1. Antecedentes de aplicación
En la industria y otros campos, los métodos de limpieza tradicionales, como la limpieza química y la molienda mecánica, han dominado durante mucho tiempo. Es probable que la limpieza química genere una gran cantidad de líquido de desechos químicos, causando contaminación ambiental, y también existe un riesgo de corrosión a algunos componentes de precisión. Aunque la molienda mecánica puede eliminar la suciedad de la superficie, es fácil dañar el material base. Tiene un mal efecto cuando se trata de componentes de formas complejas, y también producirá contaminación del polvo, lo que representa una amenaza para la salud de los operadores. Además, es difícil cumplir con los requisitos de limpieza de alta precisión.
Con el rápido desarrollo de industrias manufactureras de alta gama como el aeroespacial, el tránsito ferroviario y los barcos marinos, los requisitos para la limpieza de componentes se están volviendo cada vez más estrictos. Los componentes grandes y complejos, como las entradas del motor de la aeronave, los cuerpos de los ferrocarriles de alta velocidad y las cubiertas de escotilla de barcos, su calidad de la superficie afecta directamente el rendimiento del producto y la vida útil. Estos componentes no solo tienen un tamaño grande y de forma compleja, sino que también tienen requisitos extremadamente altos para la precisión de la limpieza, la eficiencia y la integridad de la superficie. Los métodos de limpieza tradicionales ya no pueden satisfacer las necesidades de desarrollo de las industrias de fabricación modernas.
En el contexto de la creciente conciencia mundial de la protección del medio ambiente, la industria manufacturera enfrenta la presión de reducir las emisiones de contaminación y el consumo de recursos. Como tecnología de limpieza verde, la tecnología de limpieza con láser tiene ventajas, como contaminación química, bajo consumo de energía y limpieza sin contacto. Puede resolver efectivamente los problemas ambientales causados por los métodos de limpieza tradicionales, se ajusta a la estrategia de desarrollo sostenible y la demanda de la aplicación en varios campos se está volviendo cada vez más urgente.
2. Tecnología de limpieza con láser: Mecanismo
Limpieza con láseres una tecnología que utiliza un haz láser con una densidad de alta energía para interactuar con la superficie de un material. Esto hace que la suciedad, los recubrimientos, etc. se despegue o se descompongan de la superficie del sustrato, lo que alcanza el propósito de la limpieza.
El proceso de limpieza con láser implica múltiples mecanismos físicos, como la ablación térmica, la vibración del estrés, la expansión térmica, la evaporación, la explosión de fase, la presión de evaporación y el choque plasmático. Estos mecanismos trabajan juntos para separar el objeto que se limpiará del sustrato, logrando el efecto de limpieza.
Según los diferentes medios de limpieza, la limpieza con láser se puede dividir en limpieza en seco láser, limpieza láser húmeda y limpieza de ondas de choque láser.
Láser de limpieza en seco
La limpieza en seco láser es actualmente el método de limpieza láser más utilizado. Utiliza un haz láser para irradiar directamente la superficie del sustrato, lo que hace que el sustrato experimente expansión térmica para superar la fuerza de van der Waals, eliminando así la suciedad.
Intensidad láser:El cambio en la densidad de energía láser afecta significativamente el efecto de limpieza. A bajas intensidades de energía, la evaporación y la explosión de fase son los principales procesos. A altas densidades de energía, la presión de evaporación y los efectos de choque también entran en juego, y la energía ultra alta puede conducir a problemas como la generación de plasma. Por lo general, la limpieza se lleva a cabo a una densidad de energía relativamente baja para proteger el sustrato.
Longitud de onda láser:La longitud de onda está relacionada con el acoplamiento de energía del material. A longitudes de onda cortas, la ablación fotoquímica es dominante, mientras que a largas longitudes de onda, la ablación fototérmica es dominante. Además, la longitud de onda afecta la distribución de fuerza y temperatura entre las partículas y el sustrato, influyendo así en la fuerza de limpieza y la eficiencia. El impacto de la longitud de onda también varía para diferentes tareas de limpieza.
Ancho de pulso:Los mecanismos de limpieza de las pulsaciones cortas y largas son diferentes. Los pulsos largos tienen un fuerte efecto de ablación pero una mala selectividad, mientras que las pulsaciones cortas pueden generar altas temperaturas y ondas de choque para eliminar los contaminantes con menos daño. En el caso de ultra anchos de pulso corto, el mecanismo de "ablación" está funcionando.
Ángulo de incidencia:Cuando el láser se irradia verticalmente, las partículas contaminantes pueden bloquear el láser. La irradiación oblicua puede mejorar la eficiencia de limpieza.
Mecanismo de limpieza en seco láser y la influencia de los parámetros clave en el efecto de limpieza: a) Mecanismo b) Longitud de onda C) Ancho de pulso D) Ángulo de incidencia E) Incidencia delantera/posterior
Limpieza láser húmeda
Se logra mediante la ayuda de una película líquida. Una película líquida se coloca previamente en la superficie de la pieza de trabajo a limpiar. Cuando el láser se irradia directamente, el líquido se calienta rápidamente, generando una fuerte fuerza de impacto, eliminando así los contaminantes en la superficie del sustrato.
Mecanismo de limpieza láser húmeda
Limpieza de ondas de choque láser
La tecnología de limpieza de ondas de choque láser se divide en dos categorías: choque láser seco: limpieza de olas y limpieza de ondas de choque láser híbrido.
Durante la limpieza de ondas de choque láser secas, el láser se centra en generar un plasma que afecta las partículas. Esto puede evitar el daño causado por la irradiación directa, pero puede haber puntos ciegos. Se puede mejorar cambiando el ángulo incidente o utilizando la limpieza de doble haz.
La limpieza híbrida de ondas de choque láser incluye métodos como vapor, bajo el agua y choque láser húmedo. Utiliza los efectos relevantes de los líquidos para eliminar la suciedad. Está relacionado con características como la densidad de líquido, y tiene una amplia gama de aplicaciones con ventajas obvias.
Mecanismo de limpieza de ondas de choque láser: a) limpieza de ondas de choque láser secas b) limpieza de ondas de choque de láser seco mejorado B1) láser de haz simple B2) láser de doble haz C) limpieza de ondas de choque láser húmedo.
3. Aeroespacial: película de óxido sobre conducto de admisión de aleación de titanio
Tiene un efecto notable para limpiar la película de óxido en la superficie del conducto de admisión de aleación de titanio mediante el uso de láser de pulso de nanosegundos. Su característica de bajo efecto térmico puede evitar que el sustrato sea oxidación secundaria, que es un mejor método de limpieza.
Mecanismo de limpieza en seco:
El mecanismo principal es la ablación con láser. Cuando la energía láser actúa sobre la película de óxido, la superficie absorbe una gran cantidad de energía. Dependiendo de la energía, el mecanismo de ablación cambia y varias estructuras morfológicas se forman en la superficie.
Cuando la energía es baja, se elimina parte de la película de óxido, con una pequeña cantidad de área readectada; Cuando la energía es moderada, se elimina la película de óxido y el daño es insignificante; Cuando la energía es demasiado alta, aunque la película de óxido se puede eliminar, causará un gran daño al sustrato y se forma una estructura correcta en la superficie.
Mecanismo de limpieza húmedo:
A una densidad de energía más baja, el mecanismo de limpieza es la onda de choque inducida por láser. A una mayor densidad de energía, es principalmente la ablación con láser y la explosión de fase. Durante el proceso de limpieza, la aleación de titanio se enfría y se calienta rápidamente para formar aleación de titanio martensítico. Cuando la densidad de energía aumenta a un cierto valor, la superficie se convierte en una superficie de protuberancia nanoestructurada, y esta nanoestructura es de gran importancia para la aplicación posterior de materiales de aleación de titanio.
El efecto de limpieza con láser y el mecanismo de la película de óxido en la superficie del conducto de admisión de aleación de titanio aeroespacial: a) Morfología de la superficie de la aleación de titanio después de la limpieza b) Mecanismo principal de la limpieza láser de la aleación del óxido de la aleación de titanio C) Mecanismo principal de la limpieza láser húmeda de la película de óxido de óxido de titanio.
4. Rail de alta velocidad: pintura en el cuerpo de la aleación de aluminio
Método de grosor de pintura y limpieza:
Para la limpieza de la pintura en cuerpos de carro de aleación de aluminio de riel de alta velocidad, diferentes colores y grosor de pintura requieren diferentes métodos de limpieza láser adecuados.
Máquina de limpieza con láser de fibra CW de 3000W
Pintura delgada (espesor menor o igual a 40 μm): es mejor elegir una fuente de luz láser con una velocidad de absorción de pintura más baja y eliminarla a través de la vibración térmica;
Pintura gruesa: es necesario elegir una fuente de luz láser con una velocidad de absorción de pintura más alta y eliminarla utilizando el mecanismo de ablación.
Desnice la pintura roja:
El principal mecanismo de eliminación para la pintura roja es el mecanismo de vibración.
Durante el proceso de limpieza, la energía láser penetra en el sustrato, y la tensión térmica generada por el aumento de la temperatura del sustrato hace que la pintura se caiga, y se puede eliminar toda la capa de pintura, con la pintura residual en la superficie de aleación de aluminio que muestra una morfología de la red suelta.
Desmontaje de pintura azul:
Bajo la misma entrada de energía láser, la temperatura de la pintura azul es más alta que la de la pintura roja, pero la tensión térmica del sustrato es más baja que la de la pintura roja. Cuando la temperatura de pintura alcanza el punto de ebullición, la pintura se elimina por evaporación, y también hay mecanismos acoplados como agrietamiento de capas, quemado y choque de plasma.
Efecto de limpieza con láser y mecanismo de pintura en la superficie de la aleación de aleación de aluminio de riel de alta velocidad Cuerpo: A) Morfología de la superficie de la aleación de aluminio después de la limpieza b) Mecanismo principal de la limpieza láser seca de pintura azul/roja en la superficie de aleación de aluminio.
5. Barcos: óxido en la superficie de los cascos de barco de acero de alta resistencia
Limpieza de eliminación de óxido seco
En el proceso de limpieza de la eliminación de óxido seco para los cascos de barcos de acero de alta resistencia, el mecanismo de eliminación principal es la vaporización de la película de óxido debido a la absorción de energía. Cuando los óxidos de la superficie se vaporan y se evaporan, se genera una fuerza de reacción hacia abajo, lo que ayuda a eliminar películas de óxido más gruesas.
Extracción de óxido láser asistido por película líquida
El mecanismo principal de la eliminación de óxido láser asistido por película líquida es la explosión de fase causada por las gotas que absorben energía, generando una fuerza de impacto para eliminar la capa de óxido.
El efecto de ebullición explosivo de la película líquida mejora el impacto del mecanismo de explosión de fase en la eliminación de óxido, lo que permite una mejor eliminación de películas de óxido superficial, pero no es efectivo para eliminar los óxidos enterrados más profundamente.
Los diferentes mecanismos de eliminación de la capa de óxido afectan el flujo de metal fundido en la superficie. El empuje lateral generado por la explosión de fase puede promover el flujo de la capa fundida, lo que hace que la superficie sea más suave, mientras que el vapor de óxido producido por el mecanismo de vaporización puede afectar el llenado de pozos por metal líquido.
Limpieza láser de óxido en la superficie de los cascos de barco de acero de alta resistencia: a) Morfología de la superficie del acero de alta resistencia después de la limpieza b) Mecanismos principales de limpieza láser seca/húmeda de óxido en la superficie de los cascos de barcos de acero de alta resistencia.
6. Océano: microorganismos marinos en superficies de aleación de aluminio
Parámetros láser y efecto de limpieza:
Los láseres con anchos de pulso estrechos y alta potencia máxima tienen un mejor efecto de limpieza en los microorganismos marinos en las superficies de aleación de aluminio.
Mecanismo de eliminación de microorganismo:
Los mecanismos de eliminación del láser para la capa de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) y sustrato de la percebe son la vaporización de ablación y la eliminación de onda de choque, respectivamente. Durante el proceso de absorción multifoton, las cadenas individuales de las macromoléculas microbianas se rompen, que se descomponen para producir una gran cantidad de átomos. Después de la ionización, bajo la acción combinada del choque plasmático y los mecanismos de ablación, los microorganismos marinos pueden eliminarse mejor.
Para las sustancias orgánicas como la pintura y los microorganismos marinos, a bajas densidades de energía láser, las reacciones fotoquímicas hacen que sus enlaces químicos se rompan, manifestando como deterioro, decoloración, pérdida de actividad, etc. A medida que aumenta la densidad de energía, los fenómenos como la ablación, la vaporización, la combustión y el choque de plasma ocurren.
Para sustancias inorgánicas como películas de óxido y óxido, no hay cambios a bajas densidades de energía, y la ablación y la vaporización se producen después de que aumenta la energía.
Efecto de limpieza con láser y mecanismo de microorganismos marinos en superficies de aleación de aluminio.
7. Láser de limpieza de reliquias culturales
Los limpiadores láser pulsados tienen aplicaciones importantes en la protección de la reliquia cultural, que satisfacen las necesidades de limpieza no destructiva y de alta precisión de reliquias culturales, como artefactos de piedra, papel y metal.
Cleaner láser pulsado portátil de 200W
Aplicaciones típicas de limpieza láser pulsada en reliquias culturales:
Artefactos de piedra:
a) Escultura del antiguo de mármol romano Odiseo: A1) Antes de limpiar A2) después de limpiar
b) Sarcófago de mármol romano: B1) Antes de limpiar B2) después de limpiar
c) Acrópolis griego Partenón esculturas de alivio del templo
Artefactos de papel:
d) Pintura al óleo del siglo XV "Cristo antes de Pilato": D1) Antes de limpiar D2) Después de limpiar
e) Pintura al óleo moderna del siglo XIX "Escena de caza": E1) Antes de limpiar E2) después de limpiar
Artefactos de metal:
f) Escultura de bronce de la Universidad de Illinois: F1) Antes de limpiar F2) después de limpiar
G) Rifle de caza de plata: G1) Antes de limpiar G2) después de limpiar
h) trenza de oro militar del siglo XIX: H1) Antes de limpiar H2) Totalmente limpiado H3)
Otros artefactos:
i) Marco de madera dorado del siglo XIX: i1) Antes de limpiar i2) después de limpiar
J) Matera de ratán africana del siglo XIX: J1) Antes de limpiar J2) después de limpiar
K) Antiguo recipiente de vidrio egipcio: K1) Antes de limpiar K2) Después de limpiar
