TECHNOLOGICZNE MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA ABLACYJNEGO OCZYSZCZANIA LASEROWEGO MATERIAŁÓW

Transkrypt

1 Tadeusz URKOWSKI Jan KUICKI Jan MRCZK Wojciech NPDŁEK TECHNOLOGICZNE MOŻLIWOŚCI ZSTOSOWNI LCYJNEGO OCZYSZCZNI LSEROWEGO MTERIŁÓW STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wybrane przykłady zastosowań technologicznych czyszczenia laserowego warstwy powierzchniowej wybranych materiałów konstrukcyjnych tj. żeliwa szarego, stopów aluminium miedzi oraz usuwania nawarstwień oraz powłok technologicznych. Stosując różne gęstości mocy impulsu promieniowania laserowego emitowanego przez laser impulsowy Nd:YG dla badanych materiałów, dobrano najlepsze warunki obróbki przy których przeprowadzono ich oczyszczanie. adania podstawowe obejmowały; analizę topografii powierzchni oraz analizę składu chemicznego w mikroobszarach. Słowa kluczowe: materiały konstrukcyjne, warstwa powierzchniowa, lasery impulsowe, topografia powierzchni, skład chemiczny Prof. dr hab. inż. Tadeusz URKOWSKI wach@imp.edu.pl Instytut Mechaniki Precyzyjnej ul. Duchnicka 3, Warszawa dr inż. Jan KUICKI jkubicki@wat.edu.pl WT - Instytut Optoelektroniki dr hab. inż. Jan MRCZK prof. WT jmarczak@wat.edu.pl WT - Instytut Optoelektroniki dr inż. Wojciech NPDŁEK wnapadlek@wat.edu.pl WT - Wydział Mechaniczny Wojskowa kademia Techniczna ul. Kaliskiego 2, Warszawa PRCE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 228, 2006

2 138 T. urakowski, J. Kubicki, J. Marczak, W. Napadłek 1. WSTĘP W przemyśle, w konserwacji dzieł sztuki wymaga się, aby zanieczyszczające cząsteczki, nawarstwienia i powłoki osadzane na powierzchni były usuwane, a powierzchnie oczyszczane z cząsteczek. Na przykład stan kadłubów samolotów co trzy lub cztery lata powinien być dokładnie kontrolowany w celu wykrycia ewentualnych pęknięć zmęczeniowych, co wymusza usuwanie wszelkich powłok malarskich. Stosowane są klasyczne metody usuwania farb, takie jak abrazyjne, chemiczne i elektrochemiczne, jednak coraz częściej wykorzystuje się ablację laserową [1-3]. Proces laserowego usuwania farby można prowadzić tak, aby jednocześnie zwiększyć odporność zmęczeniową podłoża metalicznego. W ogólności technologia usuwania nawarstwień i powłok rozważana jest jako technologia końcowa, to znaczy bezpośrednio po czyszczeniu, bez dodatkowych zabiegów, elementy można oddawać od razu do eksploatacji. Okresowe oczyszczanie powierzchni traktowane jest jako pierwszy etap w np. renowacji obiektów. Czyszczenie takie poprawia ich wygląd estetyczny, ale może też odsłaniać ubytki, pęknięcia, rozwarstwienia czy inne wady. W procesie oczyszczania powierzchni wykorzystuje się laser impulsowy, którego wiązka światła może usunąć zanieczyszczenie, w postaci cząsteczki, warstwy farby i brudu czy linii papilarnych. Proces oczyszczenia impulsem laserowym może zachodzić na wiele różnych sposobów. Generalnie istnieje pięć mechanizmów usuwania cząsteczek, nawarstwień obcych lub pokryć, za pomocą impulsowego promieniowania laserowego. Tymi mechanizmami mogą być: drgania powierzchni, drgania cząsteczki, rozszerzalność termiczna cząsteczki (lub nawarstwienia), generacja tzw. fali podmuchu nad oczyszczaną powierzchnią i ablacja laserowa. Istotę oczyszczania laserowego autorzy pracy przedstawili w wielu publikacjach dotyczących inżynierii powierzchni dzieł sztuki [2, 3] oraz materiałów i kompozytów. Usuwanie kontrolowanej grubości warstwy po warstwie, pojedynczych cząsteczek o średnicy poniżej nawet mikrometra znajduje coraz szersze zastosowanie w oczyszczeniu różnych powierzchni technologicznych (np. elementy elektroniki pokryte zanieczyszczeniami itp.). Mimo wielu zalet i zastosowań technologicznych na świecie, w Polsce oczyszczanie laserowe praktycznie nie znalazło jeszcze zastosowań w procesach produkcyjnych czy inżynierii powierzchni (za wyjątkiem oczyszczania dzieł sztuki). W procesach technologicznych wytwarzania różnych półfabrykatów lub gotowych elementów bardzo często wymagana jest bardzo duża czystość warst-

3 Technologiczne możliwości zastosowania ablacyjnego wy powierzchniowej ze względu na konieczność wytworzenia na niej powłok (np. galwanicznych, zanurzeniowych, natryskowych, platerowanych, PVD itp.) o dużej przyczepności (połączenie dyfuzyjne lub adhezyjne). Czystość tę uzyskuje się jak już wcześniej wspomniano w procesach chemicznych (trawienie), mechanicznych (toczenie, szlifowanie, obróbka ścierno-erozyjna itp.) lub metodami ultradźwiękowymi. W większości tych procesów występuje jednak zagrożenie ekologiczne od czynników chemicznych lub zapylenia mikrocząstkami, będącymi ubocznym skutkiem tych procesów. 2. OCZYSZCZNIE POWIERZCHNI MTERIŁÓW W celu oczyszczenia powierzchni różnych materiałów konstrukcyjnych (stali, żeliwa, stopów aluminium, miedzi) z zanieczyszczeń (warstwy tlenków, osadów chemicznych, farb, nalotów i innych), przeprowadzono laboratoryjne badania porównawcze usuwania ww. osadów stosując technikę oczyszczania warstwy wierzchniej (WW) przy wykorzystaniu specjalistycznego lasera impulsowego ReNOVLaser 2 Nd:YG z Q modulacją i przetwarzaniem częstotliwości emitującego promieniowanie o długościach fal: λ = 1,064 μm; λ = 0,532 μm, λ = 0,355 μm i λ = 0,266 μm oraz impulsowego lasera TE CO 2 emitującego promieniowanie o długości fali λ = 10,6 μm. Próbki oczyszczanych materiałów pokrytych różnymi zanieczyszczeniami i warstwami (patyna na miedzi, korozja na mosiądzu, zanieczyszczenia na powierzchni drutu ze stali sprężynowej po procesie przeciągania, zabrudzenia i tłuszcze na żeliwie) lub powłokami technologicznymi (lakier na blasze transformatorowej, powłoka oksydowana, osad technologiczny po azotowaniu kąpielowym) zostały poddane oczyszczaniu w kilku wariantach obróbki laserowej (różne gęstości mocy promieniowania laserowego i różne ilości impulsów). W pracy przedstawiono wybrane wyniki z badań laboratoryjnych. Do obserwacji oczyszczonej warstwy wierzchniej zastosowano nowoczesny zestaw mikroskopii stereoskopowej z możliwością cyfrowej rejestracji zapisu. Wykorzystano również skaningową mikroskopię elektronową (SEM) oraz mikroanalizę rentgenowską składu chemicznego warstwy powierzchniowej przed i po oczyszczeniu laserowym. Efekt oczyszczenia powierzchni blach stalowej pokrytej korozją przy użyciu promieniowania lasera TE CO 2 przedstawiono na rys. 1a). Jednym impulsem laserowym oczyszczono powierzchnię w strefie. Oczyszczona powierzchnia (widoczna na rys. 1a) nie posiada śladów nadtopień laserowych, a tylko widoczne są efekty oczyszczenia z korozji.

4 140 T. urakowski, J. Kubicki, J. Marczak, W. Napadłek Po oczyszczeniu uzyskano powierzchnię o wysokiej czystości zbliżonej do metalicznie czystej. Przy występowaniu bardzo intensywnej korozji należy proces oczyszczania powtórzyć wielokrotnie. W celu zintensyfikowania procesu oczyszczania można zastosować również laser Nd:YG (rys. 1b) a) b) Rys. 1. Powierzchnia blach wykonanych ze stali konstrukcyjnej zwykłej jakości, pokryta korozją o rożnej intensywności oraz lokalnie oczyszczona promieniowaniem lasera: a) promieniowaniem lasera TE CO 2 o gęstości energii q = E/S = 9 J/cm 2, b) promieniowaniem lasera Nd:YG o gęstości energii q = E/S = 5 J/cm 2 : powierzchnia pokryta korozją; powierzchnia oczyszczona Promieniowaniem lasera Nd: YG można również oczyszczać warstwy powierzchniowe żeliwa szarego (skorodowane, zatłuszczone, pokryte pyłem oraz innymi związkami organicznymi rys. 2). W wyniku skoncentrowania wiązki laserowej na małej powierzchni o gęstości energii 4 J/cm 2 uzyskuje się powierzchnię o wysokiej czystości, wolną od zanieczyszczeń, tłuszczów i tlenków. Dzięki grafitowi występującemu w budowie żeliwa, absorbcyjność promieniowania laserowego jest duża, co zwiększa sprawność procesu. Oczyszczanie aluminium i jego stopów z zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych oraz tlenków jest procesem technologicznym bardzo perspektywicznym w porównaniu z pestkowaniem czy piaskowaniem, które powoduje wzrost chropowatości powierzchni oraz wbijanie się mikrocząstek medium piaskującego. Oczyszczanie laserem Nd: YG daje możliwość kontrolowanego i powtarzalnego procesu, w którym zależnie od przyjętych warunków obróbki (zwłaszcza gęstości energii q) proces może być prowadzony przy małych gęstościach energii bez uszkadzania podłoża lub przy znacznie większych wartościach q, powodujących rozwinięcie powierzchni (rys. 3).

5 Technologiczne możliwości zastosowania ablacyjnego a) b) Rys. 2. Powierzchnia warstwy wierzchniej żeliwa szarego niskostopowego oczyszczona przy użyciu promieniowania lasera Nd:YG o gęstości energii q = 4J/cm 2 (jeden impuls): a) widok ogólny powierzchni lokalnie oczyszczonej laserowo, b) charakterystyczna topografia powierzchni po oczyszczeniu; powierzchnia zanieczyszczona; powierzchnia oczyszczona a) b) Rys. 3. Topografia powierzchni stopu aluminium k 20 oczyszczonego z tlenków i zanieczyszczeń oraz umocnionego falą uderzeniową generowaną impulsem laserowym lasera Nd: YG przy gęstości mocy q = 13 J/cm 2 : a) widok ogólny powierzchni lokalnie oczyszczonej laserowo, b) charakterystyczna topografia powierzchni po oczyszczeniu pięcioma impulsami laserowymi; powierzchnia zanieczyszczona; powierzchnia oczyszczona Przy wielokrotnych naświetlaniach (kilka impulsów) w sposób powtarzalny i kontrolowany możemy doprowadzić oczyszczany stop do wysokiej czystości (odparowują zanieczyszczenia oraz ulegają degradacji tlenki aluminium) z lokalnym przypowierzchniowym utwardzeniem.

6 142 T. urakowski, J. Kubicki, J. Marczak, W. Napadłek Dzięki oczyszczeniu połączonemu z rozwinięciem warstwy powierzchniowej możliwe jest uzyskanie dużej przyczepności o charakterze adhezyjnym, a zwłaszcza o zwiększonej adhezji mechanicznej, nie osiąganej tradycyjnymi metodami. W badaniach laboratoryjnych przeprowadzono również próby oczyszczania laserowego miedzi pokrytej patyną (rys. 4a). Oczyszczanie przeprowadzono przy użyciu lasera TE CO 2 przy różnych gęstościach energii. Dla przykładu zastosowanie gęstości energii 4J/cm 2 daje pozytywny efekt oczyszczania warstwy powierzchniowej z patyny (rys. 4b,c). a) 0,5 b) c) 0,5 0,5 Rys. 4. Miedź patynowana czyszczona promieniowaniem lasera TE CO 2 o gęstości energii 4J/cm 2 (5 impulsów): a powierzchnia nie oczyszczona (), b granica oczyszczania, c powierzchnia oczyszczona () Jakościowa mikroanaliza rentgenowska (wzdłuż linii - rys. 5a) w strefie oczyszczenia laserowego, ujawniła pozytywny efekty usunięcia Si, Fe, C, S, co pozwoliło na odsłonięcie materiału podstawowego miedzi (rys.5b).

7 Technologiczne możliwości zastosowania ablacyjnego a) b) Rys. 5. Powierzchnia próbki miedzi porytej patyną po oczyszczeniu promieniowaniem lasera TE CO 2 o gęstości energii q = 4J/cm 2 (5 impulsów): a widok warstwy wierzchniej z patyną () oraz po oczyszczeniu laserowym (), b wyniki jakościowej mikroanalizy rentgenowskiej powierzchni próbki wzdłuż odcinka - z rys. a

8 144 T. urakowski, J. Kubicki, J. Marczak, W. Napadłek a) b) Rys. 6. Charakterystyczne strefy warstwy wierzchniej blachy wykonanej ze stopu aluminium pokrytej powłoką czarnego lakieru naniesionego metodą proszkową po oczyszczeniu wiązką lasera impulsowego Nd:YG o gęstości energii q = 13 J/cm 2 : a) strefa oczyszczenia trzema impulsami laserowymi, b) topografia warstwy wierzchniej blachy ze stopu aluminium po oczyszczeniu laserowym, powłoka lakieru, warstwa powierzchniowa po oczyszczeniu widoczne mikronadtopienia Stosując dwukrotnie mniejszą gęstość tj. 2J/cm 2 nie uzyskano jednorodnego oczyszczenia warstwy powierzchniowej patyny osadzonej na miedzi. W ramach prowadzonych eksperymentów przeprowadzono również oczyszczanie powłoki czarnego lakieru naniesionego metodą proszkową na podłoże stopu aluminium. Dla przykładu oczyszczanie powłoki lakieru wiązką lasera impulsowego Nd:YG o gęstości energii q= 13 J/cm 2 spowodowało natychmiastowe oczyszczenie z jednoczesnym nadtopieniem powierzchni (rys. 6). W zasadzie przy zastosowaniu stosowanie gęstości energii w zakresie 4 6J/cm 2 uzyskuje się wystarczająco dobre efekty oczyszczenia bez nadtopień podłoża. 3. PODSUMOWNIE Metoda laserowego oczyszczania warstw powierzchniowych różnych materiałów ma ogromna przewagę nad metodami stosowanymi dotychczas. Jest ona bardzo skuteczna, a ponadto bezkontaktowa, uniwersalna i bezpieczna. Główne cechy metody: jest przyjazna dla środowiska; ma bardzo mały wpływ na podłoże;

9 Technologiczne możliwości zastosowania ablacyjnego dokonuje selektywnej ekspozycji zabrudzonej powierzchni; umożliwia zastosowanie w dowolnym miejscu; jest efektywna i bezpieczna Opisana mikroobróbka laserowa stwarza szerokie możliwości w oczyszczaniu cienkich powłok osadzonych na powierzchni materiałów m.in. elektronicznych, konstrukcyjnych i może być w przyszłości wykorzystana w procesach produkcyjnych (np. przygotowania powierzchni do technologii metalizowania, PVD, w galwanotechnice, oczyszczaniu powierzchni elementów maszyn itp.). ardzo interesujące wydaje się również zastosowanie tej metody w geologii i kryminalistyce. LITERTUR 1. Анисимов С.И, Имас Я.А. Романов Г.С, Хоъыко Ю.В.: Действие изучения ъолшой мощности на мееталлы, М Наука, Москва, J. Marczak: Odnawianie dzieł sztuki za pomocą promieniowania laserowego, Przegląd Mechaniczny, z /97, str Marczak J.: naliza i usuwanie nawarstwień obcych z różnych materiałów metodą ablacji laserowej, ISN: , stron 226, 2004 r., Wydawnictwo: EL Studio Sp. z o. o. 4. J. Ready J.F.: Mechanism of. Electron Emussion Produced by a Giant Pulsa Laser. Phys. Rev 137, 620, Rękopis dostarczono, dnia r. TECHNOLOGICL POSSIILITIES FOR MTERIL CLENING USING LSER LTION T. URKOWSKI, J. KUICKI, J. MRCZK, W. NPDŁEK STRCT Some results of technological applications of laser cleaning of surface layers for selected constructional materials are presenred in the paper. Examples for grey cast iron and aluminium and copper alloys are shown. Results of removal of encrustations and technological layers are also described. Using various power densities of Nd:YG laser radiation pulse an optimization of laser processing for different materials was performed which then was used for their cleaning. Fundamental research included analysis of both surface topography and chemical composition in microareas.

10 146 T. urakowski, J. Kubicki, J. Marczak, W. Napadłek Dr inż. Jan Kubicki. utor wielu prac z dziedziny fizyki laserów TE CO 2, cw CO 2 i laserów hybrydowych oraz z dziedziny zastosowań tych laserów w spektroskopii laserowej, laserowej modyfikacji powierzchni, czyszczenia laserowego, projekcyjnego znakowania materiałów oraz innych zastosowań technologicznych. ierze udział w budowie i modernizacji urządzeń laserowych do badań w dziedzinie zastosowań laserów CO 2 przy wytwarzaniu warstwy aktywnej sensorów chemicznych i utwardzaniu powierzchni metali.