Способ лазерной очистки поверхности



Способ лазерной очистки поверхности
Способ лазерной очистки поверхности
Способ лазерной очистки поверхности
Способ лазерной очистки поверхности

 


Владельцы патента RU 2538161:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (RU)

Способ может быть использован при удалении различного рода загрязнений с поверхности промышленных и технологических объектов. Проводят сканирование в многоимпульсном режиме сформированным пучком лазерного излучения по корродированной поверхности объекта в несколько проходов. Регистрируют в непрерывном режиме спектр плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнений. В полученном спектре плазмы для очищаемой поверхности и/или для загрязнителя регистрируют линии железа и линии кислорода. Измеряют значения интенсивностей указанных спектральных линий и вычисляют отношение интенсивностей спектральной линии кислорода к спектральной линии железа. При значении величины отношения интенсивностей выбранных спектральных линий больше 0,5 мощность пучка лазерного излучения уменьшают, а при значении меньше 0,5 поверхность считают очищенной. Способ обеспечивает повышение производительности, контролируемости и управляемости процесса очистки, а также безопасности процесса лазерного удаления поверхностных загрязнений. 4 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано при удалении различного рода загрязнений с поверхности промышленных и технологических объектов.

Известен способ удаления оксидных пленок (Pat. № RU 2112078 (С1), Device for removal of oxide film from material surface, Slipchenko N.N., Mikhajlenko S.A, Krymskij M.I., МПК В23К 26/14; C23F4/00; (IPC1-7): В23К 26/14; C23F 4/00, publ. 27.05.98), заключающийся в определении относительного содержания с помощью спектрального датчика оксида металла, содержащегося в плазменном факеле, который возникает при обработке поверхности лазерным излучением, выход датчика электрически соединен с устройством, передвигающим очищаемую подложку, и высоковольтным выходом электрооптического модулятора добротности лазера, оптическое устройство для фокусировки излучения представляет собой вогнутое сферическое зеркало, соосно расположенное с лазерным лучом, диаметр центрального отверстия сферического зеркала превышает апертуру лазерного луча, устройство, реализующее предлагаемый способ, также содержит отражающий конус, вершина которого расположена в отверстии сферического зеркала. Предложенный способ обладает невысоким быстродействием, что обусловлено медленной работой оптической системы, также отсутствует критерий определения количества оксида в плазме для контроля процесса очистки с помощью спектрального датчика.

Известен также способ сухой лазерной очистки (Pat. № KR 20050048026 20050603, МПК H01L 21/3065, Dry cleaning system using a laser, Lee Jong Myoung [KR], appl. 07.12.2006), в котором используется устройство, генерирующее лазерный пучок на приспособление для его передачи от источника излучения к системе сканирования, которая осуществляет позиционирование лазерного пучка на очищаемой поверхности. В данном способе отсутствует система контроля процесса удаления загрязнений, что делает результат лазерной очистки непредсказуемым.

Наиболее близким по физической сущности и принятым в качестве прототипа является способ (J. Cult. Heritage I (2000) S215-S220 Controlled laser cleaning of painted artworks using accurate beam manipulation and on-line LIBS-detection J.H. Scholten, J.M. Teulea, V. Zafiropulos, R.M.A. Heeren), использующий эксимерный лазер, излучение которого передается к объекту очистки с помощью зеркал, находящихся в «оптической руке», представляющей собой мехатронный модуль, осуществляющий сканирование всей поверхности объекта и содержащий оптическое волокно, по которому к спектрографу передается излучение плазмы, возникающей при воздействии лазерного излучения на очищаемый объект. Регистрация спектра осуществляется после каждого лазерного импульса с определенной временной задержкой, необходимой для высвечивания фона плазмы, что уменьшает скорость очистки в целом и затрудняет применение для очистки режима многоимпульсного лазерного воздействия, наиболее актуального для технологических целей.

Решается задача устранения визуального контроля результата лазерной очистки поверхности, что повышает эффективность и безопасность процесса лазерного удаления поверхностных загрязнений за счет повышения производительности, контролируемости и управляемости процесса очистки.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе очистки корродированной стальной поверхности, включающем формирование пучка лазерного излучения, сканирование сформированным пучком по корродированной поверхности объекта в несколько проходов и регистрацию спектра плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнений, при этом сканирование поверхности осуществляют в многоимпульсном режиме, а регистрацию спектра плазмы осуществляют в непрерывном режиме, при этом в полученном спектре плазмы для очищаемой поверхности и/или для загрязнителя регистрируют линии железа и линии кислорода, измеряют значения интенсивностей указанных спектральных линий и вычисляют отношение интенсивностей спектральной линии кислорода к спектральной линии железа, причем при значении величины отношения интенсивностей выбранных спектральных линий больше 0,5 мощность пучка лазерного излучения уменьшают, а при значении отношения интенсивностей выбранных спектральных линий меньше 0,5 поверхность считают очищенной.

Использование ЛИЭС в режиме непрерывной регистрации и применение критерия выбора спектральных линии для контроля процесса лазерной очистки, описанного выше, дает возможность объективно оценивать степень удаления загрязнений и минимизировать возможные разрушения очищаемой поверхности, что позволяет повысить эффективность и безопасность процесса очистки. Отношение интенсивностей спектральных линий является универсальным критерием для контроля процесса лазерной очистки, позволяющим полностью автоматизировать данную технологию, при этом устраняется операция визуальной оценки степени очистки, требующая значительного времени и вызывающая простой в технологическом процессе. Кроме того, описываемый способ позволяет сделать режим многоимпульсной лазерной очистки управляемым, что повышает производительность технологии, по крайней мере, на порядок. Указанные выше преимущества снижают затраты, связанные с неконтролируемостью процесса лазерной очистки.

Предлагаемый способ поясняется фиг. 1, где представлены спектральные линии кислорода при девяти проходах лазерного пучка, фиг. 2, где получен эмиссионный спектр железа при девяти проходах лазерного пучка, фиг. 3, где составлено отношение интенсивностей линии кислорода (588,46 нм) к линии железа (558,61 нм), и фиг. 4, где представлена схема процесса лазерной очистки со спектральным контролем, в которой лазерный источник 1 генерирует импульсное лазерное излучение на сканирующие зеркала с гальваническим приводом 2, управляемые с помощью драйвера 3 через управляющий компьютер 4 и осуществляющие развертку лазерного луча, фокусируемого объективом 5 на удаляемом слое загрязнителя 6, при удалении слоя 6 возникает плазменный факел 7, излучение которого через коллиматор 8 по оптическому волокну 9 регистрируется спектрометром 10 и поступают на управляющий компьютер 4, осуществляющий вычисление отношения интенсивностей спектральных линий и регулирующий мощность лазера 1 в соответствии с вычисленным отношением.

Экспериментально был подтвержден предлагаемый способ лазерной очистки. В качестве образца была взята сильно корродированная стальная пластинка (марка стали - Сталь 45). В эксперименте использовался волоконный лазер ИЛМИ-50 (IPG-Photonics) со следующими параметрами: средняя мощность 50 Вт, частота следования импульсов 50-100 кГц, энергия в импульсе 1 мДж, длина волны излучения 1,06 мкм. Сканирование поверхности образца лазерным пучком осуществлялась с помощью гальванического сканатора; спектр возникающей при обработке плазмы записывался в режиме высокоскоростного считывания данных волоконным спектрометром LIBS-2500 (OceanOptics), выходная оптическая система которого была установлена в области свечения плазменного факела. Для фокусировки лазерного излучения использовался объектив с фокусным расстоянием 300 мм, диаметр лазерного пятна на очищаемой поверхности составлял 200 мкм.

В результате эксперимента были получены эмиссионные спектры, представленные на фиг.1, 2, в которых были зарегистрированы линии железа (558,16 нм, 561,49 нм) и линии кислорода (588,86 нм и 589,46 нм), с уменьшением интенсивности которых слой коррозии становился меньше.

После девятого прохода лазерного излучения поверхность стальной пластинки была очищена до блеска. В итоге было составлено отношение интенсивностей спектральной линии кислорода (588,46 нм) к спектральной линии железа (558,61 нм) (фиг.3), из которого следует, что поверхность можно считать очищенной, когда отношение обозначенных выше спектральных линии становится <0,5.

На основании вышеизложенного заявленная совокупность признаков позволяет решить задачу повышения эффективности и безопасности процесса лазерного удаления поверхностных загрязнений.

Способ очистки корродированной стальной поверхности, включающий формирование пучка лазерного излучения, сканирование сформированным пучком по корродированной поверхности объекта в несколько проходов и регистрацию спектра плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнений, отличающийся тем, что сканирование поверхности осуществляют в многоимпульсном режиме, а регистрацию спектра плазмы осуществляют в непрерывном режиме, при этом в полученном спектре плазмы для очищаемой поверхности и/или для загрязнителя регистрируют линии железа и линии кислорода, измеряют значения интенсивностей указанных спектральных линий и вычисляют отношение интенсивностей спектральной линии кислорода к спектральной линии железа, причем при значении величины отношения интенсивностей выбранных спектральных линий больше 0,5 мощность пучка лазерного излучения уменьшают, а при значении отношения интенсивностей выбранных спектральных линий меньше 0,5 поверхность считают очищенной.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к обработке трансформаторных листов с направленной структурой в виде полосы (26) в направлении продольного движения лазерным скрайбированием.

Изобретение относится к способу и устройству изготовления форм для глубокой печати, предназначенных для производства ценных бумаг, в котором используют лазерный луч (2) для гравирования рисунка (3, 3.1, 3.2, 3.3) глубокой печати непосредственно на поверхности формного материала (1), в частности металлического, выполненного с возможностью гравирования лазером.

Изобретение относится к лазерной технике, конкретно к способам лазерной нейтрализации взрывоопасных объектов, и может быть использовано для бездетонационного обезвреживания мин, неразорвавшихся боеприпасов, других взрывоопасных предметов, далее - взрывоопасных объектов.

Изобретение относится к области обработки поверхности керамических материалов лазерным излучением для получения наноструктурных аморфизированных пленок, преимущественно из ситалла.

Изобретение относится к полиграфии и может быть использовано для изготовления параллакс-панорамограммы или вариоизображения. .

Изобретение относится к области металлообрабатывающей промышленности. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для обработки деталей сложной формы без переустановки с максимальной концентрацией операций для выполнения токарных, сверлильных, фрезерных, расточных, зубофрезерных и шлифовальных операций, резки, полирования и с использованием лазера для сверления, требующих движения инструмента одновременно по 3-5 координатам.

Изобретение относится к способу нанесения волнистой фактуры на поверхность и может применяться для создания текстурированной подложки, на которую производят запись информации, например, в виде кода.
Изобретение относится к ювелирной промышленности, а именно к способам нанесения изображений лазерной гравировкой на изделия из драгоценных металлов. .

Изобретение относится к способу лазерно-плазменного полирования металлических поверхностей и может быть использовано в машиностроении и в инструментальном производстве при изготовлении штампов, пресс-форм и режущего инструмента.

Изобретение относится к способу лазерной обработки неметаллических материалов и может быть использовано для скрайбирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Осуществляют облучение поверхности материала импульсным лазерным излучением. Требуемая глубина канавки достигается в зависимости от значения безразмерного параметра, равного произведению показателя поглощения материала на длине волны лазерного излучения на глубину канавки, а также за счет воздействия одного или двух лазерных импульсов, плотности энергии в каждом из которых определяют в зависимости от удельной энергии сублимации материала, показателя поглощения на длине волны лазерного излучения и коэффициента отражения. Технический результат заключается в снижении энергетических затрат при обработке неметаллических материалов лазерным излучением. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу и устройству структурирования поверхности твердого тела с покрытием из твердого материала и полученной при этом упаковочной фольге. Создают структуру, как минимум, одной области поверхности твердого тела, посредством первого лазера, предпочтительно, эксимерного лазера (1), имеющего продолжительность импульса в наносекундном диапазоне. На нее накладывают вторую рифленую структуру посредством второго лазера (15), предпочтительно, имеющего продолжительность импульса в фемтосекундном диапазоне. Создание структуры посредством эксимерного лазера производят согласно технологии проекции шаблона, а создание структуры посредством лазера с продолжительностью импульса в фемтосекундах - согласно технологии фокусировки. Изобретение позволяет осуществлять рациональное производство очень сложных, сильно защищенных от подделок отличительных маркировок и/или эстетически привлекательных, эффективных с точки зрения оптической дифракции цветных образцов. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для структурирования поверхности (9) твердого материала, нанесенного на твердое тело, и упаковочной фольге с тиснением, которое нанесено штампами для тиснения или валами для тиснения. Создают структуру как минимум одной области поверхности твердого тела, имеющей покрытие ta-C, для чего используют шаблон (18) в гомогенном пятне (FS) оптической системы для придания формы лучу посредством способа проекции шаблона, а также диаграммы (6) перед оптикой отображений. Структуру получают посредством эксимерного лазера, имеющего длительность импульса в пределах наносекунды (1), и используют некоторое количество сочетаний шаблонов и диафрагм (18, 6), установленных в обменное устройство (28). Обменное устройство приспособлено под размещение одного из шаблонов (18) и одной из диафрагм (6) в траекторию луча лазера независимо друг от друга. Шаблоны (18) и диафрагмы (6) устанавливают в держатели с сохранением способности линейного и кругового перемещения и вращения вокруг своей оси. Изобретение позволяет осуществлять рациональное производство очень сложных, защищенных от подделок отличительных характеристик и/или эстетически привлекательных, эффективных с точки зрения оптической дифракции цветных образцов. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к способу обработки поверхности для повышения степени ее черноты перед нанесением основного покрытия и может быть использовано при производстве светопоглащающих элементов объективов, гелиотермических преобразователей. Выбирают зону обработки на поверхности изделия. Обрабатывают с помощью энергетического облучения и получают на обрабатываемой поверхности микрорельеф. После чего перемещают зону обработки и многократно повторяют операции. Используют энергетическое облучение в виде абляции. Получают рельеф в виде отдельно стоящих микрократеров, расположенных на расстоянии друг от друга, не превышающем 1,5 диаметра микрократера. Необходимую глубину микрократера формируют разовым воздействием энергетического облучения заданной длительности и мощности облучения. 3 ил., 1пр.

Изобретение относится к способу лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине и может найти применение изготовления пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов с отверстиями. Осуществляют облучение поверхности пластин импульсным лазерным излучением. Выбирают длину волны импульсного излучения из условия: 1,2<χh<3,1, где χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения; h - толщина пластины. Исходный лазерный пучок делят на два пучка и одновременно соосно воздействуют на обе поверхности пластины с плотностью энергии, определяемой по соотношению: где e - основание натурального логарифма; Q - удельная энергия сублимации материала; R - коэффициент отражения материала. Поверхности пластины предварительно полируют. В результате достигается снижение энергетических затрат при лазерном пробитии сквозных отверстий в пластинах из неметаллических материалов, обладающих объемным поглощением лазерного излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа изготовления многофункциональных оптических прицельных сеток. Способ включает в себя чистку подложки, нанесение на подложку элементов топологии оптической шкалы в световой зоне сетки методом лазерной абляции с использованием инфракрасного фемтосекундного импульсного лазера, запуск, поправку, чистку органическим растворителем, нанесение металлического покрытия из алюминия или серебра. Вне световой зоны сетки с помощью лазера выполняют реперные метки. Затем по реперным меткам выставляют положение точки фокусировки излучения лазера и на металлическом покрытии методом лазерной абляции наносят элементы топологии коллиматорной шкалы сетки на глубину металлического слоя. Технический результат заключается в обеспечении возможности изготовления сеток произвольной топологии, повышении коэффициента отражения сетки и упрощении способа изготовления.
Наверх