Лазерная очистка — это технология удаления загрязнений с поверхности материала с помощью лазерного излучения.

Луч лазера воздействует на ржавчину, краску, оксидную плёнку, масла, нагар и другие загрязнения, не повреждая при этом основной металл.

Работает это так: лазерный луч фокусируется на обрабатываемом участке, энергия поглощается загрязнением, и оно моментально испаряется (абляция) или сгорает — в зависимости от типа лазера. Основа поверхности при этом остаётся нетронутой, потому что загрязнения поглощают излучение иначе, чем чистый металл.

Главные преимущества лазерной очистки:

• высокая точность — можно очищать локальные участки и труднодоступные места;

• отсутствие абразивного или химического воздействия — не нужны пескоструй, растворители и кислоты;

• минимальный нагрев поверхности (особенно у импульсных лазеров) — металл не деформируется;

• экологичность — нет отходов в виде песка, химии и сточных вод;

• универсальность — подходит для стали, алюминия, нержавейки, чугуна и других металлов.

Применяется лазерная очистка в самых разных сферах: удаление ржавчины и краски с металлоконструкций, очистка сварных швов от цветов побежалости, подготовка деталей перед покраской, очистка пресс-форм, удаление покрытий с кузовов автомобилей, очистка VIN-номеров, деталей двигателей и промышленного оборудования.

Существует два основных типа лазерной очистки:

• импульсная — короткие мощные импульсы, высокая плотность энергии, минимальный нагрев. Подходит для точной очистки ответственных изделий и толстых слоёв загрязнений.

• непрерывная (CW) — постоянное излучение, более доступная по цене, но сильнее нагревает поверхность. Эффективна для удаления лёгкого слоя ржавчины с неответственных изделий большой площади.
   

Ещё лет пять назад мало кто мог всерьёз представить, что ржавчину и краску с металла можно снимать при помощи света. Лишь специалисты, глубоко погружённые в лазерные технологии, понимали, какие возможности открывает лазерное излучение, и делали первые осторожные шаги по внедрению такого способа очистки в промышленность. Эти шаги опирались на положительный опыт первопроходцев технологии из западного мира — в частности, немецкой компании cleanLASER, которая ещё в конце девяностых обратила внимание на то, что энергию лазера можно использовать для обработки поверхности металлических изделий, в том числе для удаления загрязнений. Немецкая компания разработала для этих задач собственные твердотельные импульсные лазерные источники с высокой пиковой мощностью — и использует их до сих пор, и, поверьте, не случайно. Попробуем раскрыть эту тему ниже.

Система импульсной лазерной очистки металла

Настоящий прорыв в развитии и распространении лазерной очистки произошёл тогда, когда китайские производители лазерных источников и систем предложили применять для очистки непрерывный тип лазера (CW-лазеры), широко используемый в резке и сварке. Решение неоднозначное, если понимать принцип работы непрерывных лазеров и учитывать их ограничения применительно к качественной очистке. Тем не менее именно их использование дало мощный эффект для массового внедрения — или хотя бы знакомства — с технологией лазерной очистки, поскольку стоимость непрерывных лазерных источников в разы ниже импульсных, которые ставили в свои аппараты западные производители и немногочисленные интеграторы на российском рынке. С тех пор прошло достаточно времени, чтобы пользователь смог разобраться и оценить применимость систем как на базе непрерывных, так и на базе импульсных источников — об этом и хотелось бы поговорить в данном материале.

Таким образом, сегодня аппараты лазерной очистки металлов строятся на двух основных типах лазерных излучателей: импульсных и непрерывных. Давайте разбираться, что они собой представляют и кто из них в итоге способен решить ваши задачи.

Импульсная лазерная очистка

Импульсные лазеры работают на основе генерации коротких мощных импульсов света. Вот основные этапы и принципы их работы:

Генерация лазерного излучения
Источник лазерного излучения, обычно это высокомощные диоды, генерирует сверхкороткие лазерные импульсы высокой мощности. Импульсы, как правило, могут длиться от нескольких сотен до десятков наносекунд.

Модуляция импульсов
Лазерный источник оснащён модулятором, который контролирует длительность и частоту импульсов. Это позволяет накапливать энергию и выдавать импульсы с энергией, кратно превышающей среднюю мощность лазера. Это, кстати, существенное отличие от импульсного режима в непрерывных лазерах, который представляет собой лишь процесс «включения-выключения» лазера при неизменной средней мощности.

Фокусировка луча
Лазерный луч фокусируется на обрабатываемой поверхности с помощью оптических элементов — линз и зеркал. Это позволяет концентрировать энергию лазера на маленькой площади и достигать высокой плотности энергии.

Взаимодействие с материалом
Когда высокоинтенсивный импульс лазерного излучения попадает на поверхность материала, энергия поглощается, и под действием лазерного луча высокой мощности происходит моментальное испарение (абляция) неметаллических и посторонних соединений, минуя жидкостную фазу (плавление материала). Это позволяет эффективно удалять загрязнения, оксиды и другие покрытия с поверхности.

Исходя из физики процесса работы импульсных лазерных источников, можно выделить их следующие преимущества:

Высокая точность и контролируемость
Импульсные лазеры позволяют точечно воздействовать на загрязнения, не затрагивая основную поверхность.

Минимальный риск повреждения
Короткие импульсы минимизируют нагрев поверхности, снижая вероятность деформации или повреждения.

Высокая скорость очистки
Лазеры с высокой энергией в импульсе могут быстро удалять толстые слои ржавчины и других загрязнений.

Чистота обработки
Импульсная очистка позволяет удалять даже стойкие загрязнения, обеспечивая чистую поверхность.

При выборе метода очистки поверхности в первую очередь нужно исходить из конкретных задач и специфики производства, но в целом можно выделить ряд направлений, где импульсные лазерные источники чаще всего находят применение сегодня:

Очистка сварных швов от цветов побежалости на нержавеющей стали

Очистка пресс-форм, используемых при производстве резинотехнических изделий и литье пластмасс

Удаление оксидной плёнки на алюминиевых изделиях, а также для придания им шероховатости

Предварительная обработка деталей в машиностроении и автомобилестроении перед покраской, очистка от ржавчины, краски, грунтовки

Потенциально применение импульсной лазерной очистки намного шире представленного выше перечня. Ограничениями на сегодня выступают недостаточный опыт работы наших предприятий с этой технологией, отсутствие регуляторной базы, а также высокие первоначальные инвестиции в оборудование. На фоне стоимости непрерывных лазеров импульсные действительно могут показаться необоснованно дорогими, хотя за последние два года и здесь произошли положительные подвижки. Производители импульсных лазерных установок постоянно разрабатывают и выводят на рынок новые лазеры, адаптируя их под различные прикладные задачи.



Например, НТО «ИРЭ-Полюс», российское подразделение IPG Photonics, производит систему ручной лазерной очистки LightCLEAN на базе импульсного лазера мощностью 1 000 Вт, способную закрыть большинство потенциальных задач в лазерной очистке. Китайские производители импульсных лазеров тоже не стоят на месте, хотя здесь стоит заметить, что качество их исполнения уступает IPG. Возможно, сыграть на руку более широкому использованию импульсных лазеров для очистки помогут аппараты на базе непрерывных лазеров. Как? Всё познаётся в сравнении.

Непрерывная лазерная очистка

Давайте для начала разберёмся, как работают непрерывные лазеры и в чём их особенность по сравнению с импульсными. И здесь прежде всего следует разобраться в понимании мощности применительно к лазерам. Мощность лазерного излучения — это количество энергии, которое лазер излучает в единицу времени. Важным параметром, связанным с мощностью лазера, является понятие средней мощности — общее количество энергии, излучаемой лазером в единицу времени. Так вот, для непрерывных лазеров это постоянное значение, а для импульсных — средняя мощность за период времени. Таким образом, непрерывные лазеры направляют постоянное лазерное излучение на обрабатываемую поверхность. В настоящее время большинство производителей выпускают аппараты мощностью 1 500 Вт, 2 000 Вт и 3 000 Вт.

Система импульсной лазерной очистки металла

В результате воздействия непрерывным лазером на обрабатываемую поверхность происходит несколько важных физических процессов:

Поглощение излучения
Лазерное излучение попадает на поверхность металла, и энергия светового луча поглощается материалом.

Нагрев поверхности
Поглощённая энергия приводит к быстрому нагреву поверхности металла до высоких температур.

Термическое расширение
Нагрев вызывает термическое расширение верхних слоёв материала, что может способствовать разрушению оксидных плёнок и загрязнений.

Сжигание/плавление
При достаточно высокой температуре верхний слой загрязнений частично сгорает и испаряется, оставляя визуально чистую поверхность.

Казалось бы, результат достигается такой же, как и при очистке импульсными лазерами. Однако при более детальном рассмотрении качество и последствия такой очистки будут существенно отличаться. Думаем, физики и материаловеды уже исходя из описанных выше процессов найдут ряд ограничений такой очистки. Для остальных же подсветим, о чём идёт речь. Нагрев поверхности — ключевой аспект работы непрерывного лазера. Непрерывная подача энергии нагревает поверхность металла, что может привести к нескольким важным последствиям:

Термическая деформация
Если металл нагревается до высоких температур, это может вызвать его расширение и последующую деформацию. Это особенно критично для тонких металлов или сложных конструкций.

Изменение структуры материала
Высокая температура может изменить микроструктуру металла, что повлияет на его механические свойства — такие как твёрдость и прочность. Это может сделать материал более хрупким или, наоборот, более мягким.

Сплавление с загрязнениями
В процессе нагрева поверхность металла может сплавляться с частицами загрязнений или оксидов, что ухудшит качество очистки и может потребовать дополнительной обработки.

Повреждение поверхности
Если нагрев слишком интенсивный или длительный, это может привести к повреждению поверхности металла, образованию трещин или даже плавлению отдельных участков.

Окисление
Нагревание металла в присутствии воздуха может привести к окислению поверхности, что создаст новый слой оксидов, требующий дальнейшей очистки.

Эти факторы делают важным контроль температуры при лазерной очистке непрерывным лазером и использование подходящих настроек и методик для минимизации теплового воздействия и предотвращения негативных последствий. И чем выше мощность оборудования, тем выше риск таких последствий. Именно поэтому гнаться за мощностью в надежде, что это существенно повысит производительность и расширит сферы применения лазера, — затея сомнительная. Очевидным может показаться решение: «снижаем мощность, и ничего не будет плавиться». Возможно, плавиться не будет, но и очищать, скорее всего, тоже. Особенно если речь идёт о серьёзном загрязнении в виде плотного слоя ржавчины или краски. Ключевым при очистке загрязнений является плотность энергии в зоне очистки, а не средняя мощность лазерного источника. У импульсных лазеров как раз плотность энергии может быть в десятки раз выше, чем у непрерывных.

На наш взгляд, непрерывный лазер эффективен при очистке поверхностного лёгкого слоя ржавчины на промышленных металлоконструкциях и трубах. Здесь их мощности и плотности энергии будет достаточно, чтобы удалить несложное загрязнение. Да и требования к качеству таких изделий не очень высокие. Во всех других случаях применения лазерной очистки вы, скорее всего, столкнётесь с негативными последствиями использования непрерывного лазера, указанными выше.

Отдельно затронем тему применения лазерной очистки в автомобильной сфере. При выборе оборудования представители данной сферы ориентируются в первую очередь на цифры средней мощности («нам надо самый мощный») и стоимость оборудования, особо не вникая в принцип работы непрерывных лазеров.

Единственным рабочим и эффективным кейсом использования лазера в автосервисе, на наш взгляд, является удаление локальных очагов ржавчины на элементах кузова автомобиля и в труднодоступных местах, очистка VIN-номера — и только импульсным лазерным источником, ввиду отсутствия нагрева и высокой плотности энергии, которые позволяют безболезненно для металла удалять наросты ржавчины и очищать кратеры, образовавшиеся в местах коррозии.

При работе с автомобилями мы, как правило, имеем дело с металлами небольшой толщины и с загрязнениями повышенной сложности в виде ржавчины, краски, грунтовочного слоя и шпаклёвки. Тонкий металл и толстый слой ржавчины уже являются достаточными маркерами для нежелательного использования непрерывного лазера, так как это может привести к деформации обрабатываемого элемента либо сплавлению металла с загрязнением. Поэтому вызывает определённый скепсис качество выполнения услуг при обработке автомобиля непрерывным лазером. А очистка лазером днища 10-летнего автомобиля кажется очень трудоёмким и нецелесообразным процессом, так как вы в любом случае не уйдёте от механической очистки и останетесь с теми же негативными последствиями нагрева от непрерывного лазера.

Выбор между импульсным и непрерывным лазером зависит от конкретной задачи и особенностей обрабатываемого материала. Импульсные лазеры идеально подходят для точной и эффективной очистки деликатных поверхностей, ответственных изделий и качественного удаления толстых слоёв загрязнений.

Непрерывные лазеры, в свою очередь, эффективны для очистки лёгкого слоя ржавчины неответственных изделий большой площади.

При этом следует учитывать, что не все импульсные лазеры чистят одинаково. При аналогичной мощности даже у одного и того же производителя источник может отличаться конструктивно и по своим выходным параметрам, а если добавить сюда ещё и вариативность оптических элементов оборудования, то на выходе можно получить аппарат, максимально подходящий под конкретные задачи. Адаптивность и постоянное совершенствование оборудования под потребности пользователей позволяют находить всё больше сфер применения импульсной лазерной очистки, что, в свою очередь, способствует большему распространению данной технологии.

К слову сказать, установки лазерной очистки на базе непрерывного источника с момента своего появления не претерпели больших изменений. У разных производителей они будут иметь практически идентичную конструкцию, набор комплектующих и выходных параметров. Каких-то прорывных идей и разработок, которые повлияли бы на качество очистки, с момента их возникновения не появилось.

Мы, в свою очередь, верим в высокий потенциал именно импульсной лазерной очистки и готовы содействовать его повсеместному внедрению, даже если на это потребуется много времени.
Для подбора нужного варианта лазерной чистки и консультации обратитесь к нашим специалистам по телефону 

+375 (29) 682-59-52