Предлагаемое техническое решение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано при удалении различного рода загрязнений с поверхности промышленных и технологических объектов.The proposed technical solution relates to the field of laser processing of materials and can be used to remove various kinds of contaminants from the surface of industrial and technological objects.
Известен способ удаления оксидных пленок (Pat. № RU 2112078 (С1), Device for removal of oxide film from material surface, Slipchenko N.N., Mikhajlenko S.A, Krymskij M.I., МПК В23К 26/14; C23F4/00; (IPC1-7): В23К 26/14; C23F 4/00, publ. 27.05.98), заключающийся в определении относительного содержания с помощью спектрального датчика оксида металла, содержащегося в плазменном факеле, который возникает при обработке поверхности лазерным излучением, выход датчика электрически соединен с устройством, передвигающим очищаемую подложку, и высоковольтным выходом электрооптического модулятора добротности лазера, оптическое устройство для фокусировки излучения представляет собой вогнутое сферическое зеркало, соосно расположенное с лазерным лучом, диаметр центрального отверстия сферического зеркала превышает апертуру лазерного луча, устройство, реализующее предлагаемый способ, также содержит отражающий конус, вершина которого расположена в отверстии сферического зеркала. Предложенный способ обладает невысоким быстродействием, что обусловлено медленной работой оптической системы, также отсутствует критерий определения количества оксида в плазме для контроля процесса очистки с помощью спектрального датчика.A known method of removing oxide films (Pat. No. RU 2112078 (C1), Device for removal of oxide film from material surface, Slipchenko NN, Mikhajlenko SA, Krymskij MI, IPC B23K 26/14; C23F4 / 00; (IPC1-7): B23K 26/14; C23F 4/00, publ. 05.27.98), which consists in determining the relative content using a spectral sensor of metal oxide contained in a plasma torch that occurs when a surface is treated with laser radiation, the output of the sensor is electrically connected to a device moving the substrate to be cleaned, and the high-voltage output of the electro-optical laser Q-switch, optical device The device for focusing radiation is a concave spherical mirror coaxially located with the laser beam, the diameter of the central hole of the spherical mirror exceeds the aperture of the laser beam, the device that implements the proposed method also contains a reflecting cone, the apex of which is located in the hole of the spherical mirror. The proposed method has a low speed, due to the slow operation of the optical system, and there is no criterion for determining the amount of oxide in the plasma to control the cleaning process using a spectral sensor.
Известен также способ сухой лазерной очистки (Pat. № KR 20050048026 20050603, МПК H01L 21/3065, Dry cleaning system using a laser, Lee Jong Myoung [KR], appl. 07.12.2006), в котором используется устройство, генерирующее лазерный пучок на приспособление для его передачи от источника излучения к системе сканирования, которая осуществляет позиционирование лазерного пучка на очищаемой поверхности. В данном способе отсутствует система контроля процесса удаления загрязнений, что делает результат лазерной очистки непредсказуемым.There is also known a method of dry laser cleaning (Pat. No. KR 20050048026 20050603, IPC H01L 21/3065, Dry cleaning system using a laser, Lee Jong Myoung [KR], appl. 07.12.2006), which uses a device that generates a laser beam on a device for its transmission from the radiation source to the scanning system, which performs the positioning of the laser beam on the surface being cleaned. In this method, there is no system for monitoring the process of removing contaminants, which makes the result of laser cleaning unpredictable.
Наиболее близким по физической сущности и принятым в качестве прототипа является способ (J. Cult. Heritage I (2000) S215-S220 Controlled laser cleaning of painted artworks using accurate beam manipulation and on-line LIBS-detection J.H. Scholten, J.M. Teulea, V. Zafiropulos, R.M.A. Heeren), использующий эксимерный лазер, излучение которого передается к объекту очистки с помощью зеркал, находящихся в «оптической руке», представляющей собой мехатронный модуль, осуществляющий сканирование всей поверхности объекта и содержащий оптическое волокно, по которому к спектрографу передается излучение плазмы, возникающей при воздействии лазерного излучения на очищаемый объект. Регистрация спектра осуществляется после каждого лазерного импульса с определенной временной задержкой, необходимой для высвечивания фона плазмы, что уменьшает скорость очистки в целом и затрудняет применение для очистки режима многоимпульсного лазерного воздействия, наиболее актуального для технологических целей.The closest in physical essence and adopted as a prototype is the method (J. Cult. Heritage I (2000) S215-S220 Controlled laser cleaning of painted artworks using accurate beam manipulation and on-line LIBS-detection JH Scholten, JM Teulea, V. Zafiropulos, RMA Heeren), using an excimer laser, the radiation of which is transmitted to the cleaning object using mirrors located in the "optical arm", which is a mechatronic module that scans the entire surface of the object and contains an optical fiber through which plasma radiation is transmitted to the spectrograph, arising from exposure and laser radiation on the object being cleaned. Spectrum is recorded after each laser pulse with a certain time delay necessary for highlighting the plasma background, which reduces the cleaning speed as a whole and makes it difficult to use the multi-pulse laser exposure mode, which is most relevant for technological purposes, for cleaning.
Решается задача устранения визуального контроля результата лазерной очистки поверхности, что повышает эффективность и безопасность процесса лазерного удаления поверхностных загрязнений за счет повышения производительности, контролируемости и управляемости процесса очистки.The problem of eliminating visual control of the result of laser surface cleaning is being solved, which increases the efficiency and safety of the process of laser removal of surface contaminants by increasing the productivity, controllability and controllability of the cleaning process.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе очистки корродированной стальной поверхности, включающем формирование пучка лазерного излучения, сканирование сформированным пучком по корродированной поверхности объекта в несколько проходов и регистрацию спектра плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнений, при этом сканирование поверхности осуществляют в многоимпульсном режиме, а регистрацию спектра плазмы осуществляют в непрерывном режиме, при этом в полученном спектре плазмы для очищаемой поверхности и/или для загрязнителя регистрируют линии железа и линии кислорода, измеряют значения интенсивностей указанных спектральных линий и вычисляют отношение интенсивностей спектральной линии кислорода к спектральной линии железа, причем при значении величины отношения интенсивностей выбранных спектральных линий больше 0,5 мощность пучка лазерного излучения уменьшают, а при значении отношения интенсивностей выбранных спектральных линий меньше 0,5 поверхность считают очищенной.The problem is solved due to the fact that in the method of cleaning a corroded steel surface, including the formation of a laser beam, scanning the generated beam along the corroded surface of the object in several passes and registering the spectrum of the plasma formed during the removal of contaminants, while the surface is scanned in multipulse mode and the plasma spectrum is recorded in a continuous mode, while in the obtained plasma spectrum for the surface to be cleaned and / or for contaminants register iron lines and oxygen lines, measure the intensities of the indicated spectral lines and calculate the ratio of the intensities of the spectral line of oxygen to the spectral line of iron, and when the value of the ratio of intensities of the selected spectral lines is greater than 0.5, the laser beam power is reduced, and when the value of the intensity ratio Selected spectral lines of less than 0.5 are considered cleaned.
Использование ЛИЭС в режиме непрерывной регистрации и применение критерия выбора спектральных линии для контроля процесса лазерной очистки, описанного выше, дает возможность объективно оценивать степень удаления загрязнений и минимизировать возможные разрушения очищаемой поверхности, что позволяет повысить эффективность и безопасность процесса очистки. Отношение интенсивностей спектральных линий является универсальным критерием для контроля процесса лазерной очистки, позволяющим полностью автоматизировать данную технологию, при этом устраняется операция визуальной оценки степени очистки, требующая значительного времени и вызывающая простой в технологическом процессе. Кроме того, описываемый способ позволяет сделать режим многоимпульсной лазерной очистки управляемым, что повышает производительность технологии, по крайней мере, на порядок. Указанные выше преимущества снижают затраты, связанные с неконтролируемостью процесса лазерной очистки.The use of LIES in continuous recording mode and the application of the spectral line selection criterion for monitoring the laser cleaning process described above makes it possible to objectively assess the degree of contamination removal and minimize possible damage to the surface being cleaned, which improves the efficiency and safety of the cleaning process. The ratio of the intensities of the spectral lines is a universal criterion for monitoring the process of laser cleaning, which allows to fully automate this technology, while eliminating the operation of a visual assessment of the degree of cleaning, which requires considerable time and causes a simple process. In addition, the described method allows you to make the regime of multi-pulse laser cleaning controllable, which increases the productivity of the technology, at least an order of magnitude. The above advantages reduce the costs associated with the uncontrollability of the laser cleaning process.
Предлагаемый способ поясняется фиг. 1, где представлены спектральные линии кислорода при девяти проходах лазерного пучка, фиг. 2, где получен эмиссионный спектр железа при девяти проходах лазерного пучка, фиг. 3, где составлено отношение интенсивностей линии кислорода (588,46 нм) к линии железа (558,61 нм), и фиг. 4, где представлена схема процесса лазерной очистки со спектральным контролем, в которой лазерный источник 1 генерирует импульсное лазерное излучение на сканирующие зеркала с гальваническим приводом 2, управляемые с помощью драйвера 3 через управляющий компьютер 4 и осуществляющие развертку лазерного луча, фокусируемого объективом 5 на удаляемом слое загрязнителя 6, при удалении слоя 6 возникает плазменный факел 7, излучение которого через коллиматор 8 по оптическому волокну 9 регистрируется спектрометром 10 и поступают на управляющий компьютер 4, осуществляющий вычисление отношения интенсивностей спектральных линий и регулирующий мощность лазера 1 в соответствии с вычисленным отношением.The proposed method is illustrated in FIG. 1, which shows the spectral lines of oxygen at nine passes of the laser beam, FIG. 2, where the emission spectrum of iron was obtained at nine passes of the laser beam, FIG. 3, where the ratio of the intensities of the oxygen line (588.46 nm) to the iron line (558.61 nm) is compiled, and FIG. 4, which shows a diagram of a laser cleaning process with spectral control, in which the laser source 1 generates pulsed laser radiation on scanning mirrors with a galvanic drive 2, controlled by driver 3 through the control computer 4 and scanning the laser beam focused by the lens 5 on the removable layer pollutant 6, when removing layer 6, a plasma torch 7 arises, the radiation of which through the collimator 8 through the optical fiber 9 is recorded by a spectrometer 10 and fed to the control computer 4 serial ports, performs calculation of the ratio of the intensities of the spectral lines and the control power of the laser 1 in accordance with the calculated ratio.
Экспериментально был подтвержден предлагаемый способ лазерной очистки. В качестве образца была взята сильно корродированная стальная пластинка (марка стали - Сталь 45). В эксперименте использовался волоконный лазер ИЛМИ-50 (IPG-Photonics) со следующими параметрами: средняя мощность 50 Вт, частота следования импульсов 50-100 кГц, энергия в импульсе 1 мДж, длина волны излучения 1,06 мкм. Сканирование поверхности образца лазерным пучком осуществлялась с помощью гальванического сканатора; спектр возникающей при обработке плазмы записывался в режиме высокоскоростного считывания данных волоконным спектрометром LIBS-2500 (OceanOptics), выходная оптическая система которого была установлена в области свечения плазменного факела. Для фокусировки лазерного излучения использовался объектив с фокусным расстоянием 300 мм, диаметр лазерного пятна на очищаемой поверхности составлял 200 мкм.The proposed laser cleaning method was experimentally confirmed. A highly corroded steel plate (steel grade - Steel 45) was taken as a sample. The experiment used an ILMI-50 fiber laser (IPG-Photonics) with the following parameters: average power 50 W, pulse repetition rate 50-100 kHz, pulse energy 1 mJ, radiation wavelength 1.06 μm. Scanning the surface of the sample with a laser beam was carried out using a galvanic scanner; the spectrum of the plasma produced during processing was recorded in the high-speed data reading mode with a LIBS-2500 fiber spectrometer (OceanOptics), the output optical system of which was installed in the region of the glow of the plasma torch. To focus the laser radiation, a lens with a focal length of 300 mm was used; the diameter of the laser spot on the surface being cleaned was 200 μm.
В результате эксперимента были получены эмиссионные спектры, представленные на фиг.1, 2, в которых были зарегистрированы линии железа (558,16 нм, 561,49 нм) и линии кислорода (588,86 нм и 589,46 нм), с уменьшением интенсивности которых слой коррозии становился меньше.As a result of the experiment, emission spectra were obtained, shown in Figs. 1 and 2, in which the iron lines (558.16 nm, 561.49 nm) and the oxygen lines (588.86 nm and 589.46 nm) were recorded, with a decrease the intensities of which the corrosion layer became smaller.
После девятого прохода лазерного излучения поверхность стальной пластинки была очищена до блеска. В итоге было составлено отношение интенсивностей спектральной линии кислорода (588,46 нм) к спектральной линии железа (558,61 нм) (фиг.3), из которого следует, что поверхность можно считать очищенной, когда отношение обозначенных выше спектральных линии становится <0,5.After the ninth pass of laser radiation, the surface of the steel plate was cleaned to a shine. As a result, the ratio of the intensities of the spectral line of oxygen (588.46 nm) to the spectral line of iron (558.61 nm) (Fig. 3) was compiled, from which it follows that the surface can be considered cleaned when the ratio of the spectral lines indicated above becomes <0 ,5.
На основании вышеизложенного заявленная совокупность признаков позволяет решить задачу повышения эффективности и безопасности процесса лазерного удаления поверхностных загрязнений.Based on the foregoing, the claimed combination of features allows us to solve the problem of increasing the efficiency and safety of the process of laser removal of surface contaminants.
