Как работает лазерная чистка металла?⁠⁠

Чистка металла лазером от ржавчины – как это работает? Какие преимущества дает такой способ перед более традиционными методами? Поищем ответы.

I. Введение

Лазерная очистка металлов от следов коррозии и других загрязнений выполняется с помощью мощного пучка светового излучения от особого аппарата. Им обрабатывают поверхность деталей, на которой под действием агрессивной внешней среды появился грязно-бурый слой продуктов коррозии. Другое применение, где лазерный луч также окажется эффективным – трудноудаляемые остатки старых лакокрасочных, гальванических или иных видов покрытий, глубоко въевшаяся масляная пленка.

Все эти загрязнения не просто портят декоративный вид деталей. Их требуется полностью убрать перед нанесением новых покрытий или сваркой. Оставшиеся очаги ржавчины могут стать центрами коррозии, из которых она, как раковая опухоль, очень быстро вновь покроет металл.

Станки для лазерной чистки – современное высокотехнологичное оборудование с большой долей автоматики и цифровых контроллеров. Такой станок стоит недешево. Однако при грамотном выборе и заботливой эксплуатации он быстро окупит себя и начнет приносить владельцу хорошие бонусы.

Важно ответственно относиться как к приобретению станка для лазерной чистки, так и правильному сервису. От того, насколько хорошо изготовлен сам станок, выполнена его настройка и организовано снабжение запчастями и расходниками, будет зависеть его долговечность.

II. Из чего состоит станок лазерной очистки

Оборудование для лазерной очистки ржавчины состоит из нескольких основных узлов:

• Стационарный или мобильный модуль с блоком питания, системами автоматики, контроля и регулировок. Вес и габариты установки зависят от типа и мощности излучателя, универсальности станка.

• Источник лазерного излучения – волоконный излучатель.

• Специальный чистящий пистолет.

• Оптоволоконный кабель (световод), соединяющий рабочий инструмент с источником энергии.

• Жидкостная охлаждающая система. В минимальной комплектации трубку охлаждает помпа. Есть возможность подключить внешний чиллер со встроенным охладителем. Это нужно, чтобы поддерживать оптимальный температурный режим лазера, не допуская перегрева.

Небольшие маломощные аппараты для чистки лазером помещают в переносном корпусе с автономным питанием от аккумулятора. Их мощность обычно не превышает 12…20 Вт, а площадь обработки – несколько квадратных сантиметров.

Более производительное оборудование подключается к стационарному источнику тока. К пистолету поток энергии подается по световоду длиной до 10 метров.

III. Как лазер очищает поверхность

Уникальность лазерного излучения – в высокой плотности энергии, которую переносят пучки фотонов. Попадая на твердую поверхность, такой пучок взаимодействует с ней. При этом эффект зависит от настроек самого луча, а также поглощающей способности материала.

Металлы в какой-то степени отражают излучение лазера, а та часть энергии, которая задерживается ими – быстро рассеивается в объеме за счет высокой теплопроводности. Поэтому при очистке важно не держать лазер долго на одном месте, а перемещать по всей площади очистки равномерно.

Частая проблема, из-за которой обычно возникает нужда в лазерной чистке металла – коррозия. Для железа поверхностная ржавчина состоит из разнообразных комплексных соединений: гидратированных оксидов Fe2O3·nH2O, FeO·nH2O, гидрокисей ряда FeO(OH). Все эти вещества откладываются на железе и его сплавах (сталях) как рыхлая пористая, часто чешуйчатая или слоящаяся пленка.

Полностью удалить ее с металла традиционными методами почти невозможно, поскольку очаги ржавчины глубоко прорастают вглубь. Механическая чистка разрушающихся коррозией стальных деталей возможна лишь путем снятия внушительного слоя еще здорового металла.

При этом есть риск повредить листовые или тонкостенные изделия.

Для других металлов проблемой станет не рыхлая, как на железе, а, наоборот, слишком прочная сплошная пленка плотного оксида. Это относится к патине на медных и бронзовых предметах, пассивирующему слою окиси на алюминии и других цветных сплавах.

При облучении таких пленок особо подобранным режимом лазера – энергия луча полностью проникает вглубь окисленного слоя. По законам физики она немедленно превращается в тепло. Причем сама деталь не нагревается, если сразу после очистки провести рукой, металл может быть чуть теплым. При этом энергия не уходит на соседние участки ржавчины, а целиком остается в локальной зоне, попавшей под действие луча лазера.

Два основных режима воздействия лазера на поверхность:

• Непрерывный.

• Импульсный.

При непрерывной чистке станок формирует поток энергии высокой мощности, стабильный по времени. Для импульсной чистки характерно излучение низкой мощностим в виде очень коротких колебаний (их частота – порядка миллиардных долей секунды).

Правильно подобранный режим обработки позволит очищать металл быстро и качественно. Лазерная чистка является самым деликатным промышленным методом удаления грязи с металлических изделий.

IV. Преимущества чистки лазером

Кроме описанного основного достоинства лазерной очистки – сохранения здорового металла неповрежденным, - технология имеет и другие плюсы. Некоторые из них делают метод уникальным по сравнению с любыми другими способами:

• Возможность проникать в труднодоступные места, впадины, резьбу и т.д.

• Лазер можно точно сфокусировать на очень небольшом участке, не затрагивая соседних.

• Не требуется разборка механизма, демонтаж деталей перед их чисткой. Это особо важно при работе со сложными агрегатами, отдельные детали которых традиционным химическим (электрохимическим или другим) способом получится обработать лишь после полного извлечения.

• Для работы не требуются специальные реактивы, активные вещества и расходники, токсичные для человека либо загрязняющие окружающую среду. В воздух не выделяются вредные испарения.

• Эксплуатация станка для лазерной чистки не требует больших затрат – достаточно розетки на 220 В и 0,5…5 кВт электроэнергии для большинства моделей.

• Чистить поверхности получится даже в общественных или бытовых помещениях, так как отсутствуют пыль, вредные выбросы, шум.

• Лазером металл очищают в комбинации с неметаллическими поверхностями (стеклом и керамикой, а при маломощном пучке энергии – даже деревом или кожей).

• Работа с лазерным пистолетом не требует высокой квалификации исполнителя. Большинство функций выполняет автоматика станка, а освоение первичных настроек займет немного времени.

V. Эффективность удаления ржавчины

Для полной очистки металла от ржавчины понадобится создать в небольшой точке оксидного слоя локальную зону нагрева с температурой 1380 – 1580 градусов. Расчеты и практика показывают, что плотность тепловой энергии в фокусе лазерного пучка требуется выше 100 Вт/см2. Сам луч лазера фокусируют до диаметра менее 100 микрон.

При таких параметрах за один проход будет удален слой ржавчины толщиной 50 – 75 микрон. Этого вполне достаточно, чтобы расплавить и испарить тонкую пленку коррозии. Если деталь загрязнена сильнее, обработку повторяют до результата.

Действие многократно усиливают такие сопутствующие физические процессы, как:

• Огромные температурные градиенты (перепады) рядом с областью воздействия.

• Эффекты термического расширения в фокусе лазерного потока.

• Распространение ударных волн при импульсном характере воздействия луча.

Таким образом, с точки зрения законов физики, лазерное удаление ржавчины очень эффективно.

Чтобы воздействие было более результативным, аппарат имеет режимы автоматического контроля мощности.

VI. Области применения технологии

Сферы возможного применения лазерной чистки не ограничены лишь удалением ржавчины с поверхностей стальных деталей или коррозии цветных металлов.

Успешно поддаются чистке и другие виды стойких отложений:

• Гальванические покрытия другими металлами (за счет разности физических констант осажденного металла и подложки).

• Разнообразные адгезивы (напыление порошковыми эмалями, полиуретаном, полимочевиной и т.д.)

• Смазки, масляные пятна, следы нефтепродуктов.

• Окалина.

• Нагар от термических воздействий, действия раскаленных газов или в зонах интенсивного трения.

• Все виды красок и лаков.

• Электрическая изоляция кабелей, силовых шин и других деталей электрооборудования.

Лазерная технология – практически не имеющий аналогов способ избавиться от загрязнений на деталях с рельефной или криволинейной поверхностью, углублениями, множеством стыков и изгибов.

Разная мощность доступных к покупке станков лазерной чистки помогает найти подходящее оборудование для самых разных ситуаций:

• Машиностроение.

• Приборо- и станкостроение

• Точная механика (прецизионные узлы и приборы, топливное оборудование, насосы и вакуумные аппараты, военная техника и многое другое).

• Авиационная и космическая промышленность.

• Двигателестроение.

• Силовое электрооборудование и электроника.

Предприятия малого бизнеса заинтересует применение лазерной чистки в кузовном ремонте автотранспорта, где важно полностью исключить очаги ржавчины перед новой окраской.

Востребована и особенность лазерного оборудования снимать особо стойкие следы загрязнений с тонких металлических предметов с гарантией сохранить их не поврежденными.

Это особо важно в таких сферах, как:

• Очистка пресс-форм.

• Археология и реставрация предметов старины.

• Музейное дело, обращение с антиквариатом.

• Ювелирная промышленность.

Правильно настроенный лазер до блеска почистит тонкое изделие из драгоценного металла с рельефом и декоративной отделкой. При этом ни миллиграмма его веса не будет потеряно.

VII. Выбор аппарата лазерной очистки металла

Оборудование для лазерной чистки подбирают, ориентируясь на ожидаемую производительность его работы.

Среднее соотношение для примерной ориентировки – 1м2 поверхности за один час обрабатывают с помощью трубки мощностью 1000 Вт.

Другой критерий выбора – форм-фактор оборудования:

• Переносные излучатели ранцевого типа имеют мощность луча не больше 50 – 100 Вт. Ими удобно работать с небольшими единичными деталями в местах, куда сложно доставить громоздкий аппарат.

• Самые распространенные приборы для лазерной чистки мощностью 1 – 3 кВт состоят из напольного модуля, где в один блок собраны излучатель, чиллер (охладитель) и устройства автоматики. Рабочий пистолет подключен оптоволоконным кабелем длиной 5 – 10 метров.

• Стационарные станки для обработки больших поверхностей и/или множества изделий. В них линза излучателя, как правило, закреплена не на выносном пистолете, а на станине прибора. Подача деталей организована с помощью подвижного стола. Такие системы выпускают по единичным заказам.

Из-за большой популярности и перспективности метода, на рынке есть много предложений по оборудованию такого класса. Важно понимать, что среди него встречаются и заведомо некачественные образцы.

Даже если купленный дёшево безымянный станок No Name первое время будет работать нормально – найти для него запчасти, скорее всего, не удастся. Не будет и гарантийного сервиса.

В результате, экономия на покупке закончится тем, что аппарат окажется нерабочим, а все завязанные на него задачи бизнеса – не выполнены.

Чтобы станок окупался и приносил устойчивую прибыль, его выбирают среди проверенных брендов.

Линейка премиальных лазерных станков WATTSAN гарантирует бесперебойную эксплуатацию, качественный сервис и поставку необходимых комплектующих.

VIII. Сравнение лазерной очистки с традиционными методами

Обычными приемами для удаления ржавчины и загрязнений с металла считаются:

• Ручная обработка (наждак, шпатели, проволочные щетки, электроинструмент с очистными кругами).

• Химическая чистка особыми реактивами.

• Гальваническая чистка в электролитической ванне.

• Ультразвуковая промывка.

• Пескоструйная обработка.

• Криогенный метод (воздействие сухим льдом).

Каждый из этих методов имеет недостатки, ограничивающие его использование лишь специфическими областями.

Технология лазерной чистки эффективнее других по таким параметрам, как:

• Высокая скорость работы. Металл полностью освобождается от ржавчины за несколько проходов луча.

• Способность работать в труднодоступных местах, углублениях, с фактурной поверхностью.

• Автоматизация процесса. Станки лазерной очистки относятся к высокотехнологичным приборам с цифровым управлением.

• Качество чистки. После обработки на металле не остается очагов коррозии.

• Безопасность. Работы не угрожают здоровью человека, не загрязняют природу. Нет токсичных химикатов, требующих сложной утилизации.

• Простота освоения.

Основным недостатком метода считают высокую цену оборудования, но она окупается большим сроком эксплуатации и минимальными затратами при работе.

IX. Вывод

Лазерная очистка металлов – современная перспективная технология, имеющая несомненные преимущества над аналогами. Такое оборудование эффективно решает сложные задачи, недостижимые другими способами.

Чтобы инвестиции в него окупились, станки лазерной чистки подбирают внимательно и ответственно. Продукция бренда WATTSAN отличается высоким качеством, долгим сроком службы, достойным сервисом и доступностью комплектующих.