Блог: импульс или непрерыв

Лазерная очистка: импульсная и непрерывная технологии

ecolaser.by — 9 декабря 2024

Введение

Еще каких-то 5 лет назад мало кто мог себе представить, что с помощью света можно удалять ржавчину и краску с металла. Только глубоко погруженные специалисты в области лазерных технологий понимали возможности лазерного излучения и пытались делать первые шаги по внедрению данного способа очистки в промышленную эксплуатацию. Стоит отметить, что эти шаги основывались на положительном опыте первопроходцев этой технологии в западном мире, немецкой компании cleanLASER, которая еще в конце 90-ых обратила внимание на возможность использования лазерной энергии для обработки поверхности металлических изделий, в частности удаления загрязнений. Немецкая компания разработала для этих задач свои твердотельные импульсные лазерные источники с высокой пиковой мощностью, которые они используют и по сей день, и поверьте – неспроста. Попробуем раскрыть эту тему ниже.

Система импульсной лазерной очистки металла

* источник https://www.cleanlaser.de/

Настоящий же толчок в развитии и распространении технологии лазерной очистки случился, когда китайские производители лазерных источников и систем предложили использовать для лазерной очистки непрерывный тип лазера (CW лазеры), широко применяемый в лазерной резке и сварке. Неоднозначное решение, если мы понимаем принцип работы непрерывных лазеров и принимаем их ограничения для достижения качественной лазерной очистки. Тем не менее, их использование оказало большой эффект на массовое внедрение или, как минимум, на ознакомление с технологией лазерной очистки, т.к. стоимость непрерывных лазерных источников в разы меньше источников импульсного типа, которые устанавливали в свои системы лазерной очистки западные производители и немногочисленные интеграторы российского рынка. С тех пор прошло достаточно времени, чтобы пользователь смог разобраться и оценить применимость систем, как на базе непрерывных, так и импульсных источников, о чем мы и хотели бы поговорить в данном материале .

Таким образом, на сегодняшний день системы лазерной очистки металлов строятся на двух основных типах лазерных излучателей: импульсных и непрерывных. Давайте разбираться что они из себя представляют, и кто из них в конечном 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 оснащен модулятором, который контролирует длительность и частоту импульсов, что 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 обрабатываемую поверхность с помощью оптических элементов, таких как линзы и зеркала. Это позволяет концентрировать энергию лазера на маленькую площадь для достижения 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 друге 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 мы должны исходить из конкретных задач и специфики производства, но в целом можно выделить ряд направлений, где импульсные лазерные источники чаще всего находят свое применение в настоящее время:

Очистка сварных швов от цветов побежалости на нержавеющей стали

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

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

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

Потенциально использование импульсной лазерной очистки намного шире представленного выше перечня. Ограничениями в настоящий момент 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 высокими, хотя за последние 2 года и тут произошли положительные подвижки. Производители импульсных лазерных систем 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 также не стоят на месте, хотя тут 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? Все познается в сравнении.

Непрерывная лазерная очистка

Давайте для начала разберемся как работают непрерывные лазеры, в чем их особенность по сравнению с импульсными вариантами. И тут, прежде всего, следует разобраться в понимании мощности применительно к лазерам. Мощность лазерного излучения — это количество энергии, которую 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 лазеров — 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.

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

Поглощенная энергия приводит к быстрому нагреву поверхности металла до высоких температур.

Термическое расширение

Нагрев вызывает термическое расширение верхних слоев материала, что может способствовать разрушению оксидных пленок и загрязнений.

Сжигание/плавление

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

Казалось бы, результат достигаем такой же, как и при очистке импульсными лазерами. Однако при более детальном рассмотрении качество и последствия такой очистки будут существенно отличаться. Думаем, что физики и материаловеды уже исходя из описанных выше физических процессов найдут ряд ограничений такой очистки. Для остальных же подсветим, о чем идет речь. Нагрев поверхности является ключевым аспектом работы непрерывного лазера. Непрерывная подача энергия 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 твердость 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, является сомнительной затеей. Очевидным может показаться решение: «снижаем мощность и ничего не будет плавиться». Возможно плавиться не будет, но и очищать, скорее всего, тоже. Особенно, если речь идет про серьезное загрязнение, 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.

И тут мы плавно подходим к вопросу «А в каких случаях целесообразно производить очистку непрерывным лазером?». Отвечая на него, потенциальный пользователь должен определиться со своими приоритетами:

1) качественная обработка поверхности, соблюдаем технологию

или

2) и так сойдет, качество второстепенно.

На наш взгляд непрерывный лазер эффективен при очистке поверхностного легкого 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 столкнетесь с негативными последствиями использования непрерывного лазера, указанными выше.

Лазерная очистка автомобилей

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.

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 шпаклевки. Тонкий металл и толстый слой ржавчины уже являются достаточными маркерами для нежелательного использования непрерывного лазера, т.к. может привести к деформации обрабатываемого элемента либо сплавлению металла с загрязнением. Поэтому вызывает определенный скепсис качество выполнения услуг при обработке автомобиля непрерывным лазером. А очистка лазером днища 10-летнего автомобиля кажется очень трудоемким и нецелесообразным процессом, т.к. вы в любом случае не уйдете от механической очистки и останетесь с теми же негативными последствиями нагрева от непрерывного лазера.

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

Локальная очистка ржавчины

Очистка блока цилиндров

Очистка вин-номера

Выводы

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 качественное удаления толстых слоев загрязнений.

Непрерывные лазеры, в свою очередь, эффективны для очистки легкого 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 мы добавим сюда еще и вариативность оптических элементов оборудования, то на выходе мы можем получить аппарат, максимально подходящий под конкретные задачи. Адаптивность и постоянное совершенствование оборудования под потребности пользователей позволяют находить все 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 он будет иметь практически идентичную конструкцию, набор комплектующих и выходных параметров. Каких-то прорывных идей и разработок, которые бы повлияли на качество очистки, с момента их возникновения не появились.

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.