Розділ 1. Сучасний стан технології очищення поверхонь виробів
1.1 Фізичні основи традиційних технологій очищення поверхонь виробів
У процесі виробництва та експлуатації деталі машин і механізмів піддаються металургійним , механічним , хімічним , термічним і радіаційним впливам, які призводять до значних змін в поверхневому шарі. В результаті технологічних процесів зварювання , прокатки , волочіння , ковальсько - пресової обробки , точіння , фрезерування , шліфування та інших видів механічної обробки , а також у процесі експлуатації на поверхні утворюються різного роду органічні й неорганічні забруднення - окисні плівки , іржа , окалина , залишки мастильно-охолоджувальної рідини ( МОР), масляні плями і т.д. Все це справляє негативний вплив на механічні, трибологічні та інші експлуатаційні характеристики поверхні і поверхневого шару, погіршуючи механічні характеристики, зменшуючи стійкість проти корозії, знижуючи мало-і багато циклову втому та інші характеристики деталей машин і механізмів, а також змінюючи широке коло їх фізико-хімічних властивостей: оптичних , теплофізичних , гідромеханічних та ін [ 9].
У разі якщо на поверхню деталі повинні наноситися покриття: гальванічні, лакофарбові, захисно-декоративні, газо термічні, незадовільний стан поверхні призводить до різкого зменшення адгезійної взаємодії нанесеного покриття з поверхнею ( підкладкою) і його відшаровування в процесі експлуатації [ 10].
Традиційно дефекти поверхні та поверхневого шару металу , органічні й неорганічні забруднення видаляються механічною, ультразвуковою, хімічною та електрохімічною обробкою та іншими методами. До них відносяться шліфування, полірування, струменево абразивна обробка, знежирення, травлення, активування.
Хімічне знежирення
Органічні забруднення, яке знаходиться на поверхні, може не тільки зменшувати адгезій ну взаємодію покриття, яке наноситься та поверхнею, але й зменшувати змочування поверхні при нанесенні лакофарбового покриття, викликає під плівкову корозію, яка призводить до виникнення дефектів в покритті.
Для очищення поверхні від забруднюючих речовин (жирні кислоти, солі, вуглецева сажа, хлоровані масла і інших) використовують метод знежирення. Під знежиренням мають на увазі процес видалення з поверхні органічних забруднень.
Видалення засновано на різних фізико-хімічних процесах, які протікають в зоні обробки: розчинення, витіснення, травлення й ін.
Хімічні методи очищення поверхні від забруднень органічного характеру мають такі недоліки:
Низька продуктивність.
Процес є екологічно несприятливим.
Потрібні витратні матеріали.
Процес не дозволяє видаляти забруднення неорганічного характеру.
Процес не дозволяє видаляти дефекти поверхневого шару.
Електрохімічне знежирення
Такий спосіб доцільно використовувати для зняття з поверхні металу не
великого шару жиру. Зазвичай перед цим процесом виконують процес хімічного знежирення, яке видаляє основну масу забруднення. У порівнянні з хімічним, електричне знежирення забезпечує більш якісне очищення поверхні.
Механічна обробка поверхні
Механічна обробка поверхні деталей призначена для очищення
поверхні від окисних плівок, окалини, іржі, поверхневих дефектів, неорганічних забруднень (аерозолі, металевого пилу і т.д). Основними способами механічної обробки поверхні є шліфування, полірування, чищення, віброобробка, струмево абразивна і гірдроабразивна обробка.
Шліфування
Недоліком даної технологічної операції є те, що вона сама може вносити
в поверхневий шар дефекти й мікродефекти - пропали, лінії, міктротріщини, в яких можуть накопичуватись залишки ЗОР.
Якщо поверхня має складну 3D геометрію поверхні, то шліфування дуже важко реалізувати. Шліфувати м’які метали, сталі і сплави проблематично.
Полірування
Полірування поверхні, яка має складну геометричну форму практично проводять вручну. Після полірування в мікропорах, мікротріщинах, мікрорисках поверхні можуть залишатись ( після знежирення) залишки полірувальної пасти, які знижують експлуатаційні характеристики деталі.
Струменево абразивна й гідроабразивна обробка
Таку обробку зазвичай виконують для зняття з поверхні деталі товстого шару термічної окалини, іржі, грату. Абразивним матеріалом служить кварцовий або металевий пісок, сталевий дріб, корунд. При зіткненні з поверхнею метала, частинки абразиву збивають забруднення, які міцно пристали. В наслідок чого поверхні надається матовість і своєрідний мікрорельєф.
Підібравши абразив певної твердості і зернистості, склад робочої рідини і режим обробки, можна не лише очистити поверхню метала від механічних і хімічних забруднень, але і досягти ефективного згладження поверхні.
Основним недоліком такого способу обробки є:
Виділення абразивного пилу, необхідність виготовлення або придбання відповідного обладнання для його уловлення.
Потрапляння абразивного пилу або ж гідро абразивної рідини в мікропори, мікротріщини поверхні, що погіршує експлуатаційні властивості поверхні.
Утилізація гідро абразивної рідини.
Додатково можна виділити наступні недоліки абразивоструменевої обробки:
Необхідність демонтажу частини (деталі) обладнання, яке піддається очищенню.
Дія абразиву не завжди здійснює позитивний вплив на поверхню, яку очищують.
Поверхня метала після очищення має властивість швидко окислюватись і насичуватись вологою, так що наступна операція фарбування має виконуватись не пізніше 4 годин.
Великі витрати на утилізацію та очищення робочого матеріалу, витрати якого дуже значні.
Великі енергетичні витрати абразивного очищення, які можуть досягати до 100 кВт й більше.
Ультразвукове очищення
Спосіб очищення поверхні твердих тіл, при якому в миючий розчин вводяться ультразвукові коливання. УЗ дає змогу не лише прискорити процес очищення, але і отримати вискоку степінь чистоти поверхні, а також замінити ручну працю, виключити використання пожежонебезпечних і токсичних розчинників. Ультразвукове очищення застосовується в машинобудівельній, металургійній, електронній промисловостях, в напівпровідниковій техніці і приладобудуванні для очищення прецизійних деталей точних приладів, часі і ювелірних виробів, інтегральних схем, хірургічних інструментів, металокерамічних фільтрів.
Очищення сухим льодом ( кріогенний бластинг)
Технологія очищення сухим льодом, яка ще називається кріогенним бластинг, є інноваційною технологією, щодо стандартних методів очищення і активно розвивається по всьому світу. В основі технології лежить принцип струменевого розпилення гранул сухого льоду.
Сухий лід являє собою тверду форму вуглекислоти / двоокису вуглецю CO2. Гранули сухого льоду подаються на поверхню в герметичному повітряному потоці зі швидкістю близькою до швидкості звуку, відбиваючи забруднення і при цьому не пошкоджуючи поверхні.
Процес бластинга відбувається при вихідному тиску від 7 до 14 бар , коли маленькі частинки сухого льоду розганяють за допомогою стиснутого повітря , як і в багатьох інших струменевих процесах . Залежно від типу забруднення вплив на поверхню може протікати таким чином - якщо потрібно видалити крихке забруднення , наприклад фарбу , такий процес утворює хвилю напруги стиснення між основою і покриттям , за рахунок контрасту температур поверхні. Така хвиля володіє достатньою енергією для того , щоб подолати зчеплення , тобто адгезію з забрудненням та відірвати його від поверхні. Якщо необхідно видалити пластичне чи в'язке покриття, наприклад масло, парафіну або мастило, тоді роблять процес, аналогічний гідробластінгу. При зіткненні гранули вибухають, створюючи при цьому високошвидкісний потік снігу, який змиває нашарування з поверхні, немов струмінь води, але при цьому оброблювана поверхня залишається знежиреною і сухою.
Основні переваги технології:
Очищення сухим льодом дає можливість проводити чистку без необхідності розбирати обладнання.
Відсутність вторинних відходів.
Особлива екологічна безпека.
Можливість проводити очищення у важкодоступних місцях.
Технології цілком безпечна. Сухий лід не є токсичним, на відміну від багатьох традиційно використовуваних очищаючих речовин.
Недоліки даної технології:
Спосіб очищення є дуже дорогий.
Спеціальний захист для працівників.
Не всі матеріали переносять різке охолодження і при невмілому застосуванні методу чистки сухим льодом деякі покриття можуть дати тріщини.
Даний вид очищення не видаляє окиснення які глибоко розташовані в маталі, тобто не можливість отримання білої металевої поверхні.
1.2. Аналіз областей застосування традиційних методів очищення поверхонь виробів із різних матеріалів.
Області застосування дуже широкі починаючи від машинобудування закінчуючи реставруванням архітектурних памяток історії.
Ливарне виробництво
Операції очистки широко застосовують у ливарному виробництві. Основні приклади де використовують операції очистки:
Видалення води, а також кремнієвих сумішей з ливарних форм багаторазового використання.
Очищення від піску та смоли стержневих ящиків.
Очистка апаратів для лиття під тиском.
Видалення нагару, сажі.
Приладобудування та електроніка
Очищення електричних роз'ємів.
Нанесення заданої шорсткості на пластикові вироби.
Очищення алюмінієвих радіаторів.
Очищення / обробка друкованих плат.
Очищення після термообробки.
Автомобільна промисловість
Даний вид промисловості також має широке поле для використання операцій очищення:
очищення автоматичних зварювальних апаратів, та електронних частин;
фарбувальні лінії;
пластики та інші процеси відливання вулканізації (використання для виготовлення оббивки стелі, приладових панелей, сидінь);
спеціальні машини з відливання комплектуючих,(наприклад очистка блоку / головок циліндрів);
складальні машини.
Автомобільна промисловість надає стільки можливостей для застосування, що їх складно вмістити навіть у дуже довгий список.
1.3. Фізичні основи застосовності в операціях очищення поверхонь виробів лазерного випромінювання
Властивості лазерного випромінювання, як універсального інструменту,
проявляються в самих різних технологічних можливостях обробки
матеріалів - універсальності, гнучкості, локальності обробки в просторі і
часі, продуктивності, прецизійності, селективності, корпоративності, відсутності зношування [14, 15].
Універсальність лазерного випромінювання, як технологічного інструменту, виявляється в тому, що його можна застосовувати для ведення різних технологічних процесів - різання, зварювання, термообробки, легування, прошивки отворів, токарної, фрезерної обробки і т. д.
В умовах виробництва дуже важливим чинником є можливість
швидкого переходу з обробки одного виду деталей на інший або переходу з
одного робочого місця на інше. Лазерний пучок в поєднанні з сучасними
засобами комп'ютерного управління дозволяє реалізувати ці можливості .
Перенесення лазерної обробки матеріалів з одного робочого місця на інше , або з одного технологічного процесу на інший може становити кілька секунд, в цьому виявляється гнучкість лазерного пучка , як технологічного інструменту. Особливо яскраво цю властивість лазерного пучка проявляється при використанні його зі світловолоконних системами.
Локальність обробки в просторі і в часі полягає в можливості зосередити енергію лазерного випромінювання потужністю в мегавати в обсязі від кількох десятків до кількох сотень мікрон і в часі кілька десятків пікосекунд . Настільки висока локальність дозволяє обробляти тільки певні ділянки деталі з мінімальними зонами термічного впливу .
Прецизійність переміщення пучка лазера в просторі забезпечується
комп'ютерними системами управління і механізмами переміщення , наприклад, роботами, координатними столами, які забезпечують точність
позиціонування від мікрона до сотень мікрон. Настільки високі точності
переміщення дозволяють виготовляти за допомогою лазера прецизійні деталі
машин і механізмів і забезпечувати високу технологічну відтворюваність технологічних процесів.
Продуктивність лазерної обробки забезпечується її високою
швидкістю - швидкість різання до 100 м/хв , швидкість зварювання до 300 мм/сек , швидкості термообробки до 200 см2/хв дозволяють судити про лазерний промінь, як про високопродуктивний оброблювальний інструмент.
Одним з унікальних властивостей лазерного випромінювання є його селективний вплив на речовину. Саме на селективності впливу лазерного
випромінювання на атоми і молекули побудована лазерна фотохімія – наука яка швидко розвивається. Селективна властивість лазерного випромінювання знайшла застосування в лазерній стерео літографії, тобто отриманні об'ємних зображень. Лазерна стерео літографія побудована на властивостях певних рідин практично миттєво полімеризуються під дією лазерного випромінювання з певною довжиною хвилі.
Корпоративні властивості лазерного випромінювання проявляються у можливості ефективної інтеграції лазерного випромінювання з різними технологічними енергетичними джерелами енергії - дуговими, плазмовими,
індукційними, світловими, ультразвуковими. Таке об'єднання дозволяє
отримати нову якість, яка проявляється у вигляді розширення технологічних
можливостей процесів обробки матеріалів та появи нових якостей.
Наприклад, збільшення швидкості зварювання виходить не просто додаванням швидкостей зварювання кожного виду технологічного процесу, а полягає в більшому збільшенні величини швидкості зварювання за рахунок збільшення ефективності технологічного процесу.
Лазерний пучок, як технологічний інструмент, який не схильний до зносу, на відміну, наприклад, від різця або фрези, що застосовуються при механічній обробці. Ефект « з відсутністю зношуваності » надає пучку лазера великі економічні переваги, і забезпечує високу відтворюваність технологічних процесів .
Необхідно відзначити ще одну перевагу лазерної обробки - це
висока просторова роздільна здатність впливу на матеріал, вона забезпечує формування структур або вивчення функціональних елементів з геометричними розмірами стосовно до вирішення завдань
міктотехнології (розміри елементів 10-4 ... 10-6 м) і нанотехнології (розміри
елементів 10-7 ... 10-9 м).
Фізичні основи лазерного очищення поверхонь виробів
Фізичні процеси, які відбуваються у процесі лазерного очищення поверхні, є дуже різноманітними і залежать від щільності потужності лазерного випромінювання на поверхні.
Загальна схема процесів впливу лазерного випромінювання на матеріали
відповідно до поверхні, яку очищують наведена на схемі рис.1.
/
Рис.1. Загальна схема процесів впливу лазерного випромінювання на матеріали, для операцій лазерного очищення поверхонь виробів.
Процеси лазерного нагрівання, випаровування і абляції матеріалу з
утворенням плазми, а також швидке теплове розширення і виникнення
ударних хвиль лежать в основі механізмів лазерної очищення, в той час як
свічення плазми і акустичний сигнал в повітрі можуть бути використані для
контролю режимів і ступеня очищення. Таким чином, для операції очищення представляє інтерес весь спектр процесів взаємодії лазерного випромінювання з речовиною при чому не тільки на повітрі, але і в рідкому середовищі, де найчастіше процеси видалення забруднень протікають набагато більш ефективно і при менших потужностях випромінювання.
Розглянемо більш докладно основні механізми лазерного очищення.
Випаровувальні механізми лазерної очищення
Історично спочатку використовувалися переважно механізми випаровування при лазерному очищенні поверхні (див. наприклад [16 ]), коли щільність потужності випромінювання перевищує значення, при якому починається випаровування забруднюючих речовин з поверхні.
У цьому випадку в основі фізики процесу лазерного видалення поверхневих шарів ( іржі, окалини, окислів, забруднень, лаків, фарб, жирів і т.д.) лежить ефект випаровування , тобто перехід матеріалу з твердої фази в паро -газо -плазмову (рис. 2 ), при цьому бажано мінімізувати утворення рідкої фази .
/
Рис.2. При поверхнева лазерна плазма, що утворилась при лазерно-плазмовій очистці поверхонь
Поширення світла в речовині, як правило, описується законом
Бугера-Ламберта-Бера:
q(x)=q0*(1-R)*exp(-αx) (1),
де – q0 густина потужності випромінювання, яка падає на поверхню матеріалу; q(x) – густина потужності випромінювання на глибині х; R – коефіцієнт відбивання речовини; α – показник поглинання речовиною.
Показник поглинання металів на довжині хвилі 1,06 мкм становить 10-4 -10-3 см-1, тоді як показник поглинання неметалів на кілька
порядків нижче і становить 10-1 – 10-3 см-1. Зі співвідношення (1) випливає , що метали на цій довжині хвилі поглинають випромінювання лазера в тонкому поверхневому шарі , тоді як неметали мають об'ємне
поглинання . Таким чином , при товщині забруднення кілька сотень мікрон припустимо вважати , що цей шар щодо прозорий.
Спираючись на викладене вище, опишемо якісно випарний
механізм лазерного очищення ( поверхні металів від неметалевих
забруднень). Будемо вважати , що лазерний імпульс, потрапляючи на забруднену поверхню , проходить крізь забруднення практично без ослаблення і поглинається в приповерхневому шарі матеріалу ( рис. 3 , а).
/
Рис.3. Випарний механізм лазерного очищення. 1 - лазерний пучок, 2 -
забруднений матеріал, 3 - забруднення, 4 - хмара випаруваного речовини,
5 - частки забруднення, які були видалені з поверхні матеріалу.
У разі , коли щільність потужності лазерного випромінювання достатня для того, щоб розігріти матеріал ( метал ) до температури кипіння на границі
розділу забруднення - основний матеріал, починається випаровування матеріалу (рис.3, б). Під тиском розігрітих до високих температур парів шар
забруднення руйнується і віддаляється з поверхні матеріалу
(рис. 6, в). Крім того, у багатьох випадках тиск розігрітого газу руйнує шар
забруднення не тільки в зоні області прямого лазерного впливу, але і в
прилеглій області, що підвищує продуктивність лазерного очищення.
Таким чином, завдання вибору оптимального режиму роботи лазера в
випарному режимі очищення зводиться до забезпечення мінімального порогу
випаровування речовини основного металу. Відомо , що такий тип дії забезпечується в імпульсному режимі [16]. Крім того, чим менша тривалість впливу, тим менший розмір прогрітої зони речовини, як наслідок утворюється менша кількість розплаву і пару ( тобто мінімалізується пошкодження поверхні виробу) при великому тиску останнього. Наприклад при опроміненні лазерним променем з тривалістю імпульсу τ~10 нс та потужності в 10мДж, сфокусованого в пятно діаметром 0,2 мм, густина потужності в зоні обробки досягає 3 ГВт/см2. При даній густині потужності глибина прогрітого шару в сталі хпр досягає 10-4 – 10-5 см, при цьому випаровування відбувається практично без утворення розплаву на поверхні деталі, і модифікація вихідної поверхні мінімальна.
Для цього використовують імпульсні лазери з короткою тривалістю імпульсу (декілька десятків наносекунд) й високою піковою потужністю, які забезпечують густину потужності у зоні обробки 107 – 1010 Вт/см2 , з діаметром сфокусованого лазерного променя ≈0,5 мм, енергією в імпульсі декілька мДж і частотою імпульсів більше 20 кГц. Схема лазерного очищення поверхні зі скануючим променем показана на рис.4.
//
Рис.4. Схема процесу лазерного очищення з скануванням
В даний час існують модифікації лазерного очищення в режимі випаровування з використанням ексімерних лазерів. Довжина хвилі їх
випромінювання лежить в ультрафіолетовому діапазоні, що визначає малу глибину проникнення випромінювання в більшість металів. Крім того, при малій довжині хвилі випромінювання фотон має досить високою енергією, яка достатня для розриву міжатомних зв'язків у молекулах багатьох забруднювачів. Це визначає специфічний механізм абляції (видалення) речовини, який являє собою фото- термодеструкцію : при поглинанні випромінювання відбувається розрив зв'язків в молекулах і речовина видаляється у вигляді плазми. При цьому велика частина енергії , не перетворюючись на тепло , видаляється разом з випаровуваним шаром матеріалу. Коротка тривалість імпульсу (переважно наносекундного діапазону ) також обмежує поширення енергії вглиб матеріалу. У такому режимі впливу не відбувається істотного нагрівання матеріалу (тому його називають « холодною абляцією») . Однак , недоліком тут є велика енергоємність процесу ( кількість енергії випромінювання на
одиницю маси, що видаляється з поверхні), що визначає його низьку
продуктивність. Тому такий тип очищення використовується в особливих випадках, коли основною проблемою є неприпустимість теплового впливу на
основний матеріал, наприклад, в реставраційних роботах з об'єктами живопису.
Таким чином, більшість режимів випаровування для промислового
лазерного очищення вимагає досить високих температур , і частина тепла переходить в при поверхневий шар основного (очищуємого ) матеріалу. Це може викликати його пошкодження різного характеру : поверхневе плавлення або випаровування , ініціювання хімічних процесів при поверхневому шарі (зокрема , окислення металу, розкладання термочутливих матеріалів тощо), механічне пошкодження (наприклад, утворення тріщин або відколів ). Крім того, при високих температурах може відбуватися сплавлення речовини забруднюючих плівок і частинок в поверхневий шар основного матеріалу, після цього очистка можлива тільки при спільному видаленні з при поверхневим шаром основного матеріалу. У режимі випаровування лазерна очистка можлива при використанні як імпульсного , так і безперервного лазерного випромінювання
коли мова йде про чорнові процеси, що вимагають високої продуктивності.
Ударно-механічна лазерна очистка
У багатьох випадках лазерної очистки для зменшення теплового впливу
на поверхневий шар основного матеріалу використовуються «доиспарительние» режими лазерного очищення (Рис. 5) [17]. При цьому очищення поверхні твердого тіла від плівок, також як і від забруднюючих частинок, проводиться в низько енергетичних режимах, щоб запобігти руйнуванню поверхневих шарів або виникнення в них небажаних фізичних і хімічних змін. У цих умовах найбільш вірогідними фізичними механізмами
очищення являються ударно-механічні, пов'язані зі швидким тепловим
розширенням забруднюючих часток, плівок або поверхневих шарів основного матеріалу при поглинанні лазерного випромінювання і виникненням внаслідок цього ударної хвилі в матеріалі (і в повітрі), а також вибуховим видаленням наявних газів і пари (Мал. 8), що утворюється.
/
Fexf - сила, яка викликана січним розломом Psat – тиск насичених парів,
плівки під впливом поздовжнього термічного Pd – тиск молекул газу,
розширення, Pg – тиск внаслідок газифікації
Ftr – сила, яка викликана січним термічним матеріалу,
розширенням плівки, PII – тиск парів штучного мало-
Fsh – сила, яка викликана коливаннями плівки випаровуваного рідкого шару
Від теплового розширення поверхні матеріалу (нагрітого від основи матеріалу)
Рис.5. Низькоенергетичні механізми лазерного очищення (з відсутністю випаровування)
Серед термомеханічних явищ переважає поперечне і подовжнє теплове розширення (ТР) і коливання плівок або часток забруднення під дією циклічного ТР. Серед вибухових явищ, що виникають через утворення надмірного тиску в порожнинах і проміжках між плівками забруднень відмітимо підвищення тиску власної пари при нагріванні (великий для дефектної поверхні), десорбція адсорбованих газів (велика для забрудненої поверхні), газифікація основного матеріалу (велика при очищенню полімерів, паперу, полотна, барвистих шарів і тому подібне), а також шару (що піддається абляції), який спеціально вноситься в систему, наприклад, рідини (води). При цьому механізм очищення поверхні від плівок забруднень відрізняється від наведеного вище тим, що процесу видалення забруднення передує фрагментація (руйнування суцільної плівки на фрагменти).
Розрізняють механізми і технології сухого і вологого лазерного очищення, при яких дія випромінювання відбувається безпосередньо на ту поверхню, що очищається (у разі сухого очищення) або на поверхню, заздалегідь
покриту тонким шаром рідини (у разі вологого очищення).
Сухе лазерне очищення розпочинається зі швидкого теплового розширення приповерхневого шару основного матеріалу і забруднення, що видаляється, під дією коротких імпульсів лазерного випромінювання [18], яке призводить до виникненню механічної напруги в забруднюючому шарі і сили інерції при припиненні імпульсу (Рис.6).
/
Рис.6. Ілюстрація фізичних механізмів сухого лазерного очищення поверхні
для випадків різного поєднання прозорих і непрозорих забруднень і
основного матеріалу (метал, стекло).
Основними термомеханічними механізмами видалення плівок і часток
являються:
- "струшування" забруднень з поверхні при термічному розширенні
підкладки;
- відрив забруднень від поверхні внаслідок зміщення центру маси
плівки;
Розглянемо ці механізми дещо детальніше.
Швидке теплове розширення відбувається в тонкому поверхневому шарі
завтовшки порядку