автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Лазерная очистка поверхности промышленных объектов от лакокрасочных покрытий и загрязнений

на правах рукописи

Самохвалов Андрей Александрович

ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Специальность 05.27.03 - квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

3 ОКТ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005533787

Работа выполнена на кафедре Лазерных Технологий и Экологического Приборостроения Санкт-Петербургского Национального Исследовательского Университета Информационных Технологий, Механики и Оптики.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Вейко Вадим Павлович (НИУ ИТМО)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Храмов Валерий Юрьевич (НИУ ИТМО)

кандидат технических наук Смирнов Валентин Николаевич (ООО «НПП Лазерные технологии»)

Ведущая организация:

ООО «СП «Лазертех»

Защита состоится 15 октября 2013 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д.14, ауд. 314а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д.14.

Автореферат разослан /^сентября 2013 г. (

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Учёный секретарь ■ '

диссертационного совета Д 212.227.01 кандидат технических наук, доцент

Красавцев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Вплоть до начала двухтысячных годов, когда были созданы промышленные иттербневые волоконные лазеры, имеющие высокие эксплуатационные характеристики и высокий КПД, применение лазерных источников для очистки промышленных объектов считалось технологически и экономически целесообразным лишь в отдельных, исключительных случаях.

Поэтому с начала XXI века началось активное внедрение лазерных технологий на основе волоконных лазеров в промышленность. На сегодняшний день в ряде крупных стран созданы первые фирмы, занимающиеся исключительно разработками методов лазерной очистки поверхности.

Одним из основных и особенно актуальных направлений лазерной очистки промышленных объектов является очистка поверхностей деталей и технологических объектов от группы пленкообразующих материалов, т.е. от лакокрасочных покрытий (ЛКП), имеющих высокую адгезию к подложке. К таким задачам относятся: подготовительная операция очистки рабочей поверхности от ЛКП в полиграфической промышленности, удаление ЛКП при дезактивации помещений и сооружений в атомной энергетике, очистка от старого ЛКП при техническом обслуживании авиационного и железнодорожного транспорта и т.д., также имеется целый ряд специальных задач подобного рода.

Как правило, удаление ЛКП трудно подвергается автоматизации, а существующие традиционные методы очистки — механический, химический, ультразвуковой являются низко производительными, малоэффективными, требуют использования расходных материалов, при этом отсутствие объективного контроля процесса очистки поверхности делает её результат непредсказуемым и создает незапланированные простои оборудования в технологическом процессе.

Лазерная очистка по сравнению с традиционными способами обладает рядом преимуществ, таких как:

- отсутствие расходных материалов,

- производится дистанционно (волоконная доставка излучения),

- является экологически безопасной,

- в процессе отсутствуют изнашивающиеся элементы (срок службы волоконного лазера 50000 часов),

- результат и степень очистки можно контролировать.

Таким образом, создание технологии лазерной очистки поверхности промышленных объектов от ЛКП является актуальной научно-технической задачей. Абляция органических и полимерных пленок, каковыми являются ЛКП, может происходить вследствие различных физических механизмов, поэтому для выбора наиболее эффективного режима лазерной очистки необходимо их экспериментальное и теоретическое изучение. Другой особенно важной задачей для лазерной очистки волоконными лазерами является создание методики контроля её результатов в режиме реального времени.

Решение этих задач позволяет выявить наиболее эффективные рабочие режимы очистки поверхности, автоматизировать процесс и устранить человеческий фактор в оценке качества результатов очистки.

Целью диссертационной работы является разработка физико-технологических основ лазерной очистки поверхности промышленных объектов от лакокрасочных покрытий и загрязнений.

Задачи исследования

- экспериментально и теоретически изучить механизмы лазерной очистки поверхности от ЛКП;

- разработать критерии для контроля процесса лазерной очистки по оптическим спектрам эмиссионной плазмы;

- определить рабочие режимы лазерной очистки поверхности от ЛКП;

4

- разработать технологию и оборудование для лазерной очистки промышленных объектов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Спектральный критерий контроля процесса лазерной очистки от лакокрасочных покрытий и загрязнений, основанный на появлении в эмиссионном спектре линий вещества основного материала, позволяет определять границы рабочих режимов лазерной очистки и объективно оценивать качество очистки поверхности.

2. Определяющим в механизме влажной лазерной очистки от ЛЮТ являются свойства и характер расширения эмиссионной плазмы, зависящие от толщины слоя наносимой жидкости и определяющие интенсивность ударных волн, приводящих к увеличению эффективности процесса лазерной очистки.

3. Выбор режимов лазерного воздействия между порогом начала удаления загрязнителя и порогом плавления основного материала подложки обеспечивает высокое качество и высокую производительность лазерной очистки поверхности растрированных валов.

Научная новизна работы

1. Впервые проведено оптоакустическое исследование влажной лазерной очистки поверхности от ЛКП, изучено влияние толщины слоя жидкости на величину давления абляции и эффективность процесса очистки.

2. На основе тепловой модели испарения конденсированных тел и феноменологической теории разрушения академика Журкова объяснено экспериментально наблюдаемое увеличение глубины абляции при влажной лазерной очистке поверхности от ЛКП.

3. Экспериментально установлено, что характер роста давления абляции

при влажной лазерной очистке в качественном отношении хорошо

описывается аналитической моделью лазерно-индуцированных ударных волн

в режиме абляции с ограничивающей средой.

5

4. Исследовано влияние процесса горения продуктов абляции в приповерхностной плазме на экранировку лазерного излучения при сухой лазерной очистке.

5. Предложен критерий выбора спектральных линий в оптическом спектре эмиссионной плазмы для контроля и создания обратной связи процесса сухой лазерной очистки.

Практическая ценность

1. Разработана технология и установка для лазерной очистки растрированных полиграфических валов.

2. Разработана технология контролируемой лазерной очистки промышленных объектов от лакокрасочных покрытий.

3. Разработана технология лазерной очистки поверхностей от радиоактивных лакокрасочных покрытий.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

«International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-13)», St. Petersburg, 2013; II Всероссийский конгресс молодых ученых. Санкт-Петербург, 2013; 4th International Conference on Laser Peening and Related Phenomena, Madrid, Spain, 2013; 20th International Conference Advanced Laser Technologies (ALT-12). Thun, Switzerland, 2012.; Всероссийская школа по лазерной физике и лазерным технологиям, Саров, 2012; VII международная конференция молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2011», Санкт-Петербург, 2011; VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, Санкт-Петербург, 2011; «International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-10)», St. Petersburg, 2010; Четвертый всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах», Санкт-Петербург, 2010.

6

Публикации

Результаты работы опубликованы в четырех научных статьях, три из которых опубликованы в рецензируемых журналах из перечня ВАК, на разработки методов лазерной очистки и оборудования получено два патента.

Реализация результатов работы

Частично работа выполнялась в рамках следующих грантов и государственных контрактов:

- грант «У.М.Н.И.К.» «Разработка метода лазерной очистки растрированных полиграфических валов» в 2010-2012 годах;

- грант «ОПТЭК» (Carl Zeiss) «Лазерная очистка анилоксовых валов» в 2012 году;

- ГК № 14.В37.21.0144 «Создание научных и технических основ интеллектуальной технологии лазерной очистки и дезактивации радиационно-загрязненных поверхностей конструкций и сооружений» в 2012-2013 годах.

Стипендия Президента РФ в 2012-2013 годах.

Результаты работы использованы в деятельности МИП ООО «ЛазерЪ», где при активном участии автора создана установка и технология лазерной очистки растрированных полиграфических валов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Материалы изложены на 107 страницах, включая 50 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 60 наименований на 6 страницах.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, были получены лично автором или при его непосредственном участии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, изложена цель и задачи . диссертации, научная новизна, практическая ценность, сформулированы положения, выносимые на защиту, определена структура диссертации.

В главе 1 дан обзор литературных источников по лазерной очистке промышленных объектов от ЛКП, обозначены основные проблемы лазерной очистки.

Глава 2 посвящена теоретическому исследованию процессов сухой и влажной лазерной очистки поверхности от ЛКП.

В параграфе 2.1 дается аналитический обзор наиболее вероятных механизмов абляции при лазерной очистке поверхности от ЛКП, обозначены характерные диапазоны плотностей мощности лазерного излучения для каждого из возможных механизмов.

В параграфе 2.2 проводится численное моделирование испарительного механизма сухой лазерной очистки на основе неоднородного уравнения теплопроводности с учетом поглощения излучения в плазме продуктов абляции. Показано, что основные потери излучения при удалении ЛКП волоконным лазером связаны с его поглощением в плазме низкопорогового оптического пробоя воздуха, в которой происходит экзотермическая реакция горения продуктов очистки, вызывающая дополнительный нагрев плазмы. Коэффициенты поглощения излучения в плазме рассчитываются на основе формулы Унзольда-Крамерса и экспериментальных данных, полученных в разделе 3.4 данной работы.

В результате численного моделирования, проведенного в программе Сошбо1 МиШрИуБкв, получено распределение температуры во времени и по глубине ЛКП, зависимость глубины абляции загрязнителя от плотности мощности. На основе чего делается вывод, что для сухой лазерной очистки поверхности от ЛКП рабочие плотности мощности оказываются ограничены

сверху величиной б,/,=Ю8 Вт/см2, выше которой экранировка излучения достигает более 50%.

В параграфе 2.3 на основе аналитической модели лазерно-индуцированных ударных волн, разработанной Я. РаЬЬго й а]. (.1. Арр1. РЬув. 68 (2). 1990), проводится расчет достижимых давлений абляции при влажной лазерной очистке поверхности от ЛКП излучением импульсного иттербиевого волоконного лазера.

Далее с помощью термофлуктуационной теории разрушения Журкова объясняется экспериментально наблюдаемое увеличение глубины абляции ЛКП при влажной лазерной очистке по сравнению с сухой лазерной очисткой. Сделан вывод, что основной причиной данного экспериментального факта является внешнее давление, вызванное генерацией ударной волны от расширяющейся под слоем жидкости плазмы. На рисунке 1 приводится сравнение рассчитанных зависимостей глубины абляции от плотности мощности для сухой и влажной лазерной очистки.

Рисунок 1 — Зависимость глубины абляции от плотности мощности лазерного излучения при методах сухой и влажной лазерной очистки поверхности от ЛКП (эпоксидной смолы).

Глава 3 посвящена экспериментальным исследованиям механизмов лазерной очистки поверхности от ЛКП волоконным лазером и возможностей контроля её результатов. Для комплексного изучения влажной лазерной очистки была разработана экспериментальная установка (рисунок 2).

Сканирующие —зеркала

Волоконный лазер ЦГ^'

(|РО-Р1>оютс5) Расширитель

МДЖ пучка ЦИК Фокусирующий

/=20-100 кГц ИНГ -¡ШЩ объектив

-100 НС

Измерительный микрофон

Образец

.М.

:!■, ■\ / Ь

-г-3 яф-- -

Осциллограф

Высокоскоростная камера Кювета Осветитель

\ Тонкий слой жидкости

Рисунок 2 — Схема экспериментальной установки для исследования механизмов влажной

лазерной очистки.

В параграфе 3.1 исследуется оптоакустический отклик, возникающий при влажной лазерной очистке поверхности от ЛКП и его характеристики в зависимости от плотности мощности лазерного излечения и толщины наносимого слоя жидкости. Экспериментально выявлено, что временная структура оптоакустического отклика состоит из импульса сжатия и разрежения и следующих за ним пульсаций из импульсов сжатия и разрежения малой амплитуды. При этом вследствие нахождения измерительного микрофона в дальней зоне начальный импульс сжатия и разрежения трансформировался в трехполярный, состоящий из двух импульсов сжатия и одного разрежения. Также были проанализированы частотные характеристики оптоакустического отклика, установлено, что в Фурье-спектре оптоакустического сигнала при всех толщинах слоя жидкости и плотностях мощности лазерного излучения возникает характерный спектральный пик на частоте/=5,6 кГц.

Основным результатом данной части исследования являются полученные интегральные зависимости давления абляции при влажной лазерной очистке от плотности мощности и их качественное совпадение с расчетной зависимостью (рисунок 3).

Ох»'Вт/см2 Q«10a, вт/см1

а б

Рисунок 3 — Зависимости давления абляции от плотности мощности при влажной лазерной очистке: а - расчетные значения; б - экспериментальная зависимость. (Расчетные и экспериментальные точки аппроксимированы функцией y=A-exp(-x/t) + уо)).

Из полученных экспериментальных данных следует, что поведение давления абляции в исследованном диапазоне плотностей мощности (107-КМ08 Вт/см2) в качественном отношении хорошо описывается в рамках аналитической модели лазерно-индуцированных ударных волн. Отсутствие в экспериментальной зависимости значений амплитуд давления при плотности мощности ниже 2107 Вт/см2 обусловлено исчезновением главного источника давления - плазменного факела (что и наблюдалось при высокоскоростной съемке процесса в разделе 3.2) и переходу к режиму взрывного вскипания, при котором давления, оказываемые на подложку, существенно ниже, именно поэтому экспериментальная зависимость идет круче, чем расчетная.

Другим важным заключением из проведенных исследований является определение необходимого для эффективной очистки значения толщины слоя водной пленки, составившего 2 мм, при данном значении достигаются максимальные давления и, соответственно, высокая степень влажной лазерной очистки поверхности от ЛКП.

В параграфе 3.2 проведена высокоскоростная видеосъемка процесса влажной лазерной очистки поверхности от ЛКП, а также оптическая микроскопия результатов очистки.

Результаты видеосъемки были сопоставлены с временной разверткой оптоакустического отклика, вследствие чего получена наиболее полная

11

физическая картина процесса. Как и предполагалось, первый импульс сжатия разрежения соответствует появлению ударной волны в жидкости от плазменного факела. В следующий промежуток времени (250 мкс) происходит формирование паровой полости. К моменту времени 500 мкс начинается распад паровой полости, что соотносится с появлением пульсаций во временной развертке оптоакустического отклика. Образование паровых пузырьков видимого размера начинается с 1 мс (рисунок 4).

Рисунок 4 — Результаты высокоскоростной видеосъемки процесса влажной лазерной очистки от ЖП при толщине слоя жидкости 2 мм. Плотность мощности лазерного

излучения 2-108 Вт/см2.

На основе результатов оптической микроскопии было объяснено снижение эффективности влажной лазерной очистки при толщине слоя жидкости 0,5 мм. В данных условиях на поверхности образца наблюдалось появление интерференционной картины, сильно снижающей эффективность лазерной очистки. При толщинах слоя жидкости 1 и 2 мм данного явления не наблюдается.

В параграфе 3.3 объяснен наблюдаемый при влажной лазерной очистке выброс кумулятивной струи жидкости по направлению к фокусирующей оптике, происходящий в случае толщины слоя водной пленки 0,5 мм. Проведенная высокоскоростная видеосъемка вылета струи дала возможность оценить её начальную и конечную скорости, так, при плотности

мощности 2-10я Вт/см2 начальная скорость составляет Vhi ~ 10 м/с, конечная скорость струи VK ~2 м/с. Высота вылета кумулятивной струи оказалась ограничена рабочим отрезком объектива.

Данное явление снижает эффективность влажной лазерной очистки, но может использоваться в другой лазерной технологии - переноса вещества из жидкой фазы (Laser-Induced Transfer Film) на прозрачные для лазерного излучения подложки.

Параграф 3.4 посвящен разработке критериев контроля сухой лазерной очистки поверхности от ЛКП по спектрам эмиссионной плазмы. На примере очистки керамической поверхности (Сг2Оэ) растрированного вала от краски было показано, что появление определенных спектральных линий подложки может служить критерием для контроля процесса лазерной очистки.

Для этого исследования была создана лабораторная установка, представлена на рисунке 5.

/?1

очистки. 1 - импульсный волоконный лазер (Ери1Х ~1 мДж,/=20кГц, х =200 не), 2 -коллиматор, 3 - фокусирующая оптика, 4 - спектрометр ЫВ82500, 5 - растрированный вал, 6 - координатный стол, 7 - блок согласования, 8 - волоконный вход спектрометра, 9 -плазменный факел, 10-управляющий ПК.

В ходе экспериментов были получены эмиссионные спектры в возможном для используемого волоконного лазера диапазоне плотностей мощности, с полученными спектрами были сопоставлены результаты

лазерной очистки, проанализированные с помощью оптической микроскопии. В результате были выявлены спектральные линии подложки (рисунок 6), порог появления которых при определенной плотности мощности (д3) соответствовал началу плавления поверхности растрированного вала.

600 -,-1-,-,-,-,-.-,-,-,-,-1-,— ^ 1__:__г__„

390 392 394 396 398 400 402 4« . 2 3

Длина волны, нм № режима обработки

а б

Рисунок 6 — а - участок эмиссионного спектра, служащий для контроля процесса сухой лазерной очистки растрированного вала, б - режимы сухой лазерной очистки. (Плотность мощности лазерного излучения: <7/=2-106 Вт/см2, <72=2,8-106 Вт/им2, <^=3,9-10б Вт/см2, 6,2-106 Вт/см2, ^=10' Вг/см2).

Таким образом, экспериментально доказано, что спектральный критерий позволяет точно выбирать диапазон рабочих плотностей мощности (в данном случае: соответствующий минимальному разрушению

поверхности при максимальной степени очистки.

В данном разделе также проведен анализ плазмы, возникающей при сухой лазерной очистке, исходя из условия локального термодинамического равновесия (ЛТР), по спектроскопическим данным рассчитаны температура и плотность частиц плазмы, так, при плотности мощности с/г-1 (У Вт/см2 значение температуры составляет Т=8393 К и плотность электронов яе~3,3-1018 см"3. На основе чего сделан вывод, что в случае появления плазмы очищаемого материала при сухой лазерной очистке, она не экранирует падающее излучение волоконного лазера.

В главе 4 описаны разработанные технологические процессы лазерной очистки поверхности промышленных объектов от ЛКП.

В параграфе 4.1 описана технология лазерной очистки растрированных полиграфических валов излучением импульсного волоконного лазера, проводится анализ поверхности вала, имеющей упорядоченную микроструктуру, как объекта очистки. В разделе приводятся кинематические параметры развертки лазерного луча при сканировании поверхности растрированного вала для реализации эффективной очистки. Наиболее существенным параметром развертки лазерного луча является коэффициент перекрытия, характеризующий пространственный интервал между лазерными импульсами, падающими на поверхность вала. Его выбор определяется оптическими свойствами краски, в разделе даны рекомендации по выбору данного коэффициента. В конце раздела показаны результаты очистки поверхности от различных красок, демонстрирующие высокую эффективность разработанной технологии.

Параграф 4.2 содержит описание технологии лазерной очистки бетонных поверхностей от радиоактивных ЛКП. Показано, что слой ЛКП толщиной 1"=~2 мм может быть удален с помощью двух проходов излучения импульсного волоконного лазера средней мощностью 20 Вт при различной скорости сканирования. В результате такого режима за первый проход происходит выгорание основного слоя ЛКП, а за второй — удаление оставшихся загрязнений за счет смешанного механизма абляции (испарительного и термомеханического). Для контроля процесса лазерной очистки бетонных поверхностей от ЛКП был выявлен спектральный критерий, на основе эмиссионного спектра чистой бетонной поверхности. Совместно с кафедрой радиационной технологии СПбГТИ (технический университет) были проведены эксперименты по удалению радиоактивных ЛКП покрытий, в результате которых показано, что даже при снятии половины толщины радиоактивного ЛКП может быть достигнута полная дезактивация поверхности.

Глава 5 посвящена описанию установки для лазерной очистки растрированных полиграфических валов. Приводится принципиальная схема

15

установки, даны основные характеристики и технико-эксплуатационные параметры. Общий вид установки представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 — ЗО-модель и экспериментальный образец установки для лазерной очистки

растрированных валов.

В качестве лазерного источника в установке используется импульсный волоконный лазер средней мощностью 20 Вт, что позволяет реализовать наиболее эффективные режимы очистки растрированных валов и безопасно удалять любые типы красок с растрированных валов, имеющих различную конфигурацию поверхности. Установка защищена патентом.

В заключении дано общее описание полученных результатов, научной новизны и актуальности работы.

Основные выводы и результаты диссертационной работы:

1. Изучено влияние процесса горения продуктов абляции в приповерхностной плазме на экранировку падающего излучения при сухой лазерной очистке, показано, что в определенном диапазоне плотностей мощности около половины лазерного излучения может быть поглощено плазмой продуктов очистки;

2. На основе тепловой модели абляции и феноменологической теории разрушения Журкова теоретически обосновано экспериментально наблюдаемое увеличение глубины абляции при влажной лазерной очистке поверхности от ЛКП;

3. Оптоакустическим методом исследован механизм влажной лазерной

очистки поверхности от ЛКП, исследовано влияние толщины слоя жидкости

16

на временную структуру оптоакустического отклика и величину давления, оказываемого на загрязнитель;

4. Экспериментально установлено, что зависимость давления абляции от плотности мощности в качественном отношении хорошо описывается аналитической моделью лазерно-индуцированных ударных волн в режиме с ограничивающей средой (модель R. Fabbro et al.);

5. Проведена высокоскоростная видеосъемка процесса влажной лазерной очистки, результаты которой сопоставлены с временной разверткой оптоакустического отклика, в результате чего установлено влияние динамики расширения плазменного факела и паровой полости, возникающей после затухания плазмы, на процесс очистки;

6. Экспериментально обнаружено явление выброса кумулятивной струи жидкости в определенных условиях влажной лазерной очистки, динамика данного явления изучена методом высокоскоростной видеосъемки;

7. Разработан и экспериментально подтвержден критерий выбора спектральных линий в спектре эмиссионной плазмы, возникающей при сухой лазерной очистке, данный критерий позволяет создать обратную связь процесса и контролировать степень очистки;

8. Разработана технология контролируемой лазерной очистки бетонных поверхностей от радиоактивных ЛКП;

9. Разработана технология и установка для лазерной очистки растрированных полиграфических валов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах По перечню ВАК:

1. Самохвалов A.A., Ярчук М.В. Лазерная очистка растрированных полиграфических валов. // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - Т. 54. - №2. -2011.-С. 56-61.

2. Самохвалов A.A., Вейко В.П. Лазерная очистка растрированных валов со спектральным контролем. // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - Т. 56. - №3. -2013.-С. 86-92.

3. Samokhvalov A. A., Veiko V.P., Ageev E.I. Laser cleaning of engraved rolls coupled with spectroscopic control // Journal Optics & Laser Technology. Elsevier. -Vol. 54.-2013.-P. 170-175. Другие публикации:

1. Самохвалов A.A., Ярчук М.В. Технология глубокой лазерной очистки анилоксовых валов. // Флексо Плюс. - №6 (78). -2010. - С. 42-46.

2. Самохвалов А.А. Лазерная очистка растрированных полиграфических валов // Материалы четвертого всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых / СПб: СПбГУП. -2010. - С. 20-22.

3. Самохвалов А.А. Лазерная атомно-эмиссионная спектроскопия для онлайн-контроля процесса лазерной очистки микрорельефных поверхностей // Сборник тезисов VIII всероссийской межвузовской конференции молодых ученых / СПб: СПбГУ ИТМО. - 2011. - Вып. 2. - С. 129.

4. Самохвалов А.А., Савич К.А. Методика ЛИЭС-контроля многоимпульсной лазерной очистки // Сборник докладов VI всероссийской школы для студентов, аспирантов, молодых специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям / Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ. - 2012. - С. 150154.

5. Самохвалов А.А. Метод лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии (ЛИЭС) для онлайн-контроля процесса лазерной очистки технологических поверхностей // VII международная конференция молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2011». СПб: СПбГУ ИТМО. - 2011. - С. 541-542.

6. Veiko V.P., Samokhvalov А.А., Mutin T.Y., Chirkov A.M., Smirnov V. N., Shakhno E. A. Shock laser cleaning and treatment of metal surfaces // Abstracts of 20th International Conference Advanced Laser Technologies (ALT-12). Thun, Switzerland. - 2012. - P. 47.

7. Veiko V.P., Samokhvalov A.A., Chirkov A.M., Smirnov V. N., Shakhno E. A. Shock laser cleaning associative machining of metal surfaces // Abstracts of VII International Conference «Beam technologies and laser application». Saint-Peterburg. - 2012. - P. 27-28.

8. Samokhvalov A.A., Veiko V.P., Parfenenkov I.V., Savich K.A. Investigation of optoacoustic response during wet laser cleaning // Abstracts of «International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-13)» St. Petersburg - 2013. - P.147.

9. Самохвалов A.A., Парфененков И.В., Савич K.A. Исследование оптоакустического отклика при влажной лазерной очистке И Сборник тезисов II Всероссийского конгресса молодых ученых. СПб: НИУ ИТМО. -2013.-С. 432.

Патенты:

1. №117854 «Устройство влажной лазерной очистки твердых поверхностей» действует от 10.01.2012г. МПК B41F 35/00 Самохвалов А.А., Ярчук М.В., Иванов А.И.

2. № 2468457 «Способ удаления радиоактивной пленки с поверхности объекта» действует от 03.08.2011г. МПК: G21F 9/00, В23К 26/00. Вейко В.П., Самохвалов А.А., Мутин Т.Ю., Шахно Е.А.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812) 233 46 69. Объём 1,0 у.пл. Тираж 100 экз.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукопишг^ Самохвалов Андрей Александрович

ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Специальность 05.27.03 - квантовая электроника

0420136251ф

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Вейко Вадим Павлович

Санкт-Петербург - 2013

Оглавление

Введение...................................................................................................3

Глава 1. Обзор литературы по лазерной очистке поверхности от

ЛКП.........................................................................................................11

Глава 2. Теоретические основы лазерной очистки...........................18

2.1 Основные механизмы лазерной очистки......................................18

2.2 Численное моделирование испарительного механизма сухой лазерной очистки с учетом поглощения излучения в продуктах абляции...................................................................................................22

2.3 Теоретический анализ влажной лазерной очистки поверхности

от ЛКП....................................................................................................36

Глава 3. Экспериментальные исследования механизмов лазерной очистки поверхности от ЛКП и возможностей контроля её результатов............................................................................................45

3.1 Оптоакустические исследования механизмов влажной лазерной очистки...................................................................................................45

3.2 Высокоскоростная видеосъемка процесса влажной лазерной очистки. Оптическая микроскопия результатов очистки.................58

3.3 Гидродинамические явления при влажной лазерной очистке. ..63

3.4 Использование метода лазерно-индуцированной эмиссионной

спектроскопии (ЛИЭС) для задач сухой лазерной очистки.............65

Глава 4. Лазерные технологии очистки в промышленности...........78

4.1 Технология процесса лазерной очистки растрированных полиграфических валов........................................................................78

4.2 Технология процесса лазерной очистки стен и сооружений от

радиоактивно загрязненных ЛКП.......................................................88

Глава 5. Установка для лазерной очистки полиграфических

растрированных валов..........................................................................97

Заключение..........................................................................................100

Литература...........................................................................................102

Введение.

Идея лазерной очистки пришла будущему нобелевскому лауреату Артуру Шавлову, который в 1965-м году провел эксперимент, в котором показал, что можно удалять краску с поверхности бумаги, не повреждая при этом бумагу. В том же году А.Шавлов получил патент на свое изобретение, назвав его «лазерный ластик». Всё это было сделано для того, чтобы развеять существующий тогда среди американского населения миф о том, что лазер имеет исключительно военное применение [1].

Далее в 1972-м году в Италии к американскому физику Джону Асмусу совершенно случайно обратился реставратор, который попросил придумать альтернативный способ очистки мрамора от глубоко въевшихся загрязнений. Сам Д.Асмус занимался голографией и в его распоряжении был мощный рубиновый лазер, с помощью которого он очистил фрагмент мраморной статуй [2]. Вернувшись в США, Д.Асмус занялся лазерной реставрацией и очисткой предметов искусства, на данный момент он возглавляет крупнейшую в мире фирму, проводящей лазерную реставрацию и очистку объектов культурного наследия.

В конце 80-х годов необходимость высокой чистоты поверхности возникла в интегральной технологии, где требовался безопасный метод удаления микрочастиц с кремниевых подложек. Первые эксперименты по лазерной очистке кремниевых подложек лазерами с различными длинами волн провел А.Там, сотрудник корпорации IBM. А.Там также показал эффективность технологии влажной лазерной очистки по сравнению с технологией сухой очистки: перед облучением загрязненного образца на него из паровой фазы осаждался тонкий слой жидкости, который препятствовал возникновению локальных разрушений и снижал энергетический порог лазерной очистки на 20-30% [3].

Но применение лазерных источников для очистки промышленных объектов считалось технологически и экономически целесообразным лишь в

отдельных, исключительных случаях. К тому же твердотельные Nd:YAG-

з

лазеры и мощные С02-лазеры имели низкие эксплуатационные показатели и трудно встраивались в технологический процесс.

Эта ситуация резко изменилась в 2001, когда российским ученым из МФТИ В. Гапонцевым было налажено производство волоконных иттербиевых лазеров, имеющих высокие эксплуатационные характеристики и высокий КПД.

Актуальность работы.

Таким образом, с начала XXI века началось активное внедрение лазерных технологий на основе волоконных лазеров в промышленность. На сегодняшний день в США, Германии, Франции, Голландии, России уже созданы первые фирмы, занимающиеся исключительно лазерной очисткой технологических поверхностей.

Из особенно актуальных направлений лазерной очистки промышленных объектов можно выделить очистку поверхностей деталей машин и конструкций от группы пленкообразующих материалов, т.е. от лакокрасочных покрытий (ЛКП), имеющих высокую адгезию к подложке. К таким задачам относятся: подготовительная операция очистки рабочей поверхности растрированных валов от ЛКП в полиграфической промышленности, удаление ЛКП при дезактивации помещений и сооружений в атомной энергетике, очистка от старого ЛКП при техническом обслуживании авиационного и железнодорожного транспорта и т.д., также имеется целый ряд специальных задач подобного рода.

Как правило, удаление ЛКП трудно подвергается автоматизации, а существующие методы очистки - механический, химический, ультразвуковой являются низко производительными, малоэффективными и требуют расходных материалов.

Существенным фактором при использовании традиционных методов удаления загрязнений является невозможность контроля результатов процесса очистки поверхности, что делает результат очистки

непредсказуемым и создает незапланированные простои оборудования в технологическом процессе.

Лазерная очистка выгодно отличается от традиционных методов тем,

что:

- не требует расходных материалов,

- производится дистанционно (волоконная доставка излучения),

- является экологически безопасной,

- в процессе отсутствуют изнашивающиеся элементы (срок службы волоконного лазера 50000 часов),

- результат и степень очистки можно контролировать (спектральным или оптоакустическим методом).

Таким образом, метод лазерной очистки является гибким, высокоэффективным методом и легко встраивается в технологический процесс.

Создание технологии лазерной очистки поверхности промышленных объектов от ЛКП является актуальной задачей, как с прикладной точки зрения, так и с исследовательской. Абляция органических или полимерных пленок (ЛКП) может происходить вследствие различных физических механизмов, поэтому для выбора оптимального режима лазерной очистки необходимо их изучение в широком диапазоне плотностей мощности лазерного излучения.

Целью диссертационной работы является разработка физико-технологических основ лазерной очистки поверхности промышленных объектов от лакокрасочных покрытий и загрязнений.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

- экспериментально и теоретически исследовать механизмы лазерной очистки поверхности от ЛКП;

- разработать критерии для контроля процесса лазерной очистки по оптическим спектрам эмиссионной плазмы;

5

- определить рабочие режимы лазерной очистки поверхности от ЛКП;

- разработать технологию и оборудование для лазерной очистки промышленных объектов.

Практическая ценность

Разработана технология и установка для лазерной очистки растрированных полиграфических валов.

Разработана технология контролируемой лазерной очистки промышленных объектов от лакокрасочных покрытий.

Разработана технология лазерной очистки поверхностей от радиоактивных лакокрасочных покрытий.

Научная новизна работы

1. Впервые проведено оптоакустическое исследование влажной лазерной очистки поверхности от ЛКП, изучено влияние толщины слоя жидкости на величину давления абляции и эффективность процесса очистки.

2. На основе тепловой модели испарения конденсированных тел и феноменологической теории разрушения полимеров академика Журкова объяснено экспериментально наблюдаемое увеличение глубины абляции при влажной лазерной очистке поверхности от ЛКП.

3. Экспериментально установлено, что характер роста давления абляции при влажной лазерной очистке в качественном отношении хорошо описывается аналитической моделью лазерно-индуцированных ударных волн в режиме абляции с ограничивающей средой.

4. Исследовано влияние процесса горения продуктов абляции в приповерхностной плазме на экранировку лазерного излучения при сухой лазерной очистке.

5. Предложен критерий выбора спектральных линий в оптическом спектре эмиссионной плазмы для контроля и создания обратной связи процесса сухой лазерной очистки.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Спектральный критерий контроля процесса лазерной очистки от лакокрасочных покрытий и загрязнений, основанный на появлении в эмиссионном спектре линий вещества основного материала, позволяет определять границы рабочих режимов лазерной очистки и объективно оценивать качество очистки поверхности, что было экспериментально доказано.

2. Определяющим в механизме влажной лазерной очистки от ЛКП являются свойства и характер расширения эмиссионной плазмы, зависящие от толщины слоя наносимой жидкости и определяющие интенсивность ударных волн, приводящих к увеличению эффективности процесса лазерной очистки, что было подтверждено экспериментально.

3. Выбор режимов лазерного воздействия между порогом начала удаления загрязнителя и порогом плавления основного материала подложки обеспечивает высокое качество и высокую производительность лазерной очистки микроструктурированной поверхности растрированных валов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: «International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-13)», St. Petersburg, 2013; II Всероссийский конгресс молодых ученых. Санкт-Петербург, 2013; 4th International Conference on Laser Peening and Related Phenomena, Madrid, Spain, 2013; 20th International Conference Advanced Laser Technologies (ALT-

12). Thun, Switzerland, 2012.; Всероссийская школа по лазерной физике и лазерным технологиям, Саров, 2012; VII международная конференция молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2011», Санкт-Петербург, 2011; VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, Санкт-Петербург, 2011; «International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-10)», St. Petersburg, 2010; Четвертый всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах», Санкт-Петербург, 2010.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

По перечню ВАК:

1. Самохвалов A.A., Ярчук М.В. Лазерная очистка растрированных полиграфических валов. // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - Т. 54. - №2. -2011.-С. 56-61.

2. Самохвалов A.A., Вейко В.П. Лазерная очистка растрированных валов со спектральным контролем. // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - Т. 56. - №3. -2013.-С. 86-92.

3. Samokhvalov A.A., Veiko V.P., Ageev E.I. Laser cleaning of engraved rolls coupled with spectroscopic control // Journal Optics & Laser Technology. Elsevier. - Vol. 54. - 2013. - P. 170-175.

Другие публикации:

1. Самохвалов A.A., Ярчук M.B. Технология глубокой лазерной очистки анилоксовых валов. // Флексо Плюс. - №6 (78). - 2010. - С. 42-46.

2. Самохвалов A.A. Лазерная очистка растрированных полиграфических валов // Материалы четвертого всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых / СПб: СПбГУП. -2010. - С. 20-22.

3. Самохвалов A.A. Лазерная атомно-эмиссионная спектроскопия для онлайн-контроля процесса лазерной очистки микрорельефных поверхностей // Сборник тезисов VIII всероссийской межвузовской конференции молодых

ученых / СПб: СПбГУ ИТМО. - 2011. - Вып. 2. - С. 129.

8

4. Самохвалов А. А., Савич К. А. Методика ЛИЭС-контроля многоимпульсной лазерной очистки // Сборник докладов VI всероссийской школы для студентов, аспирантов, молодых специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям / Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ. - 2012. - С. 150154.

5. Самохвалов А.А. Метод лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии (ЛИЭС) для онлайн-контроля процесса лазерной очистки технологических поверхностей // VII международная конференция молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2011». СПб: СПбГУ ИТМО. - 2011. - С. 541-542.

6. Veiko V.P., Samokhvalov А.А., Mutin T.Y., Chirkov A.M., Smirnov V. N., Shakhno E. A. Shock laser cleaning and treatment of metal surfaces // Abstracts of 20th International Conference Advanced Laser Technologies (ALT-12). Thun, Switzerland. - 2012. - P. 47.

7. Veiko V.P., Samokhvalov A.A., Chirkov A.M., Smirnov V. N„ Shakhno E. A. Shock laser cleaning associative machining of metal surfaces // Abstracts of VII International Conference «Beam technologies and laser application». Saint-Peterburg. - 2012. - P. 27-28.

8. Samokhvalov A.A., Veiko V.P., Parfenenkov I.V., Savich K.A. Investigation of optoacoustic response during wet laser cleaning // Abstracts of «International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-13)» St. Petersburg - 2013. - P.147.

9. Самохвалов A.A., Парфененков И.В., Савич K.A. Исследование оптоакустического отклика при влажной лазерной очистке // Сборник тезисов II Всероссийского конгресса молодых ученых. СПб: НИУ ИТМО. -2013.-С. 432.

Патенты:

1. №117854 «Устройство влажной лазерной очистки твердых поверхностей» действует от 10.01.2012г. МПК B41F 35/00 Самохвалов А.А., Ярчук М.В., Иванов А.И.

2. № 2468457 «Способ удаления радиоактивной пленки с поверхности объекта» действует от 03.08.2011г. МПК: G21F 9/00, В23К 26/00. Вейко В.П., Самохвалов A.A., Мутин Т.Ю., Шахно Е.А.

Реализация результатов работы

Частично работа выполнялась в рамках следующих грантов и государственных контрактов:

- «У.М.Н.И.К.» «Разработка метода лазерной очистки растрированиях полиграфических валов» в 2010-2012 годах;

- «ОПТЭК» (Carl Zeiss) «Лазерная очистка анилоксовых валов» в 2012 году;

- ГК № 14.В37.21.0144 «Создание научных и технических основ интеллектуальной технологии лазерной очистки и дезактивации радиационно-загрязненных поверхностей конструкций и сооружений» в 2012-2013 годах.

- Стипендия Президента РФ в 2012-2013 годах.

Результаты работы использованы в деятельности МИП ООО «ЛазерЪ», где при активном участии автора создана установка и технология лазерной очистки растрированных полиграфических валов.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Материалы изложены на 107 страницах, включая 50 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 60 наименований на 6 страницах.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, были получены автором или при его непосредственном участии.

Глава 1. Обзор литературы по лазерной очистке поверхности отЛКП.

За последние десять лет число исследовательских проектов лазерной очистки промышленных объектов резко возросло, что обусловлено как требованиями производства, так и появлением волоконных лазеров на рынке, а также удешевлением С02-лазеров.

Преимущества лазерной очистки от ЛКП, по сравнению с традиционными методами были показаны на различных промышленных и гражданских объектах.

Например, в работе [4] показана эффективность лазерной очистки щелевым С02-лазером морских судов и шельфовой техники (выполняющей работы в прибрежной зоне) от старых ЛКП, толщина которых составляет от 50 до 500 мкм. По сравнению с традиционным для данной техники пескоструйным методом, имеющим ряд недостатков: шум, взрывоопасность, загрязнение окружающей среды частицами пыли, сильные повреждения металла, лазерным методом удалось эффективно удалить слой краски толщиной 500 мкм без нагарообразования (образования аморфного углерода) и перегрева металлической поверхности. Максимальная плотность мощности излучения С02-лазера при этом составила 3-104 Вт/см2.

В статье [5] была показана возможность эффективного удаления ЛКП излучением твердотельного лазера, генерирующего на второй гармонике, с поверхности латунных деталей, при этом результат и степень очистки оценивались методом лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (ЛИЭС), а также методом инфракрасной Фурье-спектроскопии. Длительность лазерного импульса составляла 5 не, энергия в импульсе равнялась 7 мДж.

В работах [6,7,8] рассматривалась очистка крупногабаритных

металлоконструкций от старой краски и ржавчины на примере очистки

железнодорожных вагонов. Привычный подход к лазерной очистке в данном

случае нерентабелен из-за чрезвычайно толстого слоя краски. Поэтому

п

вместо метода очистки по слоям был предложен метод очистки двумя лазерными системами - непрерывной и импульсной. Мощное непрерывное излучение волоконного лазера (средняя мощность 700 Вт) разрушало лакокрасочный слой, то есть изменяло адгезионные и аутогезионные свойства краски. Затем с помощью маломощного волоконного импульсного лазера (средняя мощность 10 Вт) производилась окончательная очистка (рис. 1.1). Производительность процесса оказалась