Вопросы возможности применения лазерной очистки деталей оборудования, ремонтируемого на судоремонтных предприятиях

Основная проблема заключается в том, что не всегда в процессе эксплуатации техники используются наиболее эффективные средства снижения износа, учитывающие конкретные условия работы. Это касается большинства сфер деятельности человека, в том числе и использование плавучих сооружений предназначенных для транспортных, промысловых, военных и других целей. По этой причине технически развитые страны несут большие материальные затраты, связанные с ремонтом.
Для решения данной проблемы судоремонтные предприятия в современных условиях внедряют в технологический процесс инновационные решения и преобразования. Из-за развития судов нового поколения возникает необходимость не только обновления, но и постоянного развития судоремонтной индустрии.
Ключевые слова: судоремонт, инновационные методы, лазерная очистка.
На сегодняшний день развитие отраслей промышленности, например атомной или космической, без использования современных инновационных технологий, такие как лазерные. Не является исключением судостроение и судоремонт.
Технологии «горячей» обработки материалов все больше развиваются, а иногда и вытесняют классические методы любой другой обработки в машиностроении - лазерное резка и фрезерование, лазерное полирование, лазерная очистка поверхности, лазерная токарная обработка, лазерная резка вместо вырубки, высечки и т. д.
В судоремонте возможны несколько вариантов организации работ по очистке поверхностей, при этом выбор конкретного варианта распределяется как основными направлениями деятельности предприятия, так и его производственной программой. В настоящее время в судоремонте нашли применение разнообразные способы очистки металлопроката корпусных конструкций: абразивоструйная, дробеметная, гидравлическая, термическая, очистка сухим льдом, химические способы очистки, очистка механизированным инструментом, лазерная очистка [1].
Технология лазерной очистки является бесконтактным, безабразивным, высокопроизводительным и экологически чистым способом очистки поверхностей перед проведением различных технологических операций, в том числе покраски, нанесения защитных покрытий, сварки и т. д. Применение лазерной очистки ограничивалось недостаточной надежностью и высокой стоимостью лазеров. С появлением волоконных лазеров ситуация изменилась, так как срок службы, надежность, высокий коэффициент полезного действия, стабильность параметров и удобство использования окупают издержки на их приобретение и эксплуатацию [2].
Основными перспективами применения лазерных технологий очистки таковы, что данная технология позволяет снизить затраты и повысить эффективность на судоремонтных предприятиях. В данном случаи лазер удаляет все наросты, при этом не наносит вреда корпусу судна. При этом появляется еще некий ряд преимуществ, а именно значительная экономия топлива, в частности из-за того, что шероховатость днища уменьшает скорость судна до 30%, увеличивая тем самым расход топлива, и сопутствующие выбросы СО2 в атмосферу.
Физические процессы, происходящие при лазерной очистки поверхности, отличаются большим разнообразием и зависят от плотности мощности лазерного излучения на поверхности.
Процессы лазерного нагревания, испарения и абляции материала с образованием плазмы, а также быстрое тепловое расширение и возникновение ударных волн лежат в основе механизмов лазерной очистки, в то время как свечение плазмы и акустический сигнал в воздухе могут быть использованы для контроля режимов и степени очистки. Таким образом, для очистки представляет интерес весь спектр процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом, причем не только на воздухе, но и в жидкой среде, где зачастую процессы удаления загрязнений идут гораздо более эффективно и при меньших мощностях излучения.
Основные механизмы лазерной очистки:
Испарительные механизмы лазерной очистки. Исторически первоначально использовались преимущественно испарительные механизмы лазерной очистки поверхности, когда плотность мощности излучения превышает значение, при котором начинается испарение загрязняющих веществ с поверхности.
Распространение света в веществе, как правило, описывается законом Бугера-Ламберта-Бэра:
q(x)=q0*(1-R)*exp(-αx) (1),
где q0 – плотность мощности излучения, падающего на поверхность материала, q(x) – плотность мощности излучения на глубине х, R- коэффициент отражения вещества, α – показатель поглощения вещества.
Ударно-механическая лазерная очистка. Во многих случаях лазерной очистки для уменьшения теплового воздействия на поверхностный слой основного материала используются доиспарительные режимы лазерной очистки. При этом очистка поверхности твердого тела от пленок, также как и от загрязняющих частиц, проводится в низкоэнергетических режимах, чтобы предотвратить разрушение поверхностных слоев или возникновение в них нежелательных физических и химических изменений. В этих условиях наиболее вероятными физическими механизмами очистки являются ударно-механические, связанные с быстрым тепловым расширением загрязняющих частиц, пленок или поверхностных слоев основного материала при поглощении лазерного излучения и возникновением вследствие этого ударной волны в материале (и в воздухе), а также взрывным удалением имеющихся газов и образующихся паров.
Сухая лазерная очистка начинается с быстрого теплового расширения приповерхностного слоя основного материала и удаляемого загрязнения под действием коротких импульсов лазерного излучения, которое приводит к возникновению механических напряжений в загрязняющем слое и инерционной силы при прекращении импульса.
Влажная лазерная очистка. При влажной лазерной очистке поверхность перед обработкой покрывают тонким слоем жидкости и задача состоит в испарении слоя жидкости (напомним, что для испарения водных растворов их достаточно нагреть всего до 1000С или немного выше), кипение которого разрушает и выносит загрязнения. При импульсном воздействии излучения после прекращения импульса энергетическая подпитка паровых пузырьков прекращается, вследствие теплопроводности в окружающую их жидкость они уменьшаются в размере и схлопываются. Совокупное схлопывание (сброс давления) - коллапс пузырьков приводит к возникновению ударной волны в жидкости, которая, распространяясь вглубь материала, вызывает разрушение загрязняющего слоя и выброс жидкости и образующихся продуктов очистки. [3]
Основное применение лазерной очистки:
Очистка поверхности металла от точечной коррозии, от ржавчины, обезжиривание.
Подготовка ответственных деталей к дефектоскопии.
Очистка вращающегося оборудования.
Подготовка к нанесению покрытий.
Снятие покрытий и обезжиривание.
Очистка пресс форм.
Дезактивация радицонно загрязненных поверхностей.
Общая характеристика оборудования:
В промышленных целях используются: установки различной мощности: 50, 100, 500, 1000 Вт. Системы с мощностью 500 и 1000 Вт имеют очень высокую производительность: ~10–40 м2/час. Для локальной очистки достаточно 100 Вт. При этом установки могут быть в компактном или мобильных исполнениях корпуса. Данные системы также имеют высокую производительность ~5–10 м2/час. Длина оптоволоконного кабеля может быть до 3–10 м.
Таблица 1 – сравнение процессов
Тип процесса Взаимодействие с основой Безопасность и экология Автоматизация
Механическим инструментом Не подходит для очистки деликатных поверхностей. Не точная очистка. Средний объем загрязнений, в процессе очистки. Для работы оператор работает с инструментом и есть необходимость в средствах защиты. Низкая – Средняя. Ручная обработка
Химическая очистка Не повреждает Большой объем загрязнений (опасные расстворители), требующий специальной утилизации. Оператору требуются средства защиты. Низкая - Средняя
Термохимическая очистка Неэффективна для очистки деликатных поверхностей. Средний объем загрязнений. Работа с открытым огнем(в некоторых случаях), требуется защита.
Оператору требуется средства защиты. Высокая. Ручная обработка
Пескоструйная обработка Высокая абразивность, не подходит для очистки деликатных поверхностей Большой объем загрязнений (песок, пластиковые гранулы и т.п.).
Оператор в большинстве случаев не взаимодействует в процессе. Средняя - Высокая
Очистка сухим льдом Неэффективна для очистки деликатных поверхностей Очень шумная. Опасные испарения.
Оператору требуется полная защита. Низкая. Ручная обработка.
Лазерная очистка Не повреждает Низкий объем выбросов (только удаляемый материал).
Оператор имеет небольшие риски, требуется защита глаз и частично тела. Высокая
Принцип работы лазерной очистки поверхности.
Практически все технологии лазерной очистки основываются на импульсном лазерном излучении, при этом значения выходной мощности, длины волны излучения и параметров самого импульса могут значительно отличаться. Воздействующая энергия приводит к взрыву загрязнения, часть которого испаряется, а остатки рассеиваются в виде пыли, и могут быть удалены системой фильтрации. Этот процесс повторяется до достижения необходимой глубины снятия. Лазерное излучение поглощается органическими материалами, такими как краска, изоляция или резина. Металлические поверхности, такие как формообразующая для покрышки или медная жила, отражают лазерное излучение. В результате на подложку не оказывается механического, химического или теплового воздействия.
Глубина абляции может контролироваться с точностью до 5-10 мкм, что делает возможным выборочное удаление покрытий. Это особенно важно, если необходимо удалить только часть из многослойной окраски, удалив верхний слой, без повреждения подложки.
Рисунок 1 – процесс лазерной очистки
Существует целый ряд импульсных лазеров на YAG:Nd, CO2 и диодные. Для очистки поверхности доказывают свою эффективность CO2-TEA лазеры, и до сегодняшнего дня большинство установок по лазерной очистки строится на их основе.
В заключение хотел бы подметить, что из-за многообразия задач и деталей установки имеется множество инновационных способов очистки, но из-за разных характеристик они имеют свои плюсы и минусы. В данной работе мы отдали предпочтение лазерной очистки. Необходимо отметить, что основными плюсами лазерной очистки являются технологические, а именно лазерный пучок не тупится, не изнашивается , не загрязняется (засоряется, засаливается и т.д.), что позволяет обеспечить высокое технологическое преимущество процесса лазерной очистки, нежели у его конкурентов. Из-за этого лазерная очистка имеет перспективу на будущее развитие не только в промышленной сфере деятельности, но и в научной.
Список литература:
Технология очистки и окраски корпусов судов / А.А. Васильев, В.М. Левшаков, Н.П. Маслова, С.В. Морозов. – СПб.: ЦТСС, 2015. - 269 с.
Перспективы индустриальных применений лазерной очистки материалов / В.П. Вейко, А.А. Кишалов, Т.Ю. Мутин, В.Н. Смирнов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 3 (79) [Электронный ресурс]. - URL: https://cyberleninka.ru/ article/n/perspektivy-industrialnyh-primeneniy-lazernoy-ochistki-materialov.
Лекция по возможностям лазерной очистки [Электронный ресурс]. - URL: https://books.ifmo.ru/file/pdf/1001.pdf