A tecnologia de limpeza a laser utiliza lasers de largura de pulso estreita e alta densidade de potência na superfície do objeto a ser limpo.Através dos efeitos combinados de vibração rápida, vaporização, decomposição e peeling de plasma, contaminantes, manchas de ferrugem ou revestimentos na superfície sofrem evaporação e desprendimento instantâneos, conseguindo a limpeza da superfície.
A limpeza a laser oferece vantagens como precisão sem contato, ecologicamente correta, eficiente e sem danos ao substrato, tornando-a aplicável em diversos cenários.
Limpeza a laser
Verde e Eficiente
A indústria de pneus, a indústria de novas energias e a indústria de máquinas de construção, entre outras, aplicam amplamente a limpeza a laser.Na era dos objetivos do “duplo carbono”, a limpeza a laser surge como uma nova solução no mercado de limpeza tradicional devido à sua alta eficiência, controlabilidade precisa e características ecologicamente corretas.
Conceito de Limpeza a Laser:
A limpeza a laser envolve focar feixes de laser na superfície do material para vaporizar ou remover rapidamente os contaminantes da superfície, conseguindo a limpeza da superfície do material.Em comparação com vários métodos tradicionais de limpeza física ou química, a limpeza a laser é caracterizada por nenhum contato, nenhum consumível, nenhuma poluição, alta precisão e dano mínimo ou nenhum dano, tornando-a a escolha ideal para a nova geração de tecnologia de limpeza industrial.
Princípio da limpeza a laser:
O princípio da limpeza a laser é complexo e pode envolver processos físicos e químicos.Em muitos casos, dominam os processos físicos, acompanhados por reações químicas parciais.Os principais processos podem ser categorizados em três tipos: processo de vaporização, processo de choque e processo de oscilação.
Processo de gaseificação:
Quando a irradiação laser de alta energia é aplicada à superfície de um material, a superfície absorve a energia do laser e a converte em energia interna, fazendo com que a temperatura da superfície aumente rapidamente.Este aumento de temperatura atinge ou ultrapassa a temperatura de vaporização do material, fazendo com que os contaminantes se desprendam da superfície do material na forma de vapor.A vaporização seletiva ocorre frequentemente quando a taxa de absorção dos contaminantes pelo laser é significativamente maior que a do substrato.Um exemplo típico de aplicação é a limpeza de sujidades em superfícies de pedra.Conforme mostrado no diagrama abaixo, os contaminantes na superfície da pedra absorvem fortemente o laser e são rapidamente vaporizados.Uma vez que os contaminantes são completamente removidos e o laser irradia a superfície da pedra, a absorção é mais fraca e mais energia do laser é espalhada pela superfície da pedra.Consequentemente, há uma alteração mínima na temperatura da superfície da pedra, protegendo-a assim de danos.
Um processo típico que envolve principalmente ação química ocorre durante a limpeza de contaminantes orgânicos com lasers de comprimento de onda ultravioleta, um processo conhecido como ablação a laser.Os lasers ultravioleta têm comprimentos de onda mais curtos e maior energia de fótons.Por exemplo, um excimer laser KrF com comprimento de onda de 248 nm tem uma energia de fótons de 5 eV, que é 40 vezes maior que a dos fótons de laser de CO2 (0,12 eV).Essa alta energia de fótons é suficiente para quebrar as ligações moleculares em materiais orgânicos, fazendo com que as ligações CC, CH, CO, etc., nos contaminantes orgânicos se fraturem ao absorver a energia do fóton do laser, levando à gaseificação pirolítica e remoção do superfície.
Processo de choque na limpeza a laser:
O processo de choque na limpeza a laser envolve uma série de reações que ocorrem durante a interação entre o laser e o material, resultando em ondas de choque impactando a superfície do material.Sob a influência destas ondas de choque, os contaminantes da superfície quebram-se em pó ou fragmentos, descascando-se da superfície.Os mecanismos que causam essas ondas de choque são variados, incluindo plasma, vapor e fenômenos de rápida expansão e contração térmica.
Tomando como exemplo as ondas de choque de plasma, podemos entender brevemente como o processo de choque na limpeza a laser remove os contaminantes da superfície.Com a aplicação de lasers de largura de pulso ultracurta (ns) e potência de pico ultra-alta (107–1010 W／cm2), a temperatura da superfície pode aumentar drasticamente até as temperaturas de vaporização, mesmo se a absorção superficial do laser for fraca.Este rápido aumento de temperatura forma vapor acima da superfície do material, conforme mostrado na ilustração (a).A temperatura do vapor pode atingir 104 – 105 K, o suficiente para ionizar o próprio vapor ou o ar circundante, formando um plasma.O plasma impede que o laser alcance a superfície do material, possivelmente interrompendo a vaporização da superfície.No entanto, o plasma continua a absorver a energia do laser, aumentando ainda mais a sua temperatura e criando um estado localizado de temperatura e pressão extremamente altas.Isto gera um impacto momentâneo de 1-100 kbar na superfície do material e transmite progressivamente para dentro, conforme mostrado nas ilustrações (b) e (c).Sob o impacto da onda de choque, os contaminantes da superfície fraturam-se em pequenas poeiras, partículas ou fragmentos.Quando o laser se afasta do local irradiado, o plasma desaparece prontamente, criando uma pressão negativa local, e as partículas ou fragmentos dos contaminantes são removidos da superfície, conforme mostra a ilustração (d).
Processo de oscilação na limpeza a laser:
No processo de oscilação da limpeza a laser, tanto o aquecimento quanto o resfriamento do material ocorrem de forma extremamente rápida sob a influência de lasers de pulso curto.Devido aos diferentes coeficientes de expansão térmica de vários materiais, os contaminantes da superfície e do substrato sofrem expansão e contração térmica de alta frequência em vários graus quando expostos à irradiação de laser de pulso curto.Isto leva a um efeito oscilatório que faz com que os contaminantes se desprendam da superfície do material.
Durante este processo de descascamento, a vaporização do material pode não ocorrer, nem necessariamente se forma plasma.Em vez disso, o processo depende das forças de cisalhamento geradas na interface entre o contaminante e o substrato sob a ação oscilatória, que quebram a ligação entre eles.Estudos demonstraram que aumentar ligeiramente o ângulo de incidência do laser pode melhorar o contato entre o laser, os contaminantes particulados e a interface do substrato.Esta abordagem reduz o limite para limpeza a laser, tornando o efeito oscilatório mais pronunciado e melhorando a eficiência da limpeza.Contudo, o ângulo de incidência não deve ser muito grande, pois um ângulo muito elevado pode reduzir a densidade de energia que atua na superfície do material, enfraquecendo assim a capacidade de limpeza do laser.
Aplicações Industriais de Limpeza a Laser:
1: Indústria de Moldes
A limpeza a laser permite a limpeza sem contato dos moldes, garantindo a segurança das superfícies dos moldes.Ele garante precisão e pode limpar partículas de sujeira de nível submícron que os métodos de limpeza tradicionais podem ter dificuldade em remover.Isso proporciona uma limpeza verdadeiramente livre de poluição, eficiente e de alta qualidade.
2: Indústria de instrumentos de precisão
Nas indústrias mecânicas de precisão, os componentes geralmente precisam ter ésteres e óleos minerais usados para lubrificação e resistência à corrosão removidos.Métodos químicos são comumente empregados para limpeza, mas muitas vezes deixam resíduos.A limpeza a laser pode remover completamente ésteres e óleos minerais sem danificar a superfície dos componentes.Explosões de camadas de óxido induzidas por laser nas superfícies dos componentes resultam em ondas de choque, causando a remoção de contaminantes sem interação mecânica.
3: Indústria Ferroviária
Atualmente, a limpeza de trilhos antes da soldagem utiliza predominantemente retificação e lixamento de rebolos, levando a graves danos ao substrato e tensão residual.Além disso, consome uma quantidade significativa de consumíveis abrasivos, resultando em custos elevados e grave poluição por poeira.A limpeza a laser pode fornecer uma técnica de limpeza de alta qualidade, eficiente e ecologicamente correta para a produção de trilhos ferroviários de alta velocidade na China.Ele aborda questões como furos contínuos em trilhos, pontos cinzentos e defeitos de soldagem, melhorando a estabilidade e a segurança das operações ferroviárias de alta velocidade.
4: Indústria da Aviação
As superfícies das aeronaves precisam ser repintadas após um determinado período, mas antes da pintura a tinta antiga deve ser totalmente removida.A imersão/limpeza química é um método importante de remoção de tinta no setor da aviação, causando desperdício químico substancial e uma incapacidade de conseguir a remoção localizada da tinta para manutenção.A limpeza a laser pode obter remoção de tinta de alta qualidade da superfície da aeronave e é facilmente adaptável à produção automatizada.Atualmente, esta tecnologia começou a ser aplicada na manutenção de alguns modelos de aeronaves de alto padrão no exterior.
5: Indústria Marítima
A limpeza pré-produção na indústria marítima geralmente usa métodos de jato de areia, causando grave poluição por poeira no ambiente circundante.A proibição gradual do jacto de areia levou à redução da produção ou mesmo ao encerramento de empresas de construção naval.A tecnologia de limpeza a laser fornecerá uma solução de limpeza ecológica e livre de poluição para o revestimento anticorrosivo de superfícies de navios.
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Horário da postagem: 16 de janeiro de 2024