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 ultrasónica de alta frecuencia, no solo tienen ciclos de limpieza largos, sino que son difíciles de automatizar, tienen efectos nocivos para el medio ambiente y no logran el efecto de limpieza deseado. No pueden 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 de limpieza industrial tradicionales se ven muy desafiados. 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 por láser
La limpieza láser es una tecnología que utiliza un láser enfocado para actuar sobre la superficie de un material y vaporizar o despegar rápidamente los contaminantes de la superficie, con el fin de limpiar la superficie del material. En comparación con varios métodos de limpieza físicos o químicos tradicionales, la limpieza láser tiene las características de no tener contacto, no usar consumibles, no contaminar, es de alta precisión, no causar daños o causar 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 de maquina de limpieza laser Es más complicado y puede incluir tanto procesos 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: proceso de gasificación, proceso de choque y 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 una temperatura superior a la de vaporización del material, de modo que los contaminantes se separan 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 de 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 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 químico típico ocurre cuando se utiliza un láser en la banda ultravioleta para limpiar contaminantes orgánicos, lo que se denomina ablación láser. Los láseres ultravioleta tienen longitudes de onda cortas y una energía fotónica alta. Por ejemplo, los láseres excimer KrF tienen una longitud de onda de 248 nm y una energía fotónica de hasta 5 eV, que es 40 veces mayor que CO2 Energía fotónica del láser (0.12 eV). Esta alta energía fotónica es suficiente para destruir los enlaces moleculares de la materia orgánica, de modo que el CC, CH, CO, etc. de los contaminantes orgánicos se rompen después de absorber la energía fotónica del láser, lo que da como resultado la gasificación por pirólisis y su 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 residuos 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. Usando las ondas de choque de plasma como ejemplo, es posible entender brevemente cómo el proceso de choque en la limpieza láser elimina los contaminantes de la superficie. Con la aplicación de láseres de ancho de pulso ultracorto (ns) y potencia pico ultraalta (107–1010 W/cm2), la temperatura de la superficie seguirá aumentando bruscamente incluso si la superficie absorbe ligeramente el láser, alcanzando la temperatura de vaporización instantáneamente. Arriba, el vapor formado 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 vapor mismo o el aire circundante para formar un plasma. El plasma bloqueará el láser para que no llegue a 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 ultraalta y alta presión, que produce una instantánea de 1-100 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 polvo, partículas o fragmentos diminutos. Cuando el láser se aleja de la posición de irradiación, el plasma desaparece y se genera una presión negativa localmente, y las partículas o restos de contaminantes se eliminan de la superficie, como se muestra en la figura (d) a continuación.
Proceso de oscilación
Bajo la acción de pulsos cortos, los procesos de calentamiento y enfriamiento del material son extremadamente rápidos. Debido a que los diferentes materiales tienen diferentes coeficientes de expansión térmica, bajo la irradiación del láser de pulso corto, los contaminantes de la superficie y el sustrato experimentarán una expansión y contracción térmica de alta frecuencia de diferentes grados, lo que resultará en una oscilación, lo que hará que los contaminantes se desprendan de la superficie del material. 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 el vínculo 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 la eficiencia de limpieza es mayor. Sin embargo, el ángulo de incidencia no debe 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 de moldes
El limpiador láser puede realizar la limpieza sin contacto del molde, lo que 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, para lograr 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 los rieles adopta una limpieza de tipo muela abrasiva y cinta abrasiva, lo que causa graves daños al sustrato y una tensión residual grave, y consume una gran cantidad de consumibles de muela abrasiva cada año, lo que es costoso y causa una grave contaminación por polvo al medio ambiente. La limpieza láser puede proporcionar una tecnología de limpieza ecológica de alta calidad y eficiente para la producción de tendido de vías ferroviarias de alta velocidad de mi país, resolver los problemas anteriores, eliminar defectos de soldadura como agujeros de riel sin costura y puntos grises, y mejorar la estabilidad y seguridad de la operación ferroviaria de alta velocidad de mi país.
Industria de aviación
La superficie de la aeronave necesita ser repintada después de un cierto período de tiempo, pero la pintura vieja 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 químicos auxiliares y es imposible lograr un mantenimiento local y decapado de pintura. Este proceso es una carga de trabajo pesada y perjudicial para la salud. La limpieza láser permite una eliminación de alta calidad de la pintura en las superficies de la superficie de la aeronave y se puede automatizar 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 se ha ido prohibiendo 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.
Arsenal
La tecnología de limpieza láser se ha utilizado ampliamente en el mantenimiento de armas. El sistema de limpieza láser puede quitar el óxido y contaminantes de manera eficiente y rápida, y puede seleccionar la parte de limpieza para realizar la automatización de la limpieza. Al usar la limpieza láser, no solo la limpieza es mayor que el proceso de limpieza química, sino que también casi no daña la superficie del objeto. Al configurar diferentes parámetros, la máquina de limpieza láser también puede formar una película protectora de óxido densa o una capa de fusión de metal en la superficie de los objetos metálicos para mejorar la resistencia de la superficie y la resistencia a la corrosión. Los desechos eliminados por el láser básicamente no contaminan el medio ambiente y también se pueden operar 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 varios contaminantes en varias piedras, metales y vidrio, y su eficiencia es mucho mayor que la de la limpieza convencional. También puede eliminar manchas y puntos negros de varias piedras en los edificios. La prueba de limpieza del sistema de limpieza láser en los edificios y monumentos de piedra muestra que la limpieza láser tiene un buen efecto en la protección de la apariencia de los edificios antiguos.
Industria electrónica
La industria electrónica utiliza láseres para eliminar óxidos: la industria electrónica requiere una descontaminación de alta precisión, y la desoxidación láser es particularmente adecuada. Los pines de los componentes deben desoxidarse completamente antes de soldar la placa para garantizar un contacto eléctrico óptimo y los pines no deben dañarse durante el proceso de descontaminación. La limpieza con láser puede cumplir con los requisitos de uso y la eficiencia es muy alta, y solo se requiere una irradiación láser para cada aguja.
Central nuclear
Los sistemas de limpieza láser también se utilizan en la limpieza de tuberías de reactores en centrales nucleares. Utilizan una fibra óptica para introducir un haz láser de alta potencia en el reactor para eliminar directamente el polvo radiactivo. El material limpiado es fácil de limpiar y, como se opera a distancia, se puede garantizar la seguridad del personal.
Resumen
La industria manufacturera avanzada de hoy 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 por láser tiene una importancia estratégica muy importante para el desarrollo económico y social.
