إن التصنيع المتطور والحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات لديهم حاجة ملحة بشكل متزايد للعمليات المتقدمة. فيما يتعلق بالمعالجة السطحية الصناعية، هناك حاجة ملحة لترقية شاملة للتكنولوجيا والعمليات. عمليات التنظيف الصناعية التقليدية، مثل التنظيف بالاحتكاك الميكانيكي، والتنظيف بالتآكل الكيميائي، والتنظيف بالصدمات القوية، والتنظيف بالموجات فوق الصوتية عالية التردد، ليس لها دورات تنظيف طويلة فحسب، بل يصعب تشغيلها تلقائيًا، ولها آثار ضارة على البيئة، وتفشل في تحقيق الهدف. تأثير التنظيف المطلوب. لا يمكنها تلبية احتياجات المعالجة الدقيقة.
ومع ذلك، مع التناقضات البارزة بشكل متزايد بين حماية البيئة والكفاءة العالية والدقة العالية، تواجه طرق التنظيف الصناعية التقليدية تحديًا كبيرًا. وفي الوقت نفسه، ظهرت تقنيات تنظيف مختلفة تساعد على حماية البيئة ومناسبة للأجزاء في مجال التشطيب الفائق، وتعد تكنولوجيا التنظيف بالليزر واحدة منها.
مفهوم التنظيف بالليزر
التنظيف بالليزر هو تقنية تستخدم الليزر المركز للعمل على سطح المادة لتبخير أو تقشير الملوثات الموجودة على السطح بسرعة، وذلك لتنظيف سطح المادة. بالمقارنة مع مختلف طرق التنظيف الفيزيائية أو الكيميائية التقليدية، يتميز التنظيف بالليزر بخصائص عدم الاتصال، وعدم وجود مواد استهلاكية، وعدم التلوث، والدقة العالية، وعدم وجود ضرر أو ضرر صغير، وهو خيار مثالي لجيل جديد من تكنولوجيا التنظيف الصناعي.
مبدأ عمل آلة التنظيف بالليزر
مبدأآلة التنظيف بالليزرأكثر تعقيدا، ويمكن أن تشمل كلا من العمليات الفيزيائية والكيميائية. وفي كثير من الحالات تكون العمليات الفيزيائية هي العملية الرئيسية، مصحوبة ببعض التفاعلات الكيميائية. يمكن تصنيف العمليات الرئيسية إلى ثلاث فئات، بما في ذلك عملية التغويز، وعملية الصدمة، وعملية التذبذب.
عملية التغويز
عندما يتم تشعيع الليزر عالي الطاقة على سطح المادة، يمتص السطح طاقة الليزر ويحولها إلى طاقة داخلية، بحيث ترتفع درجة حرارة السطح بسرعة وتصل إلى أعلى من درجة حرارة تبخر المادة، بحيث تكون الملوثات ينفصل عن سطح المادة على شكل بخار. يحدث التبخير الانتقائي عادةً عندما يكون معدل امتصاص ضوء الليزر بواسطة الملوثات السطحية أعلى بكثير من معدل امتصاص الركيزة. حالة التطبيق النموذجية هي تنظيف الأوساخ على الأسطح الحجرية. كما هو موضح في الشكل أدناه، فإن الملوثات الموجودة على سطح الحجر لها امتصاص قوي لليزر وتتبخر بسرعة. عندما تتم إزالة الملوثات وتشعيع الليزر على سطح الحجر، يكون الامتصاص ضعيفًا، وتنتشر المزيد من طاقة الليزر على سطح الحجر، ويكون التغير في درجة حرارة سطح الحجر صغيرًا، ويكون سطح الحجر محميًا من التلف.
تحدث عملية كيميائية نموذجية عندما يتم استخدام الليزر في النطاق فوق البنفسجي لتنظيف الملوثات العضوية، وهو ما يسمى الاستئصال بالليزر. تتميز أشعة الليزر فوق البنفسجية بأطوال موجية قصيرة وطاقة فوتون عالية. على سبيل المثال، ليزر الإكسيمر KrF له طول موجي يبلغ 248 نانومتر وطاقة فوتون تصل إلى 5 فولت، وهو أعلى 40 مرة من طاقة فوتون ليزر ثاني أكسيد الكربون (0.12 فولت). طاقة الفوتون العالية هذه كافية لتدمير الروابط الجزيئية للمادة العضوية، بحيث يتم كسر CC وCH وCO وما إلى ذلك في الملوثات العضوية بعد امتصاص طاقة الفوتون بالليزر، مما يؤدي إلى تغويز الانحلال الحراري وإزالتها من السطح.
عملية الصدمة
عملية الصدمة هي عبارة عن سلسلة من التفاعلات التي تحدث أثناء التفاعل بين الليزر والمادة، ومن ثم تتكون موجة صدمة على سطح المادة. تحت تأثير موجة الصدمة، تتفكك الملوثات السطحية وتتحول إلى غبار أو حطام مقشر من السطح. هناك العديد من الآليات التي تسبب موجات الصدمة، بما في ذلك البلازما والبخار والتمدد والانكماش الحراري السريع. باستخدام موجات صدمة البلازما كمثال، من الممكن أن نفهم بإيجاز كيف تقوم عملية الصدمة في التنظيف بالليزر بإزالة الملوثات السطحية. مع تطبيق عرض النبضة القصيرة جدًا (ns) وأشعة الليزر ذات الطاقة العالية جدًا (107-1010 واط / سم 2)، ستظل درجة حرارة السطح ترتفع بشكل حاد حتى لو كان السطح يمتص الليزر بخفة، ويصل إلى درجة حرارة التبخر على الفور. أعلاه يتشكل البخار فوق سطح المادة، كما هو موضح في (أ) في الشكل التالي. يمكن أن تصل درجة حرارة البخار إلى 104 – 105 كلفن، والتي يمكن أن تؤين البخار نفسه أو الهواء المحيط لتكوين البلازما. ستمنع البلازما الليزر من الوصول إلى سطح المادة، وقد يتوقف تبخر سطح المادة، لكن البلازما ستستمر في امتصاص طاقة الليزر، وستستمر درجة الحرارة في الارتفاع، لتشكل حالة موضعية من درجة حرارة عالية جدًا وضغط مرتفع، مما ينتج عنه لحظيًا 1-100 كيلو بار على سطح المادة. وينتقل التأثير تدريجياً إلى داخل المادة، كما هو موضح في الشكلين (ب) و(ج) أدناه. تحت تأثير موجة الصدمة، يتم تقسيم الملوثات السطحية إلى غبار صغير أو جزيئات أو شظايا. عندما يتم نقل الليزر بعيدا عن موضع التشعيع، تختفي البلازما ويتولد ضغط سلبي محليا، وتتم إزالة جزيئات أو حطام الملوثات من السطح، كما هو مبين في الشكل (د) أدناه.
عملية التذبذب
تحت تأثير النبضات القصيرة، تكون عمليات التسخين والتبريد للمادة سريعة للغاية. نظرًا لأن المواد المختلفة لها معاملات تمدد حراري مختلفة، تحت إشعاع الليزر قصير النبض، فإن الملوثات السطحية والركيزة ستخضع لتمدد حراري عالي التردد وانكماش بدرجات مختلفة، مما يؤدي إلى التذبذب، مما يتسبب في تقشر الملوثات من سطح المادة. المادة. أثناء عملية التقشير هذه، قد لا يحدث تبخر للمادة، وقد لا يتم إنتاج البلازما. وبدلاً من ذلك، فإن قوة القص المتكونة عند السطح البيني بين المادة الملوثة والركيزة تحت تأثير التذبذب تدمر الرابطة بين المادة الملوثة والركيزة. . أظهرت الدراسات أنه عندما يتم زيادة زاوية سقوط الليزر قليلاً، يمكن زيادة الاتصال بين الليزر وتلوث الجسيمات وواجهة الركيزة، ويمكن تقليل عتبة التنظيف بالليزر، ويكون تأثير التذبذب أكثر وضوحًا، ويكون تأثير التذبذب أكثر وضوحًا. كفاءة التنظيف أعلى. ومع ذلك، لا ينبغي أن تكون زاوية الحادث كبيرة جدا. ستؤدي زاوية الحادث الكبيرة جدًا إلى تقليل كثافة الطاقة المؤثرة على سطح المادة وإضعاف قدرة الليزر على التنظيف.
التطبيقات الصناعية لمنظفات الليزر
صناعة القالب
يمكن للمنظف بالليزر تحقيق تنظيف القالب بدون تلامس، وهو آمن جدًا لسطح القالب، ويمكنه ضمان دقته، ويمكنه تنظيف جزيئات الأوساخ التي يقل حجمها عن الميكرون والتي لا يمكن إزالتها بطرق التنظيف التقليدية، وذلك لتحقيق تنظيف خالٍ من التلوث وفعال وعالي الجودة.
صناعة الأدوات الدقيقة
غالبًا ما تحتاج صناعة الآلات الدقيقة إلى إزالة الإسترات والزيوت المعدنية المستخدمة في التشحيم ومقاومة التآكل من الأجزاء، عادةً كيميائيًا، وغالبًا ما يترك التنظيف الكيميائي بقايا. يمكن لعملية إزالة الأسترة بالليزر إزالة الإسترات والزيوت المعدنية بالكامل دون الإضرار بسطح الأجزاء. يعزز الليزر التغويز المتفجر لطبقة الأكسيد الرقيقة على سطح الجزء لتكوين موجة صدمية، مما يؤدي إلى إزالة الملوثات بدلاً من التفاعل الميكانيكي.
صناعة السكك الحديدية
في الوقت الحاضر، تعتمد جميع عمليات التنظيف المسبق للقضبان على تنظيف نوع طحن عجلة الطحن والحزام الكاشطة، مما يسبب أضرارًا جسيمة للركيزة وإجهادًا متبقيًا خطيرًا، ويستهلك الكثير من المواد الاستهلاكية لعجلة الطحن كل عام، وهو أمر مكلف ويسبب خطورة تلوث الغبار بالبيئة. يمكن أن يوفر التنظيف بالليزر تكنولوجيا تنظيف خضراء عالية الجودة وفعالة لإنتاج مد خطوط السكك الحديدية عالية السرعة في بلدي، وحل المشكلات المذكورة أعلاه، والقضاء على عيوب اللحام مثل فتحات السكك الحديدية غير الملحومة والبقع الرمادية، وتحسين استقرار وسلامة السكك الحديدية العالية في بلدي - تشغيل السكك الحديدية السريعة.
صناعة الطيران
يجب إعادة طلاء سطح الطائرة بعد فترة زمنية معينة، ولكن يجب إزالة الطلاء القديم الأصلي بالكامل قبل الطلاء. النقع/المسح الكيميائي هو الطريقة الرئيسية لتجريد الطلاء في مجال الطيران. تؤدي هذه الطريقة إلى كمية كبيرة من النفايات الكيميائية المساعدة، ومن المستحيل تحقيق الصيانة المحلية وتجريد الطلاء. هذه العملية تمثل عبء عمل ثقيل وتضر بالصحة. يتيح التنظيف بالليزر إزالة الطلاء على أسطح الطائرات بجودة عالية ويمكن إنتاجه آليًا بسهولة. في الوقت الحاضر، تم تطبيق تكنولوجيا التنظيف بالليزر لصيانة بعض النماذج المتطورة.
صناعة السفن
في الوقت الحاضر، يعتمد تنظيف السفن قبل الإنتاج بشكل أساسي على طريقة التفجير بالرمل. تسببت طريقة التفجير بالرمال في تلوث غباري خطير للبيئة المحيطة وتم حظرها تدريجياً، مما أدى إلى انخفاض أو حتى تعليق الإنتاج من قبل الشركات المصنعة للسفن. ستوفر تقنية التنظيف بالليزر حل تنظيف أخضر وخالي من التلوث للرش المضاد للتآكل على أسطح السفن.
الأسلحة
تم استخدام تقنية التنظيف بالليزر على نطاق واسع في صيانة الأسلحة. يمكن لنظام التنظيف بالليزر إزالة الصدأ والملوثات بكفاءة وسرعة، ويمكنه تحديد جزء التنظيف لتحقيق أتمتة التنظيف. باستخدام التنظيف بالليزر، لا تكون النظافة أعلى من عملية التنظيف الكيميائي فحسب، بل لا تسبب أي ضرر تقريبًا لسطح الجسم. من خلال تحديد معلمات مختلفة، يمكن لآلة التنظيف بالليزر أيضًا تشكيل طبقة واقية كثيفة من الأكسيد أو طبقة صهر معدنية على سطح الأجسام المعدنية لتحسين قوة السطح ومقاومة التآكل. النفايات التي يتم إزالتها بواسطة الليزر لا تلوث البيئة بشكل أساسي، ويمكن أيضًا تشغيلها على مسافة طويلة، مما يقلل بشكل فعال من الضرر الذي يلحق بصحة المشغل.
المبنى الخارجي
يتم بناء المزيد والمزيد من ناطحات السحاب، وأصبحت مشكلة تنظيف بناء الجدران الخارجية بارزة بشكل متزايد. يقوم نظام التنظيف بالليزر بتنظيف الجدران الخارجية للمباني بشكل جيد من خلال الألياف الضوئية. يمكن للمحلول الذي يبلغ طوله الأقصى 70 مترًا أن ينظف بشكل فعال الملوثات المختلفة الموجودة على مختلف الحجارة والمعادن والزجاج، كما أن كفاءته أعلى بكثير من التنظيف التقليدي. ويمكنه أيضًا إزالة البقع السوداء والبقع من الحجارة المختلفة في المباني. أظهر اختبار التنظيف لنظام التنظيف بالليزر على المباني والآثار الحجرية أن التنظيف بالليزر له تأثير جيد على حماية مظهر المباني القديمة.
صناعة الإلكترونيات
تستخدم صناعة الإلكترونيات الليزر لإزالة الأكاسيد: تتطلب صناعة الإلكترونيات إزالة التلوث بدقة عالية، وإزالة الأكسدة بالليزر مناسبة بشكل خاص. يجب إزالة الأكسدة من دبابيس المكونات تمامًا قبل لحام اللوحة لضمان الاتصال الكهربائي الأمثل ويجب عدم إتلاف المسامير أثناء عملية إزالة التلوث. التنظيف بالليزر يمكن أن يلبي متطلبات الاستخدام، والكفاءة عالية جدًا، ويلزم تشعيع ليزر واحد فقط لكل إبرة.
محطة الطاقة النووية
كما تستخدم أنظمة التنظيف بالليزر في تنظيف أنابيب المفاعلات في محطات الطاقة النووية. ويستخدم الألياف الضوئية لإدخال شعاع ليزر عالي الطاقة إلى المفاعل لإزالة الغبار المشع مباشرة، كما أن المادة النظيفة سهلة التنظيف. ولأنه يتم تشغيله عن بعد، يمكن ضمان سلامة الموظفين.
ملخص
لقد أصبحت الصناعة التحويلية المتقدمة اليوم هي قمة المنافسة الدولية. باعتبارها نظامًا متقدمًا في التصنيع بالليزر، فإن آلة التنظيف بالليزر لديها إمكانات كبيرة لقيمة التطبيق في التنمية الصناعية. إن التطوير القوي لتكنولوجيا التنظيف بالليزر له أهمية استراتيجية مهمة للغاية للتنمية الاقتصادية والاجتماعية.