Od zakładów produkcyjnych i laboratoriów medycznych po przemysł motoryzacyjny, lotniczy i stalowy, laser staje się najbardziej preferowaną metodą czyszczenia powierzchni materiałów.
Chociaż zastosowanie laserów w zastosowaniach do cięcia, wiercenia i spawania jest dobrze znane, jego obecne dostosowanie w przemysłowych zastosowaniach do czyszczenia jest stosunkowo nowe i niezbadane.
Obecne zastosowanie laserów wynikało z potrzeby zastosowania bezpiecznej, nieściernej metody czyszczenia, która mogłaby być stosowana jako substytut w zastosowaniach, w których wcześniej stosowano metody strumieniowania chemicznego, ręcznego i ściernego.
Zalety stosowania laserów w zastosowaniach do czyszczenia
Kluczowe problemy wynikające z konwencjonalnych metod czyszczenia obejmują negatywny wpływ na środowisko i zużycie podłoża. Systemy czyszczenia strumieniowo-ściernego spowodowały powstanie znacznych ilości odpadów i uszkodzonych delikatnych powierzchni, podczas gdy stosowanie rozpuszczalników chemicznych spowodowało potencjalnie niebezpieczne opary i ciekłe produkty odpadowe.
Doprowadziło to do adaptacji technologii laserowej w zastosowaniach do czyszczenia powierzchni. Ze względu na wiele zalet, czyszczenie laserowe jest obecnie najskuteczniejszą metodą usuwania niepożądanej substancji z powierzchni materiałów.
Obecnie istnieje szeroka gama impulsowych systemów laserowego czyszczenia i usuwania powłok stosowanych w różnych zastosowaniach, począwszy od usuwania pozostałości wulkanizujących z form opon i powierzchni grawerowania poprzez ablację, do usuwania izolacji z przewodów i usuwania powłoki z delikatnych powierzchni.
Niektóre z wielu zalet stosowania laserów w aplikacjach do czyszczenia powierzchni obejmują:
Zautomatyzowana i nielosowa metoda czyszczenia
Zmniejszona ilość produktów odpadowych
Zwiększone bezpieczeństwo
Nie ma potrzeby stosowania środków chemicznych ani środków do piaskowania
Bezścierny i bezkontaktowy proces czyszczenia
Aplikacje do czyszczenia laserowego
Profilowanie powierzchni i usuwanie rdzy w produkcji stali. Czyszczenie laserowe jest również skuteczną i wydajną metodą usuwania rdzy i kamienia z materiałów metalowych. Rdza i kamień są zanieczyszczeniami, które tworzą się na powierzchniach metalowych w wyniku naturalnych lub sztucznych procesów. Gdy metale są narażone na wilgoć, reagują z wodą tworząc tlenki żelaza, powodując rdzę. Ta rdza pogarsza jakość metalu, co czyni go nieodpowiednim do stosowania w różnych zastosowaniach.
Rys. 1 Sieć
(Źródło: worldsteel Image Library)
Z drugiej strony, na powierzchniach metalowych powstają łuski w wyniku procesów obróbki cieplnej, a ich tlenek odbarwia powierzchnię metalową, zapobiegając późniejszym operacjom wykończeniowym.
Usuwanie tych niepożądanych osadów powierzchniowych wymaga wykonania procesów odkamieniania, aby zapewnić gładkie powierzchnie do wstępnego wykończenia i procesów wykończeniowych, takich jak galwanizacja.
Konwencjonalne operacje usuwania rdzy i odkamieniania obejmują stosowanie metod fizycznych, takich jak piaskowanie, polerowanie, skrobanie, dodatkowe uderzenia i szczotki druciane. Do usuwania kamienia można również stosować metody chemiczne, takie jak usuwanie kamienia alkalicznego i usuwanie zgorzeliny (trawienie). Jednak metody te są bardzo ścierne i powodują zanieczyszczenie środowiska i uszkodzenie metalu podłoża.
Aby uniknąć tych wad, czyszczenie laserowe stało się preferowaną metodą usuwania rdzy i usuwania kamienia. Rdza / kamień jest usuwany przez skierowanie wiązki laserowej o dużej mocy szczytowej i częstotliwości powtarzania na zardzewiałą warstwę.
Laser musi być odpalany w krótkich impulsach, aby uniknąć uszkodzenia obrabianego podłoża. Rdza szybko pochłania energię wiązki laserowej, co powoduje wzrost poziomu temperatury. Gdy temperatura jest wystarczająco wysoka, rdza topi się i ostatecznie odparowuje.
Korzystanie z impulsowych laserów światłowodowych jest preferowaną opcją, ponieważ zapewnia większą kontrolę nad mocą, długością fali i czasem trwania impulsu, umożliwiając parowanie rdzy / kamienia bez uszkodzenia materiału leżącego poniżej.
Proces czyszczenia laserem można również zastosować do profilowania powierzchni. Przed nałożeniem powłok ochronnych na wykonane elementy stalowe w celu konserwacji i ochrony przed działaniem korozyjnym, ich powierzchnie muszą być czyste i wolne od wszelkich zanieczyszczeń.
Profilowanie powierzchni / przygotowanie wymaga usunięcia wszystkich zanieczyszczeń z powierzchni części stalowych w ramach przygotowań do aplikacji powłok ochronnych. Te zanieczyszczenia obejmują oleje, smary, zgorzeliny, hydraty i warstwy tlenków, podkład gruntujący itp. W przypadku wszelkich kolejnych procesów pręty, druty i profile muszą być również wolne od tych zanieczyszczeń.
Ponieważ czyszczenie laserem światłowodowym wykorzystuje bezścierne, bezstykowe podejście bez udziału rozpuszczalników, chemikaliów lub mediów ściernych, jest ono idealne do profilowania powierzchni i usuwania rdzy / kamienia. Proces czyszczenia może być prowadzony na małą lub dużą skalę i może być zautomatyzowany. Czyszczenie laserowe jest przyjaznym dla środowiska i efektywnym kosztowo sposobem usuwania rdzy i przygotowania powierzchni walcowanych wyrobów stalowych i stalowych elementów do powlekania ochronnego.
Czyszczenie zespołu anodowego. Przemysł wytapiania aluminium wykorzystuje bloki węglowe jako anody „protektorowe” w produkcji aluminium pierwotnego. Jakość anody ma wpływ na środowiskowe, ekonomiczne i technologiczne aspekty produkcji aluminium. Niewielki procent mocy ogniw jest przeznaczony na pokonywanie rezystancji elektrycznej wstępnie anodowanej anody.
Rys. 2 Sieć
(Źródło: Flickr)
Obecność brudu i innych zanieczyszczeń zwiększy oporność elektryczną anody, powodując zużycie większej mocy ogniwa. Obecność zanieczyszczeń zmniejsza również żywotność anody, zwiększając jej szybkość zużycia podczas procesu wytapiania. Z punktu widzenia wydajności konieczne jest oczyszczenie i usunięcie wszystkich zanieczyszczeń powierzchniowych z zespołów anodowych, zanim zostaną one użyte w procesach wytapiania aluminium.
Ponadto zespoły anodowe są cennymi narzędziami, które można ponownie wykorzystać, ale tylko po przeprowadzeniu dokładnego i starannego traktowania głównych komponentów - w określonych warunkach.
Czyszczenie laserowe spełnia specyficzne warunki, w których zespoły anodowe mogą być poddawane ponownemu użyciu. Może być używany w następujących aplikacjach:
Usuwanie pozostałości z niedopałków węgla
Czyszczenie prętów katodowych
Usuwanie zanieczyszczeń i zabrudzeń z naparstków i pręcików
Przygotowanie kleju do metali. Aby zwiększyć stabilność procesu, przyczepność powierzchni i lepszą jakość szwu, powierzchnia łączonych materiałów metalowych musi być przygotowana przed zastosowaniem spawania i innych technik łączenia.
Bez koniecznych prac ziemnych połączenia i szwy stają się podatne na degradację, zwiększone zużycie i katastrofalne awarie. Czyszczenie laserowe może być wykorzystane do przygotowania powierzchni przed ich połączeniem, co daje doskonałą jakość wytrzymałości spoiny dla lepszej odporności na korozję i trwałości.
Czyszczenie laserowe jest odpowiednie do przygotowania kleju, ponieważ usuwa tlenki i inne zanieczyszczenia, takie jak tłuszcz i tlenki, które zmniejszają wytrzymałość połączeń klejowych. Jest szczególnie odpowiedni do zastosowań obejmujących zakrzywione lub płaskie powierzchnie lub części z pewnymi ograniczeniami dla wysoce złożonych geometrii 3D.
Jedną z głównych zalet czyszczenia laserowego jest możliwość precyzyjnego dostrojenia jego mocy i długości fali w celu precyzyjnej modyfikacji metali, takich jak magnez i aluminium, które mają być wykorzystywane do celów mikrostrukturyzacji. Nadaje również materiałom bardzo wysoką odporność na korozyjne elementy, zapewniając stabilne, długotrwałe klejenie.
W ostatnim czasie w zastosowaniach do projektowania strukturalnego zwiększa się wykorzystanie wiązań klejowych zamiast konwencjonalnych technik łączenia, takich jak nitowanie i spawanie. Wynika to z wielu zalet klejenia w porównaniu z konwencjonalnymi technikami.
Zalety te obejmują równomierny rozkład naprężeń, redukcję korozji, rozjaśnienie konstrukcji, tłumienie drgań i izolację akustyczną. Korzyści te można jednak osiągnąć tylko wtedy, gdy łączone powierzchnie są przygotowywane, odtłuszczane i starannie czyszczone.
Czyszczenie laserowe jest idealne do takich zastosowań, ponieważ usuwa zanieczyszczenia, rdzę, powłoki ochronne i inne zanieczyszczenia powstałe podczas transportu, nie uszkadzając podłoża.
Obróbka wstępna do lutowania twardego i spawania. Czyszczenie laserowe okazało się również skuteczne w zastosowaniach do obróbki wstępnej do spawania i lutowania twardego. Zanim materiały aluminiowe i stalowe zostaną wykorzystane do celów spawalniczych w przemyśle stoczniowym, produkcji narzędzi precyzyjnych, motoryzacji i innych pokrewnych branżach, należy najpierw przygotować ich powierzchnie.
Przygotowanie do spawania laserowego jest jednym z wielu zastosowań czyszczenia laserowego i pomaga w usuwaniu metali żelaznych i nieżelaznych, smarów i innych zanieczyszczeń z powierzchni metalowych i aluminiowych w celu przygotowania wysokiej jakości spoin. Zapewnia również gładkie i wolne od porów lutowane szwy.
Podczas stosowania w procesach obróbki wstępnej do spawania i lutowania, czyszczenie laserowe ma następujące cechy:
Gruntowne usuwanie warstwy podkładowej, hydratów i tlenków
Odtłuszczanie i odolejanie
Oprócz spawania i lutowania twardego, lasery mogą być również używane do usuwania pozostałości spawalniczych, takich jak pozostałości topnika i materiałów tlenkowych, jak również plamy termiczne z gotowych połączeń spawanych. Ta metoda czyszczenia jest szczególnie korzystna dla części ze stali nierdzewnej, ponieważ światło lasera zawiesza granice ziaren, zapewniając pasywację szwów spawalniczych, zwiększając tym samym odporność na korozję.
Zalety stosowania czyszczenia laserowego w aplikacjach do spawania i lutowania wstępnego obejmują:
Regulowane długości fal i moc do precyzyjnej obróbki powierzchni łączących w szerokim zakresie grubości materiału
Brak uszkodzeń podłoża - czyli ocynkowanych warstw blachy stalowej
Częściowe odklejanie. Czyszczenie laserowe jest szczególnie skuteczne w zastosowaniach, które wymagają częściowego usuwania farby lub powłok z wykończonych powierzchni. Może być stosowany na praktycznie wszystkich rodzajach powierzchni, zarówno anodowanych chemicznie, utlenionych, jak i organicznych. Czyszczenie laserowe może być stosowane do demontażu paneli słonecznych i usuwania farby w przemyśle samochodowym i lotniczym, przy jednoczesnym zachowaniu integralności substancji podkładowej.
W zastosowaniach do usuwania powłok preferowane są lasery światłowodowe. Eliminują potrzebę maskowania poprzez precyzyjne usuwanie warstwy powłoki w określonym obszarze, eliminując w ten sposób niektóre wyzwania związane z częściowymi aplikacjami do usuwania powłok. Lasery mogą być używane w:
Precyzyjna obróbka powierzchni funkcjonalnych i projektowych
Tworzenie klatek Faradaya i kontaktów ciągłości dla przemysłu lotniczego
Częściowe usuwanie farby w celu zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej
Twórz punkty spojenia dla połączeń przewodów
Powlekanie pasków w przemyśle elektronicznym i samochodowym
Czyszczenie laserowe jest bardzo skuteczne w sytuacjach, w których krytyczne szwy spawalnicze na pomalowanych konstrukcjach / częściach muszą zostać pokryte powłoką w celu kontroli. Laser usuwa powłoki bez potrzeby użycia narzędzi ręcznych lub elektrycznych, materiałów ściernych lub środków chemicznych, które mogą ukryć obszary problemowe i spowodować dalsze uszkodzenia powierzchni.
Selektywne usuwanie farby. Selektywne usuwanie farby stanowi jedno z wielu zastosowań czyszczenia laserowego. W przemyśle samochodowym i lotniczym czasami konieczne jest usunięcie górnej warstwy farby przy jednoczesnym zachowaniu podkładu. Dzieje się tak często, gdy górne zwietrzałe powłoki na pojazdach muszą być dokładnie usunięte przed zastosowaniem nowego wykończenia farby.
