Технологии лазерной очистки поверхностей

Очистка поверхностей от различных загрязнений имеет важное значение в судостроении, авиастроении, нефтесервисной отрасли, в коммунальном хозяйстве. Лазерные технологии обеспечивают наилучшее качество очистки поверхности различных материалов и ближайшей перспективе опередят традиционные способы обработки поверхности по производительности.

Авиастроение и авиаремонт

Авиастроение и авиаремонт наиболее чувствительны к качеству очистки поверхности элементов конструкции и агрегатов летательных аппаратов. Здесь предъявляются наивысшие требования к надежности и безопасности авиатехники, а также к используемому оборудованию и технологиям. С учетом совокупности требований, предъявляемых к качеству обработки поверхности, экологической безопасности, экономическим показателям лазерная очистка, безусловно, превосходит своих конкурентов.

Для проведения работ в «полевых» условиях аэродромов или в закрытых ангарах специалисты РНЛТ разработали и изготовили опытный образец мобильного аппарата лазерной очистки поверхности – АЛОТ-50ИР. Он состоит из ранца и манипулятора. Ранец, в котором  находится волоконный лазер, размещается за спиной оператора. Очистку поверхности оператор осуществляет вручную при помощи манипулятора. В  манипуляторе размещается специальное  оптико-механическое устройство и системой управления. Манипулятор оснащен системой эвакуации продуктов лазерной обработки. Мелкие частицы и газообразные продукты, образующиеся при лазерной обработке, удаляются и оседают в  фильтрах аспиратора. Аппарат приходит в рабочее состояние за одну минуту. Для электропитания аппарата лазерной очистки и вспомогательного оборудования используется  мобильный электрогенератор.

Испытания аппарата АЛОТ в аэропорту Пулково Санкт-Петербурга показали высокое качество и приемлемую  производительность  работ. Аппаратом с мощностью лазерного излучения 50 Вт очищались от многослойного лакокрасочного покрытия элементы конструкции самолета ИЛ-86. Производительность лазерной обработки составляла около 2 кв. метров в час. Ширина рабочей зоны за один проход  достигала 50 мм.

Качество обработки поверхности было на самом высоком уровне: лазером под визуальным контролем оператора послойно удалялись все лакокрасочные покрытия. Места, подвергшиеся коррозионным изменениям, полностью очищалась до защитного анодированного слоя.  Анодированный слой, покрывающий поверхность всех элементов конструкции самолета, при этом оставался неповрежденным. Последующей лазерной обработкой производилось  обезжиривание и подготовка поверхности лайнера под повторную окраску.

Уникальные технологические возможности открывает сам лазерный луч. Его сверхкороткие импульсы, порядка 100 наносекунд, с мощностью в несколько десятков киловатт, фокусируются в пятно порядка 100 мкм и направляются на очищаемую поверхность.

Проходя через слой краски или коррозии, часть  лазерное излучение рассеивается и поглощается в нем. Выделившееся при этом тепло приводит к вскипанию и частичному испарению загрязнения.

Большая часть лазерного излучения достигает поверхности металла, поглощается на глубине порядка 250 нанометров. Это приводит к микровзрыву и выбросу газообразного металла с поверхности.  Расплавленные и разогретые частички загрязнения подхватываются  взрывной струёй газа и уносятся с поверхности. Таким образом, с поверхности удаляется загрязнение и незначительное количество металла. В силу короткой длительности лазерного воздействия за время действия одного импульса вся энергия преимущественно  идет на испарение, а поверхность металла практически не нагревается. В результате на металлические конструкции не оказывается механического, химического или существенного теплового воздействия. Лазерная очистка не вызывает возгорания горючих материалов.

Оптическая система аппарата формирует заданный диаметр пятна лазерного излучение на рабочем расстоянии в диапазоне 5- 7 мм. Это позволяет оператору, основываясь на визуальном контроле, удерживать манипулятор в рабочем положении и качественно обрабатывать  поверхность. Аппарат может быть установлен на роботизированную платформу. В этом случае рабочее расстояние удерживается при помощи специальных датчиков расстояния и специального аппаратно-программного комплекса.

При помощи аппарата АЛОТ-50ИР можно очищать поверхность фюзеляжа, элеронов, закрылков, шасси от краски и коррозии, лопаток турбин двигателей от эксплуатационных налетов. Эффективен данный метод при удалении с деталей самолета остатков резины или клея.  Технология лазерной очистки поверхности в полной мере отвечает современным требованиям отрасли авиастроения.

Судостроение

Еще одно перспективное направление применения лазерного излучения – судостроение. На данный момент для зачистки поверхностей здесь используется абразивоструйная обработка. Но по мнению самих судостроителей, метод имеет массу недостатков: требует больших затрат энергии, опасен для человека и окружающей среды, обработка абразивами приводит к эрозии материалов. Данных недостатков лишена лазерная технология.

Специалистами РНЛТ разработан мобильный аппарат лазерной очистки поверхностей АЛОТ-100ИМ. Он прошел успешные испытания на Судостроительном заводе в Шлиссельбурге.

В ходе экспериментов подтвердились явные преимущества лазерной технологии над традиционными абразивоструйными методами обработки поверхности:

• отсутствие отходов обработки (шлам собирается системой вытяжки);
• высокое качество очистки и приемлемая производительность;
• низкая себестоимость;
• возможность селективной обработки небольших и труднодоступных участков.

Металлографические исследования подтвердили, что лазерное излучение не оказывает негативного воздействия  на основные параметры стойкости материалов. Воздействие ограничилось 4-х микронным расплавленным слоем, который не изменил твердость всей структуры.

Лазерная очистка может заменить ныне использующиеся трудоемкие операции очистки во многих отраслях машиностроения и добывающей промышленности. Это приведет к уменьшению финансовых затрат, сокращению времени работы и уменьшению количества производственных отходов. Наиболее подходящими сферами для использования лазерной очистки являются те, в которых до сих пор применяется химическая и пескоструйная обработка.

Мобильный аппарат лазерной очистки поверхности  АЛОТ может эффективно использоваться и в коммунальном хозяйстве. Например, для очистки фасадов домов, декоративных решеток, заборов, гранитных набережных от грязи, надписей и граффити.

Многочисленные испытания, проведенные специалистами РНЛТ, показали высокое качество работы: следы деятельности вандалов исчезают за секунды. Максимальная производительность установки мощностью 100 Вт достигает 3-4 кв. метров в час. Незначительная пыль, образующаяся при очистке, удаляются прямо из рабочей зоны высокопроизводительным аспиратором. Аппарат АЛОТ соответствует мировым стандартам экологической безопасности, обладает низким шумом, не требует расходных материалов, таких как абразивы или химические растворы. 

Щадящий режим воздействия лазерного излучения на основную поверхность может использоваться при проведении реставрационных работ и очистке памятников. Аппарат легко снимает загрязнения и микронные слои краски даже с поверхности  горючих материалов, таких как картон или бумага.        

Нефте- и газодобыча

Широкие перспективы у лазерной очистки поверхностей открываются в нефте- и газодобыче. Одна из наиболее актуальных проблем отрасли – образование асфальто-парафиновых отложений на внутренних стенках насосно-компрессорных труб  и их ускоренная коррозия. Традиционные методы очистки имеют существенные недостатки: они ускоряют износ труб и сокращают сроки между ремонтами. Данных недостатков лишен лазерный метод.

Специалистами РНЛТ изготовлена опытная установка лазерной очистки внутренних поверхностей труб НКТ.  Скорость ее обработки 1 метр в минуту. Многочисленные исследования показали: лазерная очистка полностью удаляет парафины и коррозию. При этом уменьшается шероховатость внутренней поверхности трубы, что увеличивает скорость перекачки углеводородов. Лазер формирует защитный оксидный слой, осуществляет закалку внутренней поверхности трубы.  В итоге увеличивается срок эксплуатации насосно-компрессорных труб.  

Убедиться в качестве проведенных работ можно разрезав обработанную лазером трубу. Как видим, результат положительный.

По мнению специалистов РНЛТ, лазерная очистка труб хорошо сочетается с нанесением защитных антикоррозионных покрытий. Например, полимерных или цинковых. В целом, ремонт насосно-компрессорных труб обходится в 5-7 раз дешевле, чем закупки новых, а ресурс восстановленной по лазерной технологии трубы увеличивается на 80%.