Sản xuất cao cấp, bảo tồn năng lượng và giảm phát thải có nhu cầu ngày càng cấp thiết đối với các quy trình tiên tiến.Về xử lý bề mặt công nghiệp, nhu cầu cấp thiết là phải nâng cấp toàn diện về công nghệ và quy trình.Các quy trình làm sạch công nghiệp truyền thống, như làm sạch ma sát cơ học, làm sạch ăn mòn hóa học, làm sạch tác động mạnh, làm sạch siêu âm tần số cao, không chỉ có chu kỳ làm sạch dài mà còn khó tự động hóa, gây ảnh hưởng có hại đến môi trường và không đạt được mục tiêu hiệu quả làm sạch mong muốn.Nó không thể đáp ứng tốt nhu cầu xử lý tốt.
Máy làm sạch bằng laser chính xác: Kẻ đột phá trong làm sạch công nghiệp
Tuy nhiên, với những mâu thuẫn ngày càng nổi bật giữa bảo vệ môi trường, hiệu quả và độ chính xác cao, các phương pháp làm sạch công nghiệp truyền thống đang gặp thách thức rất lớn.Đồng thời, nhiều công nghệ làm sạch có lợi cho việc bảo vệ môi trường và phù hợp với các bộ phận trong lĩnh vực siêu hoàn thiện đã xuất hiện, và công nghệ làm sạch bằng laser là một trong số đó.
Khái niệm làm sạch bằng laser
Làm sạch bằng laser là công nghệ sử dụng tia laser tập trung tác động lên bề mặt vật liệu để nhanh chóng làm bay hơi hoặc bong tróc các chất gây ô nhiễm trên bề mặt, nhằm làm sạch bề mặt vật liệu.So với các phương pháp làm sạch vật lý hoặc hóa học truyền thống khác nhau, làm sạch bằng laser có các đặc tính không tiếp xúc, không vật tư tiêu hao, không ô nhiễm, độ chính xác cao, không hư hỏng hoặc hư hỏng nhỏ và là lựa chọn lý tưởng cho thế hệ công nghệ làm sạch công nghiệp mới.
Nguyên lý làm việc của máy làm sạch bằng laser
Nguyên lý của máy làm sạch bằng laser phức tạp hơn và có thể bao gồm cả quá trình vật lý và hóa học.Trong nhiều trường hợp, các quá trình vật lý là quá trình chính, kèm theo một số phản ứng hóa học.Các quá trình chính có thể được phân thành ba loại, bao gồm quá trình khí hóa, quá trình sốc và quá trình dao động.
Quá trình khí hóa
Khi chiếu tia laser năng lượng cao lên bề mặt vật liệu, bề mặt sẽ hấp thụ năng lượng tia laser và chuyển nó thành năng lượng bên trong, do đó nhiệt độ bề mặt tăng nhanh và đạt trên nhiệt độ hóa hơi của vật liệu, do đó các chất ô nhiễm bị loại bỏ. tách ra khỏi bề mặt vật liệu dưới dạng hơi nước.Sự bay hơi chọn lọc thường xảy ra khi tốc độ hấp thụ ánh sáng laser của các chất gây ô nhiễm bề mặt cao hơn đáng kể so với chất nền.Một trường hợp ứng dụng điển hình là làm sạch bụi bẩn trên bề mặt đá.Như thể hiện trong hình bên dưới, các chất ô nhiễm trên bề mặt đá có khả năng hấp thụ tia laser mạnh và bay hơi nhanh chóng.Khi các chất ô nhiễm được loại bỏ và chiếu tia laser lên bề mặt đá, khả năng hấp thụ yếu, năng lượng laser bị phân tán bởi bề mặt đá nhiều hơn, sự thay đổi nhiệt độ của bề mặt đá nhỏ và bề mặt đá được bảo vệ khỏi bị hư hại.
Một quy trình dựa trên hóa học điển hình xảy ra khi sử dụng tia laser trong dải tia cực tím để làm sạch các chất ô nhiễm hữu cơ, được gọi là cắt bỏ bằng laser.Laser cực tím có bước sóng ngắn và năng lượng photon cao.Ví dụ, laser kích thích KrF có bước sóng 248 nm và năng lượng photon cao tới 5 eV, cao gấp 40 lần so với năng lượng photon laser CO2 (0,12 eV).Năng lượng photon cao như vậy đủ để phá hủy các liên kết phân tử của chất hữu cơ, do đó CC, CH, CO, v.v. trong các chất ô nhiễm hữu cơ bị phá vỡ sau khi hấp thụ năng lượng photon của tia laser, dẫn đến khí hóa nhiệt phân và loại bỏ khỏi bề mặt.
Quá trình sốc
Quá trình sốc là một chuỗi các phản ứng xảy ra trong quá trình tương tác giữa tia laser và vật liệu, sau đó sóng xung kích được hình thành trên bề mặt vật liệu.Dưới tác động của sóng xung kích, các chất ô nhiễm trên bề mặt bị phá vỡ và trở thành bụi hoặc mảnh vụn bong ra khỏi bề mặt.Có nhiều cơ chế gây ra sóng xung kích, bao gồm plasma, hơi nước, sự giãn nở và co lại nhiệt nhanh chóng.Sử dụng sóng xung kích plasma làm ví dụ, có thể hiểu ngắn gọn quá trình sốc trong quá trình làm sạch bằng laser loại bỏ các chất gây ô nhiễm trên bề mặt như thế nào.Với việc ứng dụng laser có độ rộng xung cực ngắn (ns) và công suất cực đại cực cao (107–1010 W/cm2), nhiệt độ bề mặt vẫn sẽ tăng mạnh ngay cả khi bề mặt hấp thụ nhẹ tia laser, đạt nhiệt độ hóa hơi ngay lập tức.Ở trên, hơi hình thành trên bề mặt vật liệu, như thể hiện trong (a) trong hình sau.Nhiệt độ của hơi có thể đạt tới 104 – 105 K, có thể ion hóa chính hơi hoặc không khí xung quanh để tạo thành plasma.Plasma sẽ chặn tia laser chạm tới bề mặt vật liệu và quá trình bay hơi trên bề mặt vật liệu có thể dừng lại, nhưng plasma sẽ tiếp tục hấp thụ năng lượng laser và nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng, hình thành trạng thái cục bộ nhiệt độ cực cao và áp suất cao, tạo ra dòng điện tức thời 1-100 kbar trên bề mặt vật liệu.Tác động được chuyển dần dần vào bên trong vật liệu, như trong Hình (b) và (c) bên dưới.Dưới tác động của sóng xung kích, các chất ô nhiễm trên bề mặt bị vỡ thành bụi, hạt hoặc mảnh nhỏ.Khi tia laser được di chuyển ra khỏi vị trí chiếu xạ, plasma biến mất và áp suất âm được tạo ra cục bộ, đồng thời các hạt hoặc mảnh vụn của chất gây ô nhiễm sẽ bị loại bỏ khỏi bề mặt, như trong Hình (d) bên dưới.
Quá trình dao động
Dưới tác động của các xung ngắn, quá trình làm nóng và làm mát của vật liệu diễn ra cực kỳ nhanh chóng.Bởi vì các vật liệu khác nhau có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau, nên dưới sự chiếu xạ của laser xung ngắn, các chất gây ô nhiễm bề mặt và chất nền sẽ trải qua sự giãn nở nhiệt tần số cao và co lại ở các mức độ khác nhau, dẫn đến dao động, khiến các chất gây ô nhiễm bong ra khỏi bề mặt. vật liệu.Trong quá trình tẩy da chết này, sự bay hơi của vật liệu có thể không xảy ra và huyết tương có thể không được tạo ra.Thay vào đó, lực cắt hình thành tại bề mặt tiếp xúc của chất gây ô nhiễm và chất nền dưới tác động dao động sẽ phá hủy liên kết giữa chất gây ô nhiễm và chất nền..Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi góc tới của tia laser tăng lên một chút, sự tiếp xúc giữa tia laser với hạt nhiễm bẩn và giao diện chất nền có thể tăng lên, ngưỡng làm sạch tia laser có thể giảm xuống, hiệu ứng dao động rõ ràng hơn và hiệu quả làm sạch cao hơn.Tuy nhiên, góc tới không được quá lớn.Góc tới quá lớn sẽ làm giảm mật độ năng lượng tác động lên bề mặt vật liệu và làm suy yếu khả năng làm sạch của tia laser.
Ứng dụng công nghiệp của chất tẩy rửa bằng laser
Công nghiệp khuôn mẫu
Máy làm sạch bằng laser có thể thực hiện việc làm sạch khuôn không tiếp xúc, rất an toàn cho bề mặt khuôn, có thể đảm bảo độ chính xác và có thể làm sạch các hạt bụi bẩn dưới micron mà các phương pháp làm sạch truyền thống không thể loại bỏ được, chẳng hạn như để đạt được hiệu quả làm sạch thực sự không gây ô nhiễm, hiệu quả và chất lượng cao.
Công nghiệp dụng cụ chính xác
Ngành công nghiệp máy móc chính xác thường cần loại bỏ este và dầu khoáng dùng để bôi trơn và chống ăn mòn khỏi các bộ phận, thường là về mặt hóa học, và việc làm sạch bằng hóa chất thường để lại cặn.Quá trình khử este bằng laser có thể loại bỏ hoàn toàn este và dầu khoáng mà không làm hỏng bề mặt của các bộ phận.Tia laser thúc đẩy quá trình khí hóa bùng nổ của lớp oxit mỏng trên bề mặt bộ phận để tạo thành sóng xung kích, dẫn đến việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm thay vì tương tác cơ học.
Công nghiệp đường sắt
Hiện nay, tất cả quá trình làm sạch đường ray trước khi hàn đều sử dụng phương pháp làm sạch bằng bánh mài và mài đai mài mòn, gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho bề mặt và ứng suất dư nghiêm trọng, đồng thời tiêu thụ rất nhiều vật tư tiêu hao của bánh mài mỗi năm, gây tốn kém và gây ra nghiêm trọng. ô nhiễm bụi cho môi trường.Làm sạch bằng laser có thể cung cấp công nghệ làm sạch xanh hiệu quả và chất lượng cao cho hoạt động sản xuất lắp đặt đường ray xe lửa tốc độ cao của đất nước tôi, giải quyết các vấn đề trên, loại bỏ các khuyết tật hàn như lỗ đường ray liền mạch và các điểm xám, đồng thời cải thiện sự ổn định và an toàn của đường sắt cao tốc của đất nước tôi -Vận hành đường sắt cao tốc.
Ngành công nghiệp hàng không
Bề mặt của máy bay cần được sơn lại sau một thời gian nhất định, tuy nhiên lớp sơn cũ ban đầu cần phải được loại bỏ hoàn toàn trước khi sơn.Ngâm/lau bằng hóa chất là phương pháp tẩy sơn chính trong lĩnh vực hàng không.Phương pháp này tạo ra một lượng lớn chất thải phụ trợ hóa học và không thể đạt được mục đích bảo trì và tẩy sơn cục bộ.Quá trình này là khối lượng công việc nặng nề và có hại cho sức khỏe.Làm sạch bằng laser cho phép loại bỏ sơn chất lượng cao trên bề mặt vỏ máy bay và dễ dàng tự động hóa trong sản xuất.Hiện nay, công nghệ làm sạch bằng laser đã được áp dụng để bảo trì một số dòng máy cao cấp.
Công nghiệp tàu thủy
Hiện nay, việc làm sạch tàu trước khi sản xuất chủ yếu áp dụng phương pháp phun cát.Phương pháp phun cát đã gây ô nhiễm bụi nghiêm trọng cho môi trường xung quanh và dần bị cấm, khiến các nhà sản xuất tàu phải giảm bớt, thậm chí đình chỉ sản xuất.Công nghệ làm sạch bằng laser sẽ mang lại giải pháp làm sạch xanh và không gây ô nhiễm cho việc phun chống ăn mòn trên bề mặt tàu.
vũ khí
Công nghệ làm sạch bằng laser đã được sử dụng rộng rãi trong bảo trì vũ khí.Hệ thống làm sạch bằng laser có thể loại bỏ rỉ sét và chất gây ô nhiễm một cách hiệu quả và nhanh chóng, đồng thời có thể chọn bộ phận làm sạch để thực hiện tự động hóa quá trình làm sạch.Sử dụng phương pháp làm sạch bằng laser, không những độ sạch cao hơn quá trình làm sạch bằng hóa chất mà hầu như không gây hư hại cho bề mặt vật thể.Bằng cách thiết lập các thông số khác nhau, máy làm sạch bằng laser cũng có thể tạo thành một lớp màng bảo vệ oxit dày đặc hoặc lớp nóng chảy kim loại trên bề mặt vật kim loại để cải thiện độ bền bề mặt và khả năng chống ăn mòn.Chất thải được loại bỏ bằng tia laser về cơ bản không gây ô nhiễm môi trường và nó cũng có thể được vận hành ở khoảng cách xa, giúp giảm thiểu thiệt hại cho sức khỏe của người vận hành một cách hiệu quả.
Ngoại thất tòa nhà
Ngày càng có nhiều tòa nhà chọc trời được xây dựng và vấn đề làm sạch các bức tường bên ngoài của tòa nhà ngày càng trở nên nổi bật.Hệ thống làm sạch bằng laser làm sạch tốt các bức tường bên ngoài của tòa nhà thông qua sợi quang.Giải pháp có chiều dài tối đa 70 mét có thể làm sạch hiệu quả các chất ô nhiễm khác nhau trên nhiều loại đá, kim loại và thủy tinh và hiệu quả của nó cao hơn nhiều so với cách làm sạch thông thường.Nó cũng có thể loại bỏ các đốm đen và vết bẩn từ nhiều loại đá khác nhau trong các tòa nhà.Thử nghiệm làm sạch hệ thống làm sạch bằng laser trên các tòa nhà và tượng đài bằng đá cho thấy việc làm sạch bằng laser có tác dụng tốt trong việc bảo vệ diện mạo của các công trình cổ kính.
Công nghiệp điện tử
Ngành công nghiệp điện tử sử dụng tia laser để loại bỏ oxit: Ngành điện tử đòi hỏi quá trình khử nhiễm có độ chính xác cao và quá trình khử oxy bằng laser đặc biệt phù hợp.Các chân linh kiện phải được khử oxy triệt để trước khi hàn bo mạch để đảm bảo tiếp xúc điện tối ưu và các chân không được hư hỏng trong quá trình khử nhiễm.Làm sạch bằng laser có thể đáp ứng yêu cầu sử dụng, hiệu quả rất cao và chỉ cần chiếu một tia laser cho mỗi kim.
Nhà máy điện hạt nhân
Hệ thống làm sạch bằng laser cũng được sử dụng để làm sạch đường ống lò phản ứng trong các nhà máy điện hạt nhân.Nó sử dụng sợi quang để đưa chùm tia laser công suất cao vào lò phản ứng để loại bỏ trực tiếp bụi phóng xạ và vật liệu đã được làm sạch rất dễ làm sạch.Và vì được vận hành từ xa nên sự an toàn của nhân viên có thể được đảm bảo.
Bản tóm tắt
Ngành công nghiệp sản xuất tiên tiến ngày nay đã trở thành đỉnh cao của cạnh tranh quốc tế.Là một hệ thống tiên tiến trong sản xuất laser, máy làm sạch laser có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong phát triển công nghiệp.Việc phát triển mạnh mẽ công nghệ làm sạch bằng laser có ý nghĩa chiến lược rất quan trọng đối với sự phát triển kinh tế và xã hội.