Способ очистки поверхности материалов и устройство для его осуществления

 

Использование: технология очистки поверхности. Сущность изобретения: пиковую мощность лазерного источника света регулируют в диапазоне 17 -50 МВт, длительность импульсов последнего изменяют в интервале значений от 10 до 30 нс, а диаметр пучка света лазерного источника света на очищаемую поверхность выбирают из условия получения на данной поверхности плотности пиковой мощности в диапазоне значений 22-53 МВт/см². Устройство содержит механический комплект, лазер, блок питания, корпус, лазерные пучки, оптические волокна, ручную деталь, оптическое средство для рекомбинации лазерных пучков, оптическое средство регулирования диаметра. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу очистки поверхности материалов, в частности таких, как камень, стекло, сталь, керамика, дерево, бумага или картон, и к устройству для осуществления этого способа с использованием импульсного лазера с короткими импульсами, пучок которого фокусируют на очищаемую поверхность.

Известен способ очистки поверхности материалов, где на нее воздействуют лазерным источником света.

Также известно устройство для очистки поверхности, содержащее лазер с блоком питания.

Недостатком известных способа и устройства является невысокая эффективность очистки.

Целью изобретения является устранение данного недостатка.

Цель в части способа достигается тем, что регулируют пиковую мощность лазерного источника света в диапазоне 17-50 МВт, длительность импульсов последнего изменяют в интервале значений от 10 нс до 30 нс, а диаметр пучка света лазерного источника на очищаемую поверхность выбирают из условия получения на данной поверхности плотности пиковой мощности в диапазоне значений 22 63 МВт/см², а также тем, что в качестве источника лазерного света используют лазер с переменной или согласованной частотой излучения, длину волны которой регулируют в непрерывном или дискретном режимах.

На фиг. 1 показано устройство для осуществления способа согласно изобретению, которое может применяться, например, для очистки исторических памятников; на фиг. 2 вид в плане ручной детали устройства; на фиг.3 принципиальная оптическая схема системы оптического разделения лазерного пучка в устройстве.

В устройстве, которое реализует способ, используется лазер с твердой усиливающей средой типа кристалла или иттриево-алюминиевого граната типа YAG-лазера на неодиме, работающий с модуляцией добротности и подающий, следовательно, импульсы, длительность которых может изменяться от 10 до 30 нс. Для создания условий работы согласно способу изобретения энергия импульса максимально равна примерно 500 мДж, а средний диаметр пучка, поступающего из указанного лазера, образует диаметр менее 10 мм на очищаемой поверхности.

Такой лазер имеет уменьшенные габариты порядка 1 м³, что является преимуществом для его транспортировки, а его питание энергией обычно обеспечивается от одного распределительного щита эквивалентных размеров. Потребление энергии составляет примерно 4 кВт в 1 ч в вышеуказанных условиях и с выбором частоты повторения импульсов, равной 30 Гц. Это позволяет соединять устройство с переносным блоком питания, в частности, который может использоваться на рабочей площадке при очистке предметов или сооружений, находящихся в загрязненной среде, таких, как статуи, исторические памятники иди другие предметы древности. Может предусматриваться очистка других более бытовых сооружений, но остается доказать ее экономический интерес.

Выбор рабочей частоты лазера не имеет очень большого значения, но после исследований, выполненных в лабораторных условиях и на рабочей площадке, кажется, что частота, равная нескольким десяткам герц, позволяет получать наилучшие результаты: действительно этот частотный диапазон удовлетворительно пригоден для частного осуществления способа согласно изобретению, нижеприведенное описание которого показывает неограниченный пример относительно очистки сооружения во внешней среде.

Так, например, согласно фиг.1 оператору поручается перемещение места фокусировки лазерного пучка на очищаемой поверхности предпочтительно с автоматизированным смещением типа оптической развертки, которая могла бы вызвать ряд повторяющихся дефектов вследствие пространственной неоднородности энергии в сечении лазерного пучка даже после его фокусировки на очищаемой поверхности. Однако отмечено, что автоматизированное смещение полезно в других областях применения способа согласно изобретению, в частности в промышленном контексте.

Устройство согласно изобретению по фиг.1,2 и 3 приспособлено к надежному и эффективному использованию в ручном режиме и оно содержит, с одной стороны, механический комплект 1, содержащий лазер 2 и его блок 3 питания, с другой стороны, корпус 4, размещенный на траектории лазерного пучка 5, поступающего от указанного механического комплекта 1, и содержащий оптическую систему, предназначенную для разделения лазерного пучка 5 на несколько других лазерных пучков 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f и 5g, энергетически примерно равных между собой, причем указанные лазерные пучки 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f и 5g направляются в этом случае через комплект оптических волокон 6 к ручной детали 7, содержащей оптическое средство 8 для рекомбинации лазерных пучков 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f и 5g в один единый лазерный пучок 9 и оптическое средство 10 регулирования диаметра 11 указанного рекомбинированного лазерного пучка 9, причем это второе средство 10 образовано, например, афокальной оптической схемой 12, при этом указанная ручная деталь 7 имеет адекватный размер для легкого манипулирования оператором, осуществляющим очистку очищаемой поверхности.

Таким образом, значительно повышается эффективность этой очистки, в обычных условиях очистки исторических памятников из камня имеется возможность полной реставрации поверхности в один квадратный метр за 1 ч, причем эту производительность следует сравнить с современной производительностью механических способов выброса порошкообразного кремнезема, максимально равной одному квадратному метру в день.

Важным признаком устройства осуществления способа согласно изобретению является выбор оптических волокон 6, которые передают лазерные пучки 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f и 5g к ручной детали 7. Этот выбор тесно связан с выбором длительности лазерных импульсов, передаваемых по этим оптическим волокнам 6, фактически существует максимальный порог передачи в режиме "пиковой мощности" одного лазерного пучка для каждого типа волокон. Этим объясняется роль оптической системы разделения лазерного пучка 5 на несколько других пучков 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, и 5g.

Предпочтительно оптические волокна, использованные для направления лазерных пучков 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f и 5g к ручной детали 7, имеют сердцевину ид двуокиси кремния и оболочку из двуокиси кремния или из твердого силикона. Этот выбор является единственно возможным в современных условиях наличия оптических волокон, по меньшей мере, что касается передачи пучков, имеющих большую пиковую мощность.

Отмечено также, что выбирают длину оптических волокон примерно 30 м, что позволяет оператору работать на достаточном расстоянии от стационарных элементов устройства, осуществляющего способ согласно изобретению.

Наконец, предусматривается механическая защита оптических волокон посредством усиленной наружной оболочки 13, что позволяет использовать устройство на рабочей площадке. На фиг.2 показана струя 14 текучего агента.

Кроме того, необходимо защитить все устройство от пыли, появляющейся в результате лазерной очистки, так, например вблизи очищаемой поверхности, то есть примерно на расстоянии в 20 см выходная оптическая сторона 15 ручной детали 7 подвергается воздействию пыли, поступающей в результате распыления поверхностного слоя загрязнения, находящегося на камне. Предусматривается непрерывное или дискретное удаление пыли с этой оптической стороны 15 путем размещения внутри или снаружи ручной детали 7 устройства, подающего струю 14 текучего агента, преимущественно воздуха. Это устройство питается от компрессора, причем связь компрессора с устройством подачи струи 14 преимущественно может обеспечиваться через трубу, защищенную оболочкой 13 усиления волокон 6.

Кроме того, корпус 4, содержащий оптическую систему разделения лазерного пучка 5 на несколько пучков 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f и 5g, предпочтительно является герметичным корпусом, в котором создается вакуум, это расположение позволяет эффективно защищать от пыли оптические элементы системы разделения пучка. Кроме того, он позволяет исключить пробои пыли на траектории указанного лазерного пучка 5.

Наконец, отмечают роль оптического средства 10 регулирования диаметра 11 рекомбинированного лазерного пучка 9, которое находится в корпусе ручной детали 7. Это оптическое средство 10, образованное, например, афокальной оптической схемой 12, содержащей одну собирающую линзу и одну рассеивающую линзу, позволяет, исходя из имеющейся одной и той же энергии лазерного пучка 9, получать переменную плотность пиковой мощности. Таким образом, оператор имеет возможность изменять эффективность очистки в зависимости от уровня загрязнения, который он отмечает на очищаемой поверхности, увеличивая диаметр 11 посредством наклона оптического средства 10, он непосредственно изменяет эту эффективность очистки.

Согласно изобретению в устройстве, реализующем способ, используется лазер на красителе или лазер с твердой усиливающей средой типа лазера на сапфире с титаном или на александрите. Такие лазеры являются лазерами с изменяемой или pегулируемой частотой. Обычно лазер на красителе излучает в видимом спектре, от 500 до 720 нм в зависимости от использованного красителя, лазеры на сапфире с титаном излучают в диапазоне длины волны от 700 до 1100 нм. В соединении с удвоителем частоты, например типа хорошо известного удвоителя с использованием явления оптического двойного лучепреломления в материале посредством электрического поля, можно иметь переменный диапазон длины волны от 350 до 550 нм. Таким образом, можно, следовательно, после предварительного изучения соответствующих спектров поглощения очищаемого материала и загрязняющего материала, образующего слой на его поверхности, выбирать и регулировать длину волны передачи регулируемого лазера, использованного в целях получения оптимальных условий очистки, то есть сочетать наилучшую эффективность поглощения загрязняющего материала, не отказываясь от достаточно короткой длительности импульса, способной генерировать явление ударной волны, являющееся признаком способа изобретения.

Таким образом, можно использовать лазер на красителе в режиме свободной генерации, подающий в этом случае импульсы в несколько микросекунд, или с модуляцией добротности, причем в этом случае длительность импульсов составляет несколько наносекунд. Зато в случае лазеров с твердой усиливающей средой уже упомянутого типа длительность импульсов изменяется от 1 до 3 мкс в режиме свободной генерации и составляет несколько десятков наносекунд с модуляцией добротности (длительность, которую можно сравнить с длительностью импульса, подаваемого нерегулируемым лазером с твердой усиливающей средой типа ИАГ-лазера, работающего в том же режиме).

Использование лазера с переменной или регулируемой частотой особенно интересно в случае, когда смешиваются спектры поглощения очищаемого нижележащего материала и загрязняющего материала, покрывающего его поверхность. В этой ситуации действительно существует опасность нарушения нижележащего материала, что создает трудноразрешимые проблемы, если не предусмотреть условия работы лазера, способные подавать импульсы, вызывающие ограниченный тепловой эффект на глубину их проникновения в ходе их взаимодействия с очищаемой поверхностью. Используя перестраиваемый лазер, всегда можно найти рабочий диапазон длины волны, выходящий за спектр поглощения нижележащего материала, при этом длина волны этого диапазона служит либо с начала обработки, если она правильно поглощается загрязняющим материалом, либо постепенно или полностью по мере улетучивания загрязненного поверхностного слоя. В этом последнем случае адекватное устройство контроля с обратной связью или без нее позволяет осуществлять это изменение длины волны лазерного пучка.

Частное использование перестраиваемого лазера для осуществления способа согласно настоящему изобретению заключается в очистке трубчатых изделий в промышленном производстве, либо в ходе их изготовления, либо с целью их очистки после использования. В этих специфических условиях использование перестраиваемого лазера не ограничено и доказано, что YAG-лазер, работающий с модуляцией добротности в уже упомянутых условиях, также пригоден для работы. Кроме того, оказывается интересным использование лазеров, которые излучают в ультрафиолетовом режиме, в частности, вследствие обычно стекловидной структуры загрязняющего материала, подлежащего удалению с поверхности трубчатых изделий, согласно ниже приведенному описанию.

Здесь речь идет об очистке, обезжиривании или в более общем плане об удалении смазывающих продуктов, таких как плавкое стекло или смазка, находящихся внутри или снаружи трубчатых изделий, поступающих, например, из фильеры или из оправки, затем расширенных или уменьшенных с помощью обычных известных средств. При их выходе из устройства формования, то есть из устройства ковки, трубы или трубчатые изделия поступают очень загрязненными, так как при их выполнении используются смазки. До настоящего времени известно удаление с трубчатых изделий смазочного покрытия посредством химических и/или механических средств типа внутренней и/или наружной дробеструйной обработки, такая операция необходима для некоторых последующих специфических обработок.

Согласно предлагаемому изобретению смазывающий слой и слой остаточных окислов, имеющихся после ковки трубчатого изделия, удаляют посредством лазерного пучка, обрабатывающего по меньшей мере одну из внутренних или наружных поверхностей, при этом использующийся для этой цели лазер обладает всеми характеристиками, необходимыми для получения на поверхности твердого нижележащего материала, например, из стали ударной волны, отделяющей указанные слои, причем указанный лазер является перестраиваемым или неперестраиваемым лазером, что касается его частоты излучения.

Таким же образом после установки в промышленной атмосфере трубы, загрязненной отложениями или подверженной агрессивным условиях использования, например, на теплоэлектростанциях, можно очищать эту трубу таким же способом. В этом случае осуществление изобретения требует подачи лазерного пучка в выбранную зону взаимодействия, и в этом случае понятны все преимущества подачи этого пучка с помощью по меньшей мере одного оптического волокна в соответствии с вышеописанными в тексте сведениями согласно настоящему изобретению. В этой связи следует отметить, что использование перестраиваемого лазера может значительно упростить осуществление способа очистки. Действительно, учитывая, что в этом случае можно получить наилучшее соответствие между длиной волны использующегося лазера и соответствующими спектрами поглощения очищаемого нижележащего материала и загрязняющего материала, покрывающего его поверхность, можно использовать лазер с наименьшими затратами энергии, что облегчает передачу энергии по оптическим волокнам, и даже использовать только одно оптическое волокно или же еще использовать другой тип волокна, отличный от волокна из кремнезема или из твердого силикона.

Использование изобретения позволяет повысить эффективность очистки.

Формула изобретения

1. Способ очистки поверхности материалов путем воздействия на нее лазерным источником света, отличающийся тем, что пиковую мощность лазерного источника света регулируют в диапазоне 17 50 МВт, длительность импульсов последнего изменяют в интервале значений от 10 до 30 нс, а диаметр пучка света лазерного источника света на очищаемую поверхность выбирают из условия получения на данной поверхности плоскости пиковой мощности в диапазоне значений 22 63 МВт/см².

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве лазерного источника используют лазер с переменной или согласованной частотой излучения, длинну волны которого регулируют в непрерывном или дискретном режиме.

3. Устройство для очистки поверхности материалов, содержащее лазер с блоком питания, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно установленными оптической системой разделения основного лазерного пучка света на энергетически равные лазерные пучки света, оптическими волокнами, оптическим средством для рекомбинации лазерных пучков света и обтическим регулятором диаметра рекомбинированного лазерного пучка света, выполненным по афокальной оптической схеме.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что оптическая система разделения основного лазерного пучка света на энергетически равные лазерные пучки света размещена в герметичном корпусе в условиях ваакума.

5. Устройство по п. 3, отличающийся тем, что лазер выполнен в виде лазера на красителе.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что лазер выполнен по схеме лазера с твердой усиливающей средой, функционирующего в режиме переменной или согласованной частоты излучения.

7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что лазер выполнен по схеме лазера с твердой усиливающей средой типа кристалла или иттриево-алюминиевого граната типа УА G-лазера на ниодиме.

8. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что лазер выполнен на эксимерах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3