (ns) y potencia máxima ultraalta (107–1010 W/cm2), la temperatura de la superficie seguirá aumentando bruscamente incluso si la superficie absorbe el láser ligeramente, alcanzando la temperatura de vaporización instantáneamente. Arriba, el vapor se formó sobre la superficie del material, como se muestra en (a) en la siguiente figura. La temperatura del vapor puede alcanzar 104 – 105 K, lo que puede ionizar el propio vapor o el aire circundante para formar un plasma. El plasma impedirá que el láser alcance la superficie del material y la vaporización de la superficie del material puede detenerse, pero el plasma continuará absorbiendo la energía del láser y la temperatura seguirá aumentando, formando un estado localizado de Temperatura ultra alta y alta presión, que produce una presión instantánea de 1 a 100 kbar en la superficie del material. El impacto se transfiere gradualmente al interior del material, como se muestra en las Figuras (b) y (c) a continuación. Bajo la acción de la onda de choque, los contaminantes de la superficie se descomponen en pequeños polvos, partículas o fragmentos. Cuando el láser se aleja de la posición de irradiación, el plasma desaparece y se genera una presión negativa localmente, y las partículas o desechos de contaminantes se eliminan de la superficie, como se muestra en la Figura (d) a continuación.
Proceso de oscilación
Bajo la acción de impulsos cortos, los procesos de calentamiento y enfriamiento del material son extremadamente rápidos. Debido a que diferentes materiales tienen diferentes coeficientes de expansión térmica, bajo la irradiación de un láser de pulso corto, los contaminantes de la superficie y el sustrato sufrirán una expansión y contracción térmica de alta frecuencia de diferentes grados, lo que resultará en una oscilación que hará que los contaminantes se despeguen de la superficie de la materia. Durante este proceso de exfoliación, es posible que no se produzca la vaporización del material y que no se genere plasma. En cambio, la fuerza de corte formada en la interfaz del contaminante y el sustrato bajo la acción de la oscilación destruye la unión entre el contaminante y el sustrato. . Los estudios han demostrado que cuando el ángulo de incidencia del láser aumenta ligeramente, se puede aumentar el contacto entre el láser y la contaminación de partículas y la interfaz del sustrato, se puede reducir el umbral de limpieza del láser, el efecto de oscilación es más obvio y el la eficiencia de limpieza es mayor. Sin embargo, el ángulo de incidencia no debería ser demasiado grande. Un ángulo de incidencia demasiado grande reducirá la densidad de energía que actúa sobre la superficie del material y debilitará la capacidad de limpieza del láser.
Aplicaciones industriales de los limpiadores láser
Industria del molde
El limpiador láser puede realizar la limpieza sin contacto del molde, lo cual es muy seguro para la superficie del molde, puede garantizar su precisión y puede limpiar las partículas de suciedad submicrónicas que no se pueden eliminar con los métodos de limpieza tradicionales, de modo que para conseguir una limpieza verdaderamente libre de contaminación, eficiente y de alta calidad.
Industria de instrumentos de precisión
La industria de la maquinaria de precisión a menudo necesita eliminar de las piezas los ésteres y aceites minerales utilizados para la lubricación y la resistencia a la corrosión, normalmente mediante productos químicos, y la limpieza química suele dejar residuos. La deesterificación por láser puede eliminar completamente los ésteres y aceites minerales sin dañar la superficie de las piezas. El láser promueve la gasificación explosiva de la fina capa de óxido en la superficie de la pieza para formar una onda de choque, lo que resulta en la eliminación de contaminantes en lugar de una interacción mecánica.
Industria ferroviaria
En la actualidad, toda la limpieza previa a la soldadura de rieles adopta una limpieza del tipo rectificado con muela y cinta abrasiva, lo que causa graves daños al sustrato y tensiones residuales graves, y consume muchos consumibles de muela cada año, lo que es costoso y causa graves consecuencias. contaminación del polvo al medio ambiente. La limpieza con láser puede proporcionar tecnología de limpieza ecológica eficiente y de alta calidad para la producción de tendido de vías férreas de alta velocidad de mi país, resolver los problemas anteriores, eliminar defectos de soldadura, como orificios de rieles sin costuras y puntos grises, y mejorar la estabilidad y seguridad de las vías altas de mi país. -Operación ferroviaria de alta velocidad.
Industria de la aviación
La superficie del avión debe volverse a pintar después de un cierto período de tiempo, pero la pintura antigua original debe eliminarse por completo antes de pintar. El remojo/limpieza química es el principal método de decapado de pintura en el campo de la aviación. Este método genera una gran cantidad de desechos auxiliares químicos y es imposible lograr el mantenimiento local y el decapado de pintura. Este proceso supone una gran carga de trabajo y perjudicial para la salud. La limpieza con láser permite la eliminación de pintura de alta calidad en las superficies del revestimiento de los aviones y se automatiza fácilmente para la producción. En la actualidad, la tecnología de limpieza láser se ha aplicado al mantenimiento de algunos modelos de alta gama.
Industria naval
En la actualidad, la limpieza previa a la producción de barcos adopta principalmente el método de chorro de arena. El método de limpieza con chorro de arena ha provocado una grave contaminación de polvo en el medio ambiente y ha sido prohibido gradualmente, lo que ha provocado la reducción o incluso la suspensión de la producción por parte de los fabricantes de barcos. La tecnología de limpieza láser proporcionará una solución de limpieza ecológica y libre de contaminación para la pulverización anticorrosión en las superficies de los barcos.
Armas
La tecnología de limpieza láser se ha utilizado ampliamente en el mantenimiento de armas. El sistema de limpieza láser puede eliminar el óxido y los contaminantes de manera eficiente y rápida, y puede seleccionar la pieza de limpieza para realizar la automatización de la limpieza. Al utilizar la limpieza con láser, no solo la limpieza es mayor que la del proceso de limpieza química, sino que además casi no daña la superficie del objeto. Al establecer diferentes parámetros, la máquina de limpieza láser también puede formar una película protectora de óxido denso o una capa de fusión de metal en la superficie de los objetos metálicos para mejorar la resistencia de la superficie y la corrosión. Los desechos eliminados por el láser básicamente no contaminan el medio ambiente y también pueden operarse a larga distancia, lo que reduce efectivamente el daño a la salud del operador.
Exterior del edificio
Cada vez se construyen más rascacielos y el problema de la limpieza de las paredes exteriores de los edificios se ha vuelto cada vez más importante. El sistema de limpieza láser limpia bien las paredes exteriores de los edificios a través de fibras ópticas. La solución con una longitud máxima de 70 metros puede limpiar eficazmente diversos contaminantes en diversas piedras, metales y vidrio, y su eficiencia es mucho mayor que la de la limpieza convencional. También puede eliminar puntos negros y manchas de varias piedras en los edificios. La prueba de limpieza del sistema de limpieza láser en edificios y monumentos de piedra muestra que la limpieza láser tiene un buen efecto en la protección de la apariencia de edificios antiguos.
Industria Electrónica
La industria electrónica utiliza láseres para eliminar óxidos: la industria electrónica requiere una descontaminación de alta precisión y la desoxidación por láser es especialmente adecuada. Las clavijas de los componentes deben desoxidarse completamente antes de soldar la placa para garantizar un contacto eléctrico óptimo y las clavijas no deben dañarse durante el proceso de descontaminación. La limpieza con láser puede cumplir con los requisitos de uso, la eficiencia es muy alta y solo se requiere una irradiación láser para cada aguja.
Planta de energía nuclear
Los sistemas de limpieza por láser también se utilizan en la limpieza de tuberías de reactores en centrales nucleares. Utiliza una fibra óptica para introducir un rayo láser de alta potencia en el reactor para eliminar directamente el polvo radiactivo y el material limpio es fácil de limpiar. Y como se opera a distancia, se puede garantizar la seguridad del personal.
Resumen
La avanzada industria manufacturera actual se ha convertido en la cumbre de la competencia internacional. Como sistema avanzado en la fabricación por láser, la máquina de limpieza por láser tiene un gran potencial de valor de aplicación en el desarrollo industrial. El desarrollo vigoroso de la tecnología de limpieza láser tiene una importancia estratégica muy importante para el desarrollo económico y social.