Лазерная очистка металла: особенности и сравнение с другими методами обработки

Лазерная очистка металла — бесконтактный способ удаления ржавчины, оксидов, окалины, лакокрасочных покрытий, нагара, масел и других поверхностных загрязнений с помощью лазерного излучения. Технология позволяет точно контролировать зону обработки, не требует абразивных материалов или химических реагентов и подходит для автоматизации. При этом выбор между лазерной, пескоструйной, химической и другими способами очистки зависит от материала, типа загрязнения, площади обработки и требований к поверхности после очистки.

Для чего нужна очистка металла?

В процессе производства и эксплуатации поверхность металла может покрываться ржавчиной, оксидными и масляными пленками, нагаром и прочими загрязнениями. Эта проблема частично решается использованием нержавеющих марок стали и специальных покрытий. Однако, эти материалы тоже со временем загрязняются, кроме этого, они стоят достаточно дорого — не везде можно применять. Поэтому металлические поверхности нуждаются в периодической очистке для восстановления эксплуатационных свойств.  

Важный момент — эта технологическая операция нужна не только для удаления загрязнений. Ее активно используют для снятия старого покрытия, подготовки поверхности к полировке и другим видам обработки. Кроме этого, регулярная очистка продлевает срок службы металлических изделий, так как помогает избавиться от ржавчины и химических загрязнений. 

Существует много способов очистки металла: абразивный, дробеметный и дробеструйный, химический, пескоструйный, углекислотный и лазерный. Далее мы сравним эти технологии, разберем их плюсы и минусы.

Абразивная очистка

Всем известная обработка поверхности наждачной бумагой и абразивным кругом. Суть заключается в механическом удалении загрязнений с помощью абразивных частиц различной фракции — от 4 мкм до 1 мм. Такой способ относительно дешев, прост в применении и не требует наличия сложного оборудования. На этом его достоинства заканчиваются и начинаются недостатки:

• большое количество пыли, которая забивается в мелкие щели и зазоры — детали нуждаются в дополнительной очистке после обработки;

• сложность автоматизации и связанные с этим значительные трудозатраты;

• сложно выполнить прецизионную обработку — потребуется много времени и жесткий контроль за процессом;

• требуются расходники, при этом качественный абразив мелкой фракции не такой уж дешевый;

• высокий уровень шума. 

Как видно, у этого метода много существенных недостатков, поэтому он используется для обработки малоответственных деталей. То есть там, где не требуется высокое качество поверхности. В настоящее время почти вытеснен из крупного производства другими, более прогрессивными методами. 

Дробеметная

Этот способ считается разновидностью абразивной очистки. Принцип работы довольно простой — в специальную камеру помещается деталь, которую нужно очистить и затем в нее подается дробь механическим способом — с помощью турбины. Получившаяся воздушно-абразивная струя снимает ржавчину, старую краску, окалину и другие подобные загрязнения с поверхности металла. 

Преимущества метода:

• высокая степень автоматизации;

• быстрая очистка и отличная производительность;

• улучшение адгезионных свойств поверхности — лакокрасочные и защитные покрытия ложатся лучше и держатся дольше;

• экономичность — дробь можно использовать повторно.

К недостаткам метода можно отнести ограничение размера деталей — они должны помещаться в камеру дробеметной установки. По этой причине способ используется для обработки сравнительно небольших деталей: поковок, отливок, профилей, труб, листов и тому подобных изделий. То есть, очистить с его помощью, например, каркас автомобильных весов или товарный вагон не получится. Еще один минус — невозможность удалить загрязнения из труднодоступных мест, таких как пазы или полости внутри деталей.   

Дробеструйная

Метод отчасти похож на предыдущий, но здесь дробь подается с помощью сжатого воздуха под большим давлением. Благодаря этому установка буквально «сдирает» старые покрытия, ржавчину, окалину, полимеризованные масла, остатки формовочных смесей. Главное преимущество этого вида обработки — возможность использования для больших площадей и крупногабаритных изделий. Также у него есть и другие существенные плюсы:

• равномерность очистки — не оставляет «островков» загрязнений;

• шероховатость поверхности дает лучшее сцепление с лакокрасочными и защитными покрытиями;

• изделия служат дольше благодаря поверхностному упрочнению металла после обработки;

• можно очищать труднодоступные места и внутреннюю поверхность деталей, например, труб и емкостей.

У этого способа есть и минусы. Главный недостаток — подходит в основном для крупногабаритных конструкций. Кроме этого, дробеструйная очистка требует строгого соблюдения техники безопасности и отличается средней производительностью из-за низкой автоматизации процесса. 

Пескоструйная

Метод также считается подвидом абразивного, только в качестве «чистящего средства» используется песок. Материал подается с помощью сжатого воздуха под повышенным давлением, в результате загрязнения удаляются механическим способом. Основные преимущества технологии:  

• доступность — песок стоит недорого и его можно приобретать в больших объемах;

• высокая скорость очистки;

• простота конструкции и низкая стоимость обслуживания пескоструйных аппаратов;

• не требует больших физических затрат от оператора;

• удобство применения, существуют как стационарные, так и ручные модели;

• подходит для очистки крупногабаритных конструкций. 

К минусам относится невозможность прецизионной обработки и большое количество грязного песка после завершения очистки. Пескоструйные установки также отличаются сравнительно низкой степенью автоматизации. Кроме этого, они не подходят для очистки твердосплавных и ценных изделий. 

Углекислотная (криобластинг)

В углекислотных аппаратах в качестве абразива используются кристаллы сухого льда. По твердости он практически не уступает водяному, но гораздо удобнее в применении. Дело в том, что гранулы твердого СО2 быстро превращаются в газ после обработки, не оставляя после себя большого количества отходов. Кроме этого, качество очистки у таких аппаратов выше, чем у пескоструйных за счет микровзрывов, которые возникают при сублимации сухого льда. напомним, что углекислый газ при переходе из одного агрегатного состояния в другое способен расширяться примерно в 750-800 раз. 

Но у этой технологии также есть недостатки:

• повышенные требования к технике безопасности — работать можно только в проветриваемых помещениях, нельзя касаться сухого льда руками без перчаток, так как он может вызвать обморожение уже через несколько секунд;

• после обработки на поверхности металла остаются мелкие выбоины из-за микровзрывов сублимированного газа;

• оборудование стоит достаточно дорого, так как в его конструкцию входит компрессор высокого давления, осушитель воздуха, иногда с холодильником, а также бак со сжиженным углекислым газом.

Несмотря на все эти недостатки криобластинг активно применяется для очистки котлов и турбин (отсутствие статического электричества), в пищевой и автомобильной промышленности. 

Химическая

Эффективный метод, особенно когда нужно удалить сложные загрязнения в труднодоступных местах. Способ выглядит на первый взгляд несложным: детали погружаются в ванну со специальным раствором и спустя определенное время извлекаются оттуда уже чистыми.

Однако, не все так просто. На первый взгляд эффективная, химическая очистка имеет существенные недостатки, которые ограничивают ее применение. Итак, минусы:

• необходимость в собственной лаборатории для разработки и контроля химических составов, а их тысячи рецептур;

• высокая агрессивность растворов, которая требует соблюдения строгих мер безопасности;

• сложности с утилизацией отходов. 

По причине повышенной опасности химический метод очистки металлов используется в основном для решения сложных производственных задач. Например, для удаления толстого слоя ржавчины с детали сложной формы или загрязнений, устойчивых к другим способам.

Лазерная очистка металла

Лазерная очистка основана на контролируемом воздействии лазерного излучения на загрязненный поверхностный слой. Энергия луча вызывает его нагрев, разрушение, отслаивание или испарение. Этот процесс часто называют лазерной абляцией. Параметры обработки подбирают под материал основы и характер загрязнения, чтобы удалить нежелательный слой при минимальном воздействии на металл.

Лазером можно удалять ржавчину и другие продукты коррозии, оксидные пленки, окалину, лакокрасочные покрытия, масла, нагар и технологические загрязнения. Метод применяется для очистки стали, нержавеющей стали, алюминия и других металлических сплавов, но конкретный режим зависит от свойств материала и покрытия.

Основные преимущества лазерной очистки:

— бесконтактное воздействие;
— возможность локальной обработки;
— отсутствие абразивных и химических расходных материалов;
— высокая повторяемость при правильно настроенном процессе;
— возможность очистки деталей сложной формы;
— автоматизация и роботизация процесса.

При этом технология имеет ограничения. Производительность зависит от площади поверхности, вида и толщины загрязнения, мощности оборудования и режима обработки. При толстых покрытиях, сильной коррозии или очистке больших площадей другой метод может оказаться производительнее или экономически целесообразнее.

Удаленное загрязнение также не исчезает полностью: при обработке образуются частицы и аэрозоли, поэтому на производстве необходимо предусматривать их отвод и фильтрацию. При работе с промышленным лазерным оборудованием соблюдают требования лазерной безопасности и допускают к нему обученный персонал.

Отдельно хотелось бы поговорить про виды лазерных аппаратов для очистки металлов. Их два: импульсные и CW (непрерывные). 

Импульсные аппараты

Эти установки генерируют сверхкороткие лазерные импульсы заданной частоты и ширины, которую можно контролировать в достаточно широком диапазоне. Отличается высокой точностью обработки и минимальным нагревом, за счет этого подходит для деликатных изделий, которые плохо переносят любые воздействия. С помощью импульсного лазера можно удалять точечные загрязнения микроскопических размеров. 

Благодаря такой точности и высокой степени контроля установки этого типа идеально подходят для прецизионной обработки дорогостоящих изделий в следующих отраслях:

• Медицинской. Очистка паровых и химических стерилизаторов, а также установок, которые постоянно контактируют с растворами солей и других химических элементов, образующих стойкий осадок. 

• Фармацевтической. Импульсные лазеры эффективно удаляют стойкие загрязнения и твердые осадки со стенок реакционных емкостей, сосудов для хранения растворов, миксеров, инструментов, форм и конвейерных лент. 

• Электронной. С помощью импульсного лазера производится микрообработка плат, очистка контактов, колодок, вилок, снятие изоляции с кабелей и других подобных изделий. 

• Реставрации исторических ценностей. Благодаря высокой точности импульса, такие установки широко применяются для удаления загрязнений с древних изделий: монет, ювелирных украшений, скульптур. 

Недостаток таких машин — высокая цена. Однако, она полностью окупается безопасностью, точностью и низкими эксплуатационными затратами импульсных установок. 

Непрерывные CW-лазеры

В отличие от импульсных, эти установки генерируют непрерывный лазерный луч. Благодаря этому они подходят для удаления стойких загрязнений на поверхности большой площади. Например, непрерывные лазеры используются для очистки крупных металлоконструкций, гребных винтов, турбин, трубопроводов большого диаметра и тому подобных изделий. К их главным преимуществам относятся:

• способность быстро снять толстый слой загрязнений, таких как ржавчина, отложения полимеризованных нефтепродуктов и масел;

• экологическая безопасность — никаких агрессивных химических веществ;

• не нужны расходные материалы и комплектующие для обслуживания лазерной установки. 

Лазерные установки непрерывного действия часто используются в судо- и автомобилестроении, авиационной, нефтехимической и газовой промышленности. Кроме этого, их можно применять для очистки железнодорожных путей от ржавчины, форм для производства шин и удаления граффити со зданий и асфальтовых покрытий. 

Но здесь также не обошлось без минусов:

• малоэффективны в обработке неметаллических материалов.

Несмотря на это, CW-лазеры остаются востребованными в отраслях, где необходима очистка поверхностей большой площади. Кроме этого, они стоят дешевле импульсных. 

С методами очистки металлов разобрались и если ваш выбор - метод с использованием CW-лазера, то какое оборудование лучше приобрести? Мы рекомендуем волоконные установки лазерной очистки Senfeng, о которых расскажем подробнее.

Лазерная очистка или пескоструй: что выбрать

Лазерную и пескоструйную очистку некорректно сравнивать только по скорости или стоимости оборудования: технологии решают разные производственные задачи.

Лазерная очистка рациональна, когда важны точность, повторяемость, локальная обработка, отсутствие абразива и возможность автоматизации. Пескоструйная обработка может быть выгоднее для больших площадей, выраженной коррозии и случаев, когда после очистки необходимо сформировать шероховатость поверхности.

Последнее особенно важно при подготовке металла под лакокрасочные и антикоррозионные покрытия: чистая поверхность не всегда означает, что она полностью подготовлена под конкретную систему покрытия. Требования к степени очистки и профилю поверхности нужно учитывать вместе с технологией последующей обработки.

Оборудование для лазерной очистки от компании «Технограв»

Серия HC

Серия HC — передвижные установки непрерывной лазерной очистки Senfeng. В актуальной линейке представлены модели мощностью 1,5, 2, 3 и 6 кВт. Они применяются для удаления ржавчины, окалины, лакокрасочных и защитных покрытий, технологических загрязнений, а также для подготовки поверхности перед сваркой и очистки сварных соединений.

Преимущества аппаратов серии HC:

• установки передвижные, можно перемещать в любое удобное для их габаритов место;

• ширина рабочей зоны 1-20 мм х 1-100 мм;

• высокая скорость очистки — до 13000 мм/сек; 

• контроль качества очистки в реальном времени;

• удаление загрязнений с деталей сложных форм и в труднодоступных местах;

• подходят для очистки не только металла, но и камня;

• простое управление. 

Передвижные аппараты для лазерной очистки применяются в мелкосерийном производстве, небольших и средних мастерских, СТО, ремонтных базах и на средних промышленных предприятиях. Это удобные и экономичные аппараты, которые не требуют сложного технического обслуживания и расходных материалов. 

Серия HCR

Линейка промышленных роботов, предназначенных для очистки любых металлических поверхностей от практически всех видов загрязнений. Конструкция устройств представляет собой вертикальную многошарнирную «роборуку». Благодаря наличию шести степеней свободы робот может обрабатывать сложные 3D-изделия с большим количеством изгибов и рифленой поверхностью.

Другие особенности серии HCR:

• полностью автоматизированный процесс очистки;

• высокая скорость работы;

• мощность от 1,5 до 3 кВт;

• водяное охлаждение;

• большая рабочая зона — 1800 × 3200 мм;

• отсутствие потерь мощности за счет применения иттербиевого волоконного лазера;

• отсутствие механических воздействий на обрабатываемую поверхность.

Роботизированные станции применяются на средних и крупных промышленных предприятиях. Особенно эффективны в потоковом производстве, где они значительно снижают трудозатраты персонала и повышают в разы эффективность производства.

Заключение

Лазерная очистка металла особенно эффективна там, где важны точность, повторяемость, отсутствие абразивных расходников и возможность автоматизации процесса. При этом она не заменяет все остальные способы обработки: для больших площадей, толстых покрытий или формирования выраженной шероховатости поверхности рациональнее могут быть абразивоструйные и другие технологии.

Поэтому при выборе оборудования важно учитывать не только мощность лазера, но и материал изделия, характер загрязнений, площадь обработки, требуемую производительность и последующую технологическую операцию. Специалисты «Технограв» подбирают установки Senfeng с учетом конкретных задач производства.