ハイエンドの製造、省エネルギー、排出削減には、高度なプロセスの必要性がますます高まっています。工業用表面処理に関しては、技術とプロセスの包括的なアップグレードが急務となっています。機械的摩擦洗浄、化学的腐食洗浄、強力な衝撃洗浄、高周波超音波洗浄などの従来の工業用洗浄プロセスは、洗浄サイクルが長いだけでなく、自動化が難しく、環境に悪影響を及ぼし、適切な洗浄条件を達成できません。望ましい洗浄効果。微細な加工のニーズには十分対応できません。
しかし、環境保護、高効率、高精度の間の矛盾がますます顕著になっているため、従来の工業用洗浄方法は大きな課題にさらされています。一方、超仕上げ分野では、環境保護に貢献し、部品に適したさまざまな洗浄技術が登場しており、レーザー洗浄技術もその一つです。
レーザークリーニングのコンセプト
レーザークリーニングは、集光したレーザーを素材の表面に作用させ、表面の汚染物質を急速に蒸発または剥離させ、素材の表面を洗浄する技術です。従来のさまざまな物理的または化学的洗浄方法と比較して、レーザー洗浄は、非接触、消耗品なし、汚染なし、高精度、損傷なしまたは損傷が小さいという特徴があり、新世代の工業用洗浄技術にとって理想的な選択肢です。
レーザー洗浄機の動作原理
の原理レーザー洗浄機はより複雑で、物理的プロセスと化学的プロセスの両方が含まれる場合があります。多くの場合、物理的プロセスが主なプロセスであり、いくつかの化学反応が伴います。主な過程は、ガス化過程、衝撃過程、振動過程の 3 つに分類できます。
ガス化プロセス
高エネルギーレーザーが物質の表面に照射されると、表面がレーザーエネルギーを吸収して内部エネルギーに変換し、表面温度が急激に上昇して物質の気化温度以上に達し、汚染物質が分解されます。物質の表面から蒸気の形で分離されます。選択的蒸発は通常、表面汚染物質によるレーザー光の吸収率が基板の吸収率よりも大幅に高い場合に発生します。代表的な用途は石材表面の汚れの洗浄です。下の図に示すように、石の表面の汚染物質はレーザーの吸収が強く、すぐに蒸発します。汚染物質を除去してレーザーを石の表面に照射すると、吸収が弱く、より多くのレーザーエネルギーが石の表面で散乱され、石の表面の温度変化が小さく、石の表面が損傷から保護されます。
典型的な化学ベースのプロセスは、紫外線帯域のレーザーを使用して有機汚染物質を除去するときに発生します。これはレーザーアブレーションと呼ばれます。紫外線レーザーは波長が短く、光子エネルギーが高くなります。たとえば、KrF エキシマ レーザーの波長は 248 nm、光子エネルギーは 5 eV と高く、これは CO2 レーザーの光子エネルギー (0.12 eV) の 40 倍です。このような高い光子エネルギーは有機物の分子結合を破壊するのに十分であるため、有機汚染物質中のCC、CH、COなどがレーザーの光子エネルギーを吸収した後に破壊され、熱分解ガス化して表面から除去されます。
ショックプロセス
衝撃プロセスは、レーザーと材料間の相互作用中に発生する一連の反応であり、その後、材料の表面に衝撃波が形成されます。衝撃波の作用により、表面の汚染物質は粉砕され、表面から剥がれ落ちた塵や破片になります。プラズマ、蒸気、急速な熱膨張と収縮など、衝撃波を引き起こすメカニズムは数多くあります。プラズマ衝撃波を例として使用すると、レーザー洗浄における衝撃プロセスがどのように表面の汚染物質を除去するかを簡単に理解することができます。超短パルス幅 (ns) で超高ピーク出力 (107 ～ 1010 W/cm2) のレーザーを使用すると、たとえ表面がレーザーを軽く吸収したとしても、表面温度は急激に上昇し、瞬時に蒸発温度に達します。次の図の (a) に示すように、材料の表面上に蒸気が形成されます。蒸気の温度は 104 ～ 105 K に達することがあり、蒸気自体または周囲の空気がイオン化してプラズマが形成されることがあります。プラズマはレーザーが材料の表面に到達するのを妨げ、材料の表面の蒸発は停止する可能性がありますが、プラズマはレーザーのエネルギーを吸収し続け、温度は上昇し続け、局所的な状態を形成します。超高温高圧により、材料の表面に瞬間的に 1 ～ 100 kbar の圧力がかかります。下図(b)、(c)に示すように、衝撃は徐々に材料の内部に伝わります。衝撃波の作用により、表面の汚染物質は小さな塵、粒子、または破片に分解されます。レーザーを照射位置から遠ざけると、下図(d)に示すようにプラズマが消滅し局所的に負圧が発生し、表面の汚染物質の粒子や破片が除去されます。
発振プロセス
短パルスの作用下では、材料の加熱および冷却プロセスが非常に高速になります。材料ごとに熱膨張係数が異なるため、短パルスレーザーの照射下では、表面の汚染物質と基板が異なる度合いの高周波熱膨張・収縮を起こし、発振を起こし、表面の汚染物質が剥離します。素材。この剥離プロセスでは、材料の蒸発が起こらず、プラズマが生成されない場合があります。代わりに、振動の作用下で汚染物質と基板の界面に形成されるせん断力によって、汚染物質と基板の間の結合が破壊されます。 。研究によると、レーザーの入射角がわずかに増加すると、レーザーと粒子汚染および基板界面との接触が増加し、レーザー洗浄の閾値が低下し、発振効果がより明白になり、洗浄効率が高くなります。ただし、入射角が大きすぎないように注意してください。入射角が大きすぎると、材料の表面に作用するエネルギー密度が減少し、レーザーの洗浄能力が弱まります。
レーザークリーナーの産業用途
金型産業
レーザークリーナーは、金型の表面に対して非常に安全な非接触洗浄を実現し、その精度を保証し、従来の洗浄方法では除去できないサブミクロンの汚れ粒子を洗浄することができます。真に無公害で効率的かつ高品質な洗浄を実現します。
精密機器産業
精密機械業界では、潤滑や耐食性のために使用されるエステルや鉱物油を部品から通常は化学的に除去する必要があり、化学洗浄では残留物が残ることがよくあります。レーザー脱エステル化では、部品の表面に損傷を与えることなく、エステルと鉱物油を完全に除去できます。レーザーは部品表面の薄い酸化物層の爆発的なガス化を促進して衝撃波を形成し、その結果、機械的相互作用ではなく汚染物質が除去されます。
鉄道産業
現在、レールの溶接前洗浄はすべて砥石と研磨ベルトを研削するタイプの洗浄を採用していますが、これは基板に重大な損傷を与え、深刻な残留応力を引き起こし、毎年大量の砥石の消耗品を消費し、コストがかかり、深刻な問題を引き起こす可能性があります。粉塵による環境汚染。レーザー洗浄は、我が国の高速鉄道線路敷設生産に高品質かつ効率的なグリーン洗浄技術を提供し、上記の問題を解決し、シームレスなレール穴やグレースポットなどの溶接欠陥を排除し、我が国の高速鉄道の安定性と安全性を向上させることができます。 - 高速鉄道の運行。
航空産業
機体の表面は一定期間経過後に再塗装する必要がありますが、塗装前に元の古い塗装を完全に除去する必要があります。化学薬品の浸漬/拭き取りは、航空分野における主な塗装剥離方法です。この方法では大量の化学補助廃棄物が発生し、現地でのメンテナンスや塗装の剥離を実現することができません。このプロセスは負荷が高く、健康に有害です。レーザー洗浄により、航空機の外板表面の塗料を高品質に除去でき、生産のために簡単に自動化できます。現在、一部の上位機種のメンテナンスにレーザー洗浄技術が適用されています。
船舶産業
現在、船舶の生産前洗浄には主にサンドブラスト法が採用されています。サンドブラスト工法は周辺環境に深刻な粉塵汚染を引き起こしており、徐々に禁止され、造船会社の生産量の削減や中止につながっています。レーザー洗浄技術は、船舶表面の防食スプレー用に環境に優しく無公害の洗浄ソリューションを提供します。
武器
レーザー洗浄技術は兵器のメンテナンスに広く使用されています。レーザー洗浄システムは錆や汚れを効率的かつ迅速に除去でき、洗浄箇所を選択して洗浄の自動化を実現します。レーザー洗浄を使用すると、化学洗浄処理に比べて清浄度が高いだけでなく、対象物の表面にほとんどダメージを与えません。レーザー洗浄機は、さまざまなパラメータを設定することにより、金属対象物の表面に緻密な酸化保護膜や金属溶融層を形成し、表面強度と耐食性を向上させることもできます。レーザーで除去される廃棄物は基本的に環境を汚染せず、長距離でも操作できるため、作業者の健康被害を効果的に軽減できます。
建物外観
超高層ビルの建設が進むにつれ、建物の外壁の清掃問題がますます顕著になっています。レーザー洗浄システムは光ファイバーを介して建物の外壁をしっかり洗浄します。最長70メートルのこのソリューションは、さまざまな石、金属、ガラスに付着したさまざまな汚染物質を効果的に洗浄でき、その効率は従来の洗浄よりもはるかに高くなります。建物のさまざまな石材の黒ずみや汚れも除去できます。建物や石碑に対するレーザー洗浄システムの洗浄試験では、レーザー洗浄が古い建物の外観を保護するのに良い効果があることを示しました。
エレクトロニクス産業
エレクトロニクス業界では、レーザーを使用して酸化物を除去しています。エレクトロニクス業界では高精度の汚染除去が必要であり、レーザー脱酸素は特に適しています。最適な電気的接触を確保するために、基板をはんだ付けする前にコンポーネントのピンを完全に酸素除去する必要があり、汚染除去プロセス中にピンが損傷しないようにする必要があります。レーザー洗浄は使用要件を満たすことができ、効率が非常に高く、各針に必要なレーザー照射は 1 回だけです。
原子力発電所
レーザー洗浄システムは、原子力発電所の原子炉配管の洗浄にも使用されています。光ファイバーを使用して高出力レーザー光線を原子炉内に導入し、放射性塵を直接除去するもので、洗浄後の物質の洗浄も容易です。また、遠隔操作なのでスタッフの安全も確保できます。
まとめ
今日の先進的な製造業は、国際競争の頂点に立っています。レーザー製造における先進的なシステムとして、レーザー洗浄機は産業発展における応用価値に大きな可能性を秘めています。レーザー洗浄技術の精力的な開発は、経済的および社会的発展にとって非常に重要な戦略的意義を持っています。