Электросберегающие технологии

13 April 2010

Оборудование для высокопроизводительной лазерной очистки

В жизненном цикле любой техники или инфраструктурных систем технологии очистки играют чрезвычайно важную роль, хотя и остаются как бы в тени развивающихся новых технологий. Появляются новенькие «с иголочки» станки и системы и только системные специалисты по технологиям четко понимают, что за всем этим стоят рутинные процессы очистки, с которыми дело в технической цивилизации стоит вовсе не хорошо. Да и сама возможность существования новой техники во многом определяется ее жизненным циклом, всей его экономикой, которая опять же во многом определяется разными рутинными технологическими проблемами.

Чтобы нанести нужные защитные покрытия нужно вначале очистить.

Чтобы ресурс техники обеспечивал ее окупаемость нужно выполнять процессы очистки.

Чтобы проводить реконструкцию систем, их нужно вначале очистить.

А вот с самим процессом очистки дело обстоит плохо. Есть всего две группы технологий и все они далеко не идеальны.

1) Технологии механической очистки. Они непрерывно развиваются от ручных металлических щеток до автоматизированных дробеструйных и пескоструйных систем и фактически дошли до своего предельного состояния. В этом предельном состоянии они продолжают характеризоваться такими отрицательными свойствами:

  • Присутствие механического действия на поверхность;
  • Плохой экологией из-за неисключаемого рассеяния ударного микроагента;
  • Засорение машин и механизмов абразивным агентом;
  • Очень высоким уровнем шума;
  • Многие рабочие загрязнения (например, на лопатках турбин) вообще не удаляются этим способом из-за высокой адгезии.

2) Химические технологии. Здесь можно отметить следующие отрицательные свойства:

  • Очень плохая экология;
  • Редко применимы к большим поверхностям и объемным конструкциям:
  • Часто многостадийны из-за необходимости удаления реагентов;
  • Низкопроизводительны.

Как всегда, есть еще поиски новых методов, еще не вышедших на промышленный уровень, это термические методы, например, плазменная очистка. То есть — эти способы связаны с термическим разложением покрытия, но по самой сути действия их сложно признать экологически чистыми, а общая эффективность пока непонятна.

Известные методы лазерной очистки базируются на использовании импульсного лазерного излучения. При действии достаточно коротких лазерных импульсов излучение поглощается только в поверхностном слое, тепловая волна также не успевает распространяться вглубь поверхности, поэтому возникает быстрый ударный нагрев тонкого слоя. В результате этот поверхностный слой просто испаряется или сублимируется, причем основа не подвергается существенному воздействию потоков энергии. Положительный эффект быстрой сублимации в том, что при таком процессе не успевают развиваться процессы термического горения и другие термохимические процессы и вредный эффект образования разных химических соединений также минимизирован.

Однако такой сравнительно простой способ оказывается малопроизводительным и малоэкономичным. Приходится полностью сублимировать слой загрязнений, и если он имеет значительную толщину, то удельные затраты оказываются велики. Кроме того, удельная цена импульсного лазерного излучения с короткими импульсами значительно выше, а предельная средняя мощность, которая определяет, в конечном счете, общую производительность невелика и ограничивается возможностью создания серийных лазерных импульсных излучателей.

Принципиальная возможность технологии высокопроизводительной лазерной очистки была продемонстрирована в конце 2007 года на тестовых экспериментах с образцами металла, вырезанных из старых железнодорожных вагонов.

Была показана сильная синергетика при комбинированном воздействии непрерывного лазерного потока и импульсного потока, за счет первого происходит термическая деструктуризация полимерных связей, а второй поток легко удаляет покрытие с нарушенной структурой. Оценочные расчеты, произведенные на основе экспериментально полученных данных, показывают, что при использовании серийных лазеров (неперывный с мощностью около 5 кВт и импульсный с мощностью 100..200 Вт) можно обеспечить производительности очистки порядка 20 кв.м/ч. При этом обнаруживается эффект «пассивации», поверхность после лазерной очистки не деградирует и не ржавеет и пригодна для покраски в течении нескольких недель (против часов при пескоструйной очистке).

Рис.1. Иллюстрация к комбинированной «синергетической» лазерной очистке.

Для иллюстрации приведены изображения обработки образцов металла, вырезанных из тела старых железнодорожных вагонов: слева-«черновая» обработка, после которой продукты сгорания краски остаются на поверхности, справа — обработка импульсным лазером, который удаляет только масла и копоть с поверхности краски, в центре — синергетическое действие двух источников сразу.

В феврале 2008 года была проведена презентация технологии для руководства РЖД в депо Москва-3, которая вызвала большой интерес и готовность переоборудовать несколько камер очистки под новое оборудование.

Важно отметить еще один положительный эффект — после такого процесса очистки поверхность хорошо активируется, на поверхности металла нет никаких трудноудалимых загрязнений и она имеет мелкоструктурный матовый характер. На такой слой без какой-то подготовки идеально ложится новая краска с очень высокой прочностью сцепления.

Предлагаемая разработка может иметь вполне масштабный эффект для целого ряда отраслей.  Рассмотрим для примера одну типовую задачу в железнодорожном транспорте. В РЖД или у фирм, формирующих свой подвижной состав остро стоит вопрос обновления парка вагонов. Существенная трудоемкость такого обновления связана с необходимостью очистки от старой краски и ржавчины и выполнение новой окраски. В настоящее время очистка грузовых вагонов ведется вручную с применением пескоструйных установок. Очистка одного вагона занимает примерно 15 часов работы бригады из шести человек. После очистки таким методом нужно еще производить промывку ходовой части вагона от  грязи и пыли и последующую просушку. Проблема восстановления огромного парка рефрижираторных вагонов, выведенных из эсплуатации из-за кризиса, а не по износу — еще более сложна, так как эти вагоны насыщены сложной техникой.

Предварительное изучение показало, что интерес к технологии и оборудованию могут проявить следующие отрасли:

  • РЖД, для очистки вагонов и подвижной части, а также путевых конструкций — мосты и другие сооружения;
  • Машиностроение — для очистки любых металлических изделий перед покраской и сваркой;
  • Турбиностроители — для очистки поверхности лопаток различного типа от эксплуатационного трудноудаляемого нагара;
  • Авиастроение и эксплуатация — очистка авиамашин при плановой перекраске;

Предлагаемый проект предлагает выполнить работы по созданию промышленных головок для лазерной очистки с использованием серийных непрерывных и волоконных лазеров. Далее эти готовки можно комплексировать в рабочие комплексы для очистки разного рода изделий с использованием любой промышленной координатной техники для перемещения головок.

Общий состав системы лазерной очистки в условном виде представлен на Рис.2.

Рис.2. Схематическое изображение системы лазерной очистки — 1 — лазер волоконный непрерывный, 2 — лазер волоконный импульсный, 3 -стойка управления процессом очистки, 4 — гибкий тракт передачи излучения, 5 — лазерная головка со сканированием лазерных пучков, 6 — система сервоуправления лазерной головкой в пространстве, 7 — обрабатываемое изделие.