Làm sạch bằng laser với laser liên tục CW và laser xung – Đâu là giải pháp tối ưu?

Làm sạch bằng laser sử dụng chùm tia laser hội tụ để làm bốc hơi hoặc loại bỏ nhanh chóng các chất gây ô nhiễm/bẩn trên bề mặt vật liệu. So với các phương pháp làm sạch vật lý hoặc hóa học truyền thống khác, làm sạch bằng laser không tiếp xúc với vật liệu cần làm sạch, không hao mòn vật liệu độ chính xác cao, ít thiếu sót và không ô nhiễm môi trường. Quy trình làm sạch bằng laser là một lựa chọn lý tưởng cho thế hệ công nghệ làm sạch công nghiệp mới. Hơn nữa, laser Fiber với chất lượng cao, ổn định và linh hoạt đã trở thành lựa chọn tốt nhất để làm sạch. Hai loại laser Fiber: laser sợi liên tục (CW) và laser xung, chiếm lĩnh thị trường chuyên xử lý vật liệu bề mặt lớn và vật liệu đòi hỏi sự chính xác cao.

Đối với các ứng dụng làm sạch bằng laser phổ biến gần đây, những băn khoăn về vấn đề lựa chọn laser Fiber liên tục hay laser Fiber xung để làm sạch vẫn còn tồn đọng.

So sánh mẫu làm sạch từ laser sợi quang CW và laser sợi quang xung

Bây giờ, chúng ta cùng so sánh các ứng dụng làm sạch của laser sợi quang CW và laser sợi quang xung, đồng thời phân tích các đặc điểm tương ứng của chúng và các ứng dụng phù hợp nhất để áp dụng. Bài viết này cung cấp thông tin tham khảo hữu ích khi lựa chọn công nghệ làm sạch bằng laser tương ứng.

Chúng tôi sử dụng 02 loại laser để làm sạch là các loại vật liệu khác nhau: hợp kim nhôm với sơn trắng (dày 20 µm) và thép cacbon với sơn trắng (dày 40 µm). Hiệu suất làm sạch đạt được bằng cách điều chỉnh độ rộng xung (100 ns, 200 ns và 500 ns), tần số (20–60 kHz) và tốc độ quét (1500–9600 mm / s).

H1. Vật liệu làm sạch: Hợp kim nhôm sơn trắng
Mô hình laser thử nghiệm: laser sợi quang CW

           Không đủ sạch      Hiệu suất tốt nhất      Làm sạch quá mức

H2. Vật liệu làm sạch: Hợp kim nhôm sơn trắng
Mô hình laser thử nghiệm: Laser sợi quang Mopa Pulse

Không đủ sạch      Hiệu suất tốt nhất      Làm sạch quá mức

H3. Vật liệu làm sạch: Thép carbon sơn trắng chống gỉ
Mô hình laser thử nghiệm: laser sợi quang CW

Không đủ sạch      Hiệu suất tốt nhất      Làm sạch quá mức

H4. Vật liệu làm sạch: Thép carbon sơn trắng chống gỉ
Mô hình laser thử nghiệm: Laser sợi quang Mopa Pulse

           Không đủ sạch      Hiệu suất tốt nhất      Làm sạch quá mức

Đối với laser sợi quang xung, tia laser có tần số thấp hơn có dễ làm tổn thương lớp nền trong quá trình làm sạch và tia laser có độ rộng xung hẹp (khoảng 100 ns) có thể làm sạch sơn dễ dàng hơn.

Điều cần thiết là phải cân bằng nhiệt độ thích hợp giữa làm sạch sơn và làm nóng chảy bề mặt (hiệu ứng nhiệt). Một tia laser xung với cấu trúc bộ khuếch đại công suất dao động chính (MOPA) mang lại lợi thế kiểm soát nhiệt chính xác, đây là một điểm quan trọng trong quá trình làm sạch. Với laser sợi quang CW, tốc độ quét càng chậm thì chất nền càng bị phá hủy.

Tuy nhiên, khi tốc độ cao hơn ngưỡng cho phép, tốc độ nhanh hơn sẽ gây ra hiện tượng làm sạch không đủ. Do đó, khi sử dụng laser sợi quang CW để thực hiện làm sạch bằng laser, điều quan trọng là chọn tốc độ quét phù hợp. Các chi tiết sau đây cho thấy sự khác biệt giữa laser sợi quang CW và laser sợi quang xung từ ba khía cạnh chính: hiệu suất làm sạch, hiệu quả làm sạch và độ nhám sau quá trình làm sạch.

H5. So sánh hiệu suất làm sạch trên nhôm bằng laser
sợi quang CW (trái) và laser sợi quang xung MOPA (phải).

Nếu chỉ nhìn bằng mắt thường, vật liệu có màu tối hơn sau khi làm sạch bằng laser sợi quang CW khi so sánh với laser sợi quang xung MOPA. Nếu thiết lập nhiệt độ không đúng cách sẽ dẫn đến làm tan chảy kim loại nền trong quá trình làm sạch, sai lầm này không được chấp nhận, đặc biệt là trong ngành làm sạch mô-đun.

H6. So sánh hiệu suất làm sạch trên thép cacbon bằng laser sợi quang
xung CW (trái) và laser sợi quang xung MOPA (phải).

HÌNH 7. Bề mặt kính hiển vi sau khi làm sạch trên thép cacbon bằng laser
sợi quang xung CW (trái) và laser sợi quang xung MOPA (phải).

H8. So sánh độ nhám của bề mặt sau vật liệu khi làm sạch bằng
laser sợi quang liên tục CW và laser xung MOPA.

Hình 8 cho thấy độ nhám (Ra) của bề mặt sau khi làm sạch bởi laser sợi quang xung CW và MOPA. Thiệt hại vật liệu do làm sạch bằng laser xung sợi quang MOPA gây ra là rất nhỏ và giá trị độ nhám gần bằng hoặc thậm chí thấp hơn bề mặt ban đầu (tia laser cũng làm sạch một số bụi trên bề mặt ban đầu). Trong khi với laser CW, giá trị độ nhám sẽ nhiều hơn 1,5 lần so với bề mặt ban đầu.

Ưu điểm khác do laser sợi quang MOPA

Một ưu điểm khác do laser sợi quang MOPA mang lại là hiệu quả làm sạch cao. Khi làm sạch bụi trên hợp kim nhôm, hiệu suất làm sạch của laser sợi quang xung MOPA là 2,77 m2 / h, cao gấp 7,7 lần hiệu quả làm sạch bằng laser sợi quang CW (0,36 m2 / h). Khi làm sạch bụi trên thép cacbon, hiệu suất làm sạch của laser sợi quang MOPA là 1,06 m2 / h, cao gấp 3,5 lần hiệu quả làm sạch của laser sợi quang CW (0,3 m2 / h).

Laser nào thích hợp để làm sạch?

Kết luận, có thể loại bỏ bụi bằng cả laser sợi quang xung MOPA và laser sợi quang CW. Với cùng công suất đầu ra trung bình, hiệu quả làm sạch của laser sợi quang xung MOPA nhanh hơn laser sợi quang CW. Hơn thế laser sợi quang xung MOPA kiểm soát nhiệt chính xác giữa quá trình làm sạch và nấu chảy tạo ra hiệu suất làm sạch tốt mà không làm hỏng lớp nền.

Tuy nhiên, chi phí của laser sợi quang CW thấp hơn, điều này bù đắp cho nhược điểm về hiệu quả làm sạch bằng cách tăng công suất đầu ra trung bình. Tuy nhiên, nó sẽ gây ra ảnh hưởng nhiệt, làm tổn thương lớp nền.

Vì vậy, các ứng dụng làm sạch khác nhau sẽ yêu cầu các loại laser khác nhau. Để làm sạch chính xác như làm sạch khuôn, tốt hơn nên chọn laser sợi quang xung MOPA.

Đối với một số kết cấu thép lớn, đường ống, v.v., do khối lượng lớn, tản nhiệt nhanh và yêu cầu thấp về hư hỏng bề mặt, laser sợi quang CW sẽ là một lựa chọn tốt.