Лазерная очистка металла: применение, принцип работы, оборудование

Применение лазерной очистки

Что это такое

Лазерная очистка металла — это бесконтактный и крайне эффективный способ убрать загрязнения с поверхности. Суть его в том, что правильно настроенный лазерный луч бегает по поверхности и выборочно испаряет рыхлую ржавчину, нагар, лакокраску, масляные, органические и прочие загрязнения, но не повреждает металл основы.

Технология обеспечивает чистоту обрабатываемой поверхности до стандарта Sa2,5 включительно; не требует расходников, кроме электричества и нескольких линз; подходит для работы как с массивными деталями, так и с тонкими и хрупкими материалами; отлично очищает пазы и поверхности со сложной геометрией.

Чем лучше конкурентных методов очистки

Главное преимущество лазера перед механическими, химическими и струйными вариантами чистки — это отсутствие вредных выбросов и расходных материалов, будь то километры абразивных лент, литры агрессивных химикатов или кубометры кварцевого песка. Соответственно, под каждый из вариантов нужно оборудованное место или даже отдельное помещение, в то время как для работы лазера нужна простая вытяжка.

Лазер выигрывает по соотношению «затраченное время — полученное качество»: он позволяет очистить труднодоступные места столь же тщательно, как вручную, и сделать это почти так же быстро, как струйным абразивом.

Кроме того, все приведенные методы очистки могут повредить базовую поверхность, к примеру, стереть VIN-номер автомобиля вместе с ржавчиной или зализать резьбу, а лазер воздействует бережно.

Где применяется

Лазерная чистка — универсальный метод, поэтому ее применяют и в промышленности, где нужно быстро избавиться от массивных загрязнений, например, ржавчины на металлопрокате, и там, где нужна аккуратная обработка, допустим, в реставрации автомобилей или даже деревянных изделий.

Как работает лазерная очистка

Комплект оборудования

Лазерный очиститель, упрощенно, состоит из волоконного лазера, системы охлаждения, комплекта соединителей (силовые и сигнальные кабели, оптоволокно, охлаждение) и лазерного пистолета.

Лазер — это уже не стеклянная трубка, по которой туда-сюда мечется луч света. Волоконный лазер мощностью в 1 кВт — это ящик примерно 40х50х15 см и весом в 30 кг, входящий в состав установки, общее энергопотребление которой может достигать 8 кВт. Излучение по оптоволокну передается на лазерный пистолет, где подвижное зеркало разворачивает его в линию от 10 до 150 мм.

Система охлаждения — это, по существу, климат-контроль, который поддерживает рабочую температуру лазера: охлаждает или немного подогревает. Благодаря ей лазер может работать при температуре воздуха от 10 до 50°С.

Бластер может выглядеть весьма футуристично, но в общем случае он включает фокусирующую линзу, защитное стекло и, опционально, систему аспирации.

Помимо вышеназванного в комплект входят блоки питания, контроллеры, блоки управления, программное обеспечение, системы безопасности и комплект ЗИП.

Заявленное время работы лазера составляет 80–100 тысяч часов. Для справки: при стандартной 40–часовой трудовой неделе в году около 2000 рабочих часов. Если же гонять тяжелые системы нон-стоп, то их хватит на 10 лет. Понятно, что помимо лазера есть электроника, которая не вечна, плюс нужно следить за контактами, периодически менять оптику и защитные стекла.

Непрерывное и импульсное излучение

Источники генерируют лазерный луч в постоянном или импульсном режиме. Главное отличие в том, что при одинаковой указанной мощности, допустим, в 1 кВт на обрабатываемую поверхность будет приходить разное количество энергии.

Если провести аналогию с рекой, то постоянный режим — это нормальное течение воды, и в этом случае мощность луча соответствует заявленной. Лазерные очистители этого типа расплавляют, а затем испаряют загрязнения с поверхности.

Лазер убирает темные органические загрязнения более эффективно, чем светлые металлические включения, поскольку первым для фазового перехода нужно меньше энергии. В идеале, нужно подбирать такую плотность мощности луча, которой достаточно для испарения покрытия, но недостаточно для повреждения базовой поверхности.

При очистке неорганических загрязнений нужно учитывать, что греется не только ржавчина, но и обрабатываемый металл. Да, чистая поверхность отражает свет лучше, чем корродированная, но это не значит, что луч лазера отразится от нее полностью. В любом случае, за один проход луч испаряет поверхностный слой от 1 до 70 микрон (для справки, 50-70 мкм — толщина человеческого волоса). Соответственно, если передержать непрерывный лазер на одном месте, то можно подплавить очищаемую заготовку.

Поскольку для удаления загрязнений непрерывным методом нужна большая энергия, используют источники от 1 до 3 кВт. Если нет требований к перегреву очищаемого металла, то непрерывные лазерные очистители подходят для грубой чистки на производстве, например для снятия въевшейся ржавчины, плотных нефтяных отложений, нескольких слоев ЛКМ и шпаклевки. Этими источниками можно пользоваться для обработки неответственных деталей, а для деликатной и аккуратной работы со стабильным результатом они не вполне подходят.

Импульсный режим — это плотина, которая набирает солидный объем воды, а потом одномоментно сбрасывает, и делает это примерно 100 000 раз в секунду. В результате, мощность наносекундного импульса может на порядок превышать заявленную, то есть, достигать не 1 кВт, а 10 кВт. В этом случае плотность мощности настолько велика, что инородные частицы под лучом мгновенно нагреваются до температуры плазменной горелки, более 15 000°С. Ржавчина проскакивает стадию расплавления, сразу переходит в газообразное состояние и инициирует плазменный факел. При этом, фактически, происходит микровзрыв и ударные волны сдувают близлежащие остатки загрязнений, поэтому лазерная чистка в импульсном режиме проходит эффективнее.

Импульсные очистители работают более деликатно, поскольку подложка прогревается буквально на микрон, причем за время паузы между импульсами она успевает остыть.

Импульсные очистители — это установки с солидным диапазоном регулировок и большей стоимостью, нежели непрерывные очистители. Это решения промышленного уровня, они могут работать с дорогими изделиями, поскольку не портят заготовки. Эти аппараты подходят для всех видов очистных работ, от реставрации до обработки пресс-форм.

Еще раз отметим, что непрерывные и импульсные аппараты работают на принципиально разных принципах. И при одной номинальной мощности “импульсник” будет чистить гораздо эффективнее, чем “непрерывник”!

Типы установок и сферы применения

Установки для лазерной чистки можно разделить по мощности и уровню мобильности.

Есть импульсные переносные аппараты мощностью в 100 Вт в форм-факторе рюкзака . При таком энерговыделении нормально справляется система воздушного охлаждения, поэтому сам аппарат весит примерно 15-18 кг, пистолет еще в районе 1,5 кг. Эти очистители подходят для реставрационных работ, очистки тонких листов металла без перегрева и работы с деликатными поверхностями вроде гипса или дерева. Краску или ржавчину с железа они будут снимать медленно и печально.

Следующий уровень - импульсные установки мощностью до 1 кВт. Это уже довольно массивные ящики с водяным охлаждением. В снаряженном состоянии, когда в чиллер залито несколько десятков литров жидкости, вес аппарата может достигать 150 кг. Рекордсмен категории — система ручной лазерной очистки IPG LightCLEAN, которая работает на воздушном охлаждении и весит 60 кг. К слову, при номинальной мощности в 1 кВт аппарат выдает пиковый импульс в 15 кВт.

Эти установки идеальны для промышленного производства, они отлично справляются со сложными задачами: зачищают ржавчину и сварные швы, убирают ЛКМ и масляные загрязнения с больших площадей. Можно сказать, что они условно мобильные, поскольку даже полтора центнера можно загрузить в багажник и увезти на объект.

Поскольку импульсных аппаратов мощнее 1 кВт в России на данный момент не встречается, то все 2-3 кВт установки - это системы непрерывной очистки, достигающие веса в 350 кг и уже слишком тяжёлые, чтобы их просто так таскать с места на место. Но к ним прилагаются 15-метровые кабели, поэтому проблема с мобильностью тоже решается (хотя 4-5 килограммовый бластер тоже не подарок).

Чтобы повысить качество, скорость и равномерность чистки поверхности, к установкам можно поставить роботов. Допустим, лазерный пистолет IPG LightCLEAN весит 1 кг, и с ним справится даже компактный кобот, не говоря о манипуляторе с пятиметровым размахом.

Нюансы работы с лазерными очистителями

Техника безопасности

Первое правило техники безопасности: обязательно использование защитных очков. Если отраженное излучение попадет в глаз, это может привести к ожогу сетчатки. А вообще эти очки прозрачные и работать не мешают.

У оператора должна быть не только холодная голова, чтобы помнить про очки, но и чистые руки. Если луч импульсного лазера на короткое время попадает на кожу, то это безопасно, он не оставляет ожога. Но если на коже есть грязь, масло, пыль, то мало не покажется. Кольца и цепочки на время работы тоже лучше снимать.

Также стоит проверять чистоту оптику, особенно при замене фокусирующих линз, поскольку мощный поток излучения быстро запекает грязь и выводит стекла из строя. Поэтому никогда, никогда не продувайте оптику ртом.

Ограничения метода

Нужно учитывать, что импульсная лазерная очистка – это не настолько селективный метод, чтобы убирать только загрязнения, не нарушая поверхность. При желании и некотором терпении можно, к примеру, просверлить пенобетон, испарить пивную банку или повредить металлическую поверхность. Другими словами, универсального режима работы нет, его нужно подбирать под задачу.

Непрерывная лазерная чистка имеет более фундаментальные ограничения. Она расплавляет металл, и недоиспарившаяся ржавчина может попасть в его подповерхностный слой. Если заготовка будет свариваться, то загрязнение оттуда может мигрировать в шов и ослабить его. Поэтому непрерывные аппараты подходят для неответственных изделий и тех случаев, когда нет жестких требований к качеству изделия после очистки.

Стоит отдельно сказать про разницу между поверхностной ржавчиной, которую можно относительно легко удалить, и глубокой, где прошла химическая реакция между сталью, кислородом и водой. Да, лазер запечет верхний коррозионный слой, но под ним останутся другие. В этом случае нужно сначала сбить хлопья ржавчины корщеткой, а потом пройтись лазерным очистителем. Возможно, что процедуру нужно будет провести несколько раз.