ハイエンド製造と省エネ・排出削減では、高度なプロセスがますます緊急に求められています。工業用表面処理の面では、技術とプロセスの全面的なアップグレードが緊急に求められています。機械摩擦洗浄、化学腐食洗浄、強衝撃洗浄、高周波超音波洗浄などの従来の工業用洗浄プロセスは、洗浄サイクルが長いだけでなく、自動化が難しく、環境に有害な影響を与え、望ましい洗浄効果を達成できず、微細加工のニーズを十分に満たすことができません。
しかし、環境保護、高効率、高精度の矛盾がますます顕著になるにつれ、従来の工業用洗浄方法は大きな課題に直面しています。同時に、環境保護に役立ち、超仕上げ分野の部品に適したさまざまな洗浄技術が登場しており、レーザー洗浄技術もその1つです。
レーザー洗浄コンセプト
レーザー洗浄は、焦点を絞ったレーザーを材料の表面に作用させて表面の汚染物質を急速に蒸発させたり剥離したりすることで、材料の表面を洗浄する技術です。従来のさまざまな物理的または化学的洗浄方法と比較して、レーザー洗浄は非接触、消耗品なし、汚染なし、高精度、損傷なしまたは損傷が少ないなどの特徴があり、新世代の工業用洗浄技術の理想的な選択肢です。
レーザー洗浄機の動作原理
の原理 レーザー洗浄機 より複雑で、物理的プロセスと化学的プロセスの両方が含まれる場合があります。多くの場合、物理的プロセスが主なプロセスであり、いくつかの化学反応が伴います。主なプロセスは、ガス化プロセス、衝撃プロセス、振動プロセスの3つのカテゴリに分類できます。
ガス化プロセス
高エネルギーレーザーを材料の表面に照射すると、表面がレーザーエネルギーを吸収して内部エネルギーに変換し、表面温度が急速に上昇して材料の気化温度以上に達し、汚染物質が蒸気の形で材料の表面から分離されます。選択的気化は通常、表面汚染物質によるレーザー光の吸収率が基材の吸収率よりも大幅に高い場合に発生します。典型的な応用例は、石材表面の汚れの洗浄です。下の図に示すように、石材表面の汚染物質はレーザーの吸収が強く、急速に気化します。汚染物質が除去され、レーザーが石材表面に照射されると、吸収が弱くなり、より多くのレーザーエネルギーが石材表面によって散乱され、石材表面の温度変化が小さく、石材表面が損傷から保護されます。
典型的な化学ベースのプロセスは、紫外線帯のレーザーを使用して有機汚染物質を除去するときに発生し、レーザーアブレーションと呼ばれます。紫外線レーザーは波長が短く、光子エネルギーが高いです。たとえば、KrFエキシマレーザーの波長は248nmで、光子エネルギーは5eVと高く、これは通常のレーザーの40倍です。 CO2 レーザー光子エネルギー（0.12 eV）。このような高い光子エネルギーは有機物の分子結合を破壊するのに十分であり、有機汚染物質中のCC、CH、COなどはレーザーの光子エネルギーを吸収した後に破壊され、熱分解ガス化されて表面から除去されます。
ショックプロセス
衝撃プロセスは、レーザーと材料との相互作用中に発生する一連の反応であり、材料の表面に衝撃波が形成されます。衝撃波の作用により、表面の汚染物質が分解され、表面から剥がれたほこりや破片になります。衝撃波を引き起こすメカニズムは、プラズマ、蒸気、急速な熱膨張と収縮など、数多くあります。プラズマ衝撃波を例にとると、レーザー洗浄における衝撃プロセスが表面の汚染物質を除去する仕組みを簡単に理解できます。超短パルス幅（ns）および超高ピークパワー（107〜1010 W / cm2）のレーザーを適用すると、表面がレーザーをわずかに吸収した場合でも表面温度が急激に上昇し、瞬時に気化温度に達します。上記では、次の図の（a）に示すように、材料の表面上に蒸気が形成されています。蒸気の温度は104〜105 Kに達する可能性があり、蒸気自体または周囲の空気をイオン化してプラズマを形成できます。プラズマはレーザーが材料の表面に到達するのを妨げ、材料の表面の蒸発は停止する可能性がありますが、プラズマはレーザーエネルギーを吸収し続け、温度が上昇し続け、局所的な超高温高圧状態を形成し、材料の表面に瞬間的に1〜100 kbarを生成します。 下の図（b）と（c）に示すように、衝撃は徐々に材料の内部に伝わります。 衝撃波の作用により、表面の汚染物質は小さなほこり、粒子、または破片に分解されます。 レーザーを照射位置から遠ざけると、プラズマが消えて局所的に負圧が発生し、下の図（d）に示すように、表面から汚染物質の粒子または破片が除去されます。
振動プロセス
短パルスの作用下では、材料の加熱と冷却のプロセスが非常に急速です。異なる材料は異なる熱膨張係数を持っているため、短パルスレーザーの照射下では、表面の汚染物質と基板は異なる程度の高周波熱膨張と収縮を起こし、振動を引き起こし、汚染物質が材料の表面から剥がれます。この剥離プロセス中に、材料の気化が起こらず、プラズマが生成されない場合があります。代わりに、振動の作用下で汚染物質と基板の界面に形成されたせん断力が、汚染物質と基板の結合を破壊します。研究によると、レーザーの入射角をわずかに増やすと、レーザーと粒子汚染物質および基板界面との接触が増加し、レーザー洗浄の閾値が低下し、振動効果がより顕著になり、洗浄効率が高くなることが示されています。ただし、入射角は大きすぎてはいけません。入射角が大きすぎると、材料の表面に作用するエネルギー密度が低下し、レーザーの洗浄能力が弱まります。
レーザークリーナーの産業応用
金型産業
レーザークリーナーは、金型の非接触洗浄を実現できるため、金型の表面にとって非常に安全で、精度を確保でき、従来の洗浄方法では除去できないサブミクロンの汚れ粒子を洗浄できるため、真に無公害で効率的かつ高品質の洗浄を実現できます。
精密機器産業
精密機械業界では、潤滑や耐食性のために使用されるエステルや鉱物油を部品から通常は化学的に除去する必要があり、化学洗浄では残留物が残ることがよくあります。 レーザー脱エステル化では、部品の表面に損傷を与えることなく、エステルと鉱物油を完全に除去できます。 レーザーは部品表面の薄い酸化物層の爆発的なガス化を促進して衝撃波を形成し、その結果、機械的相互作用ではなく汚染物質が除去されます。
鉄道産業
現在、レールの溶接前洗浄はすべて研削ホイールと研磨ベルトによる研削式洗浄を採用しており、基材に深刻な損傷と深刻な残留応力を引き起こし、毎年大量の研削ホイール消耗品を消費し、コストが高く、環境に深刻な粉塵汚染を引き起こしています。レーザー洗浄は、我が国の高速鉄道の軌道敷設生産に高品質で効率的なグリーン洗浄技術を提供し、上記の問題を解決し、シームレスなレール穴や灰色の斑点などの溶接欠陥を排除し、我が国の高速鉄道運行の安定性と安全性を向上させることができます。
航空業界
航空機の表面は一定期間後に再塗装する必要がありますが、塗装する前に元の古い塗料を完全に除去する必要があります。航空分野では、化学薬品の浸漬/拭き取りが主な塗装剥離方法です。この方法では、大量の化学補助廃棄物が発生し、局所的なメンテナンスと塗装剥離を実現することは不可能です。このプロセスは作業負荷が高く、健康に有害です。レーザー洗浄は、航空機のスキン表面の塗料を高品質に除去することを可能にし、生産のために簡単に自動化できます。現在、レーザー洗浄技術は、一部のハイエンドモデルのメンテナンスに適用されています。
船舶産業
現在、船舶の生産前洗浄には主にサンドブラスト法が採用されています。 サンドブラスト工法は周辺環境に深刻な粉塵汚染を引き起こしており、徐々に禁止され、造船会社の生産量の削減や中止につながっています。 レーザー洗浄技術は、船舶表面の防食スプレー用に環境に優しく無公害の洗浄ソリューションを提供します。
武器
レーザー洗浄技術は武器のメンテナンスに広く利用されている。レーザー洗浄システムは さびを取り除く レーザー洗浄機は、金属物体の表面を効率的に素早く洗浄し、汚染物質を除去するだけでなく、洗浄箇所を選択して洗浄の自動化を実現できます。レーザー洗浄を使用すると、化学洗浄プロセスよりも清浄度が高くなるだけでなく、物体の表面への損傷もほとんどありません。さまざまなパラメータを設定することで、レーザー洗浄機は金属物体の表面に緻密な酸化物保護膜または金属溶融層を形成し、表面強度と耐腐食性を向上させることもできます。レーザーによって除去された廃棄物は基本的に環境を汚染せず、遠距離での操作も可能で、操作者の健康へのダメージを効果的に軽減します。
建物外観
超高層ビルがどんどん建設され、建物の外壁の清掃問題がますます顕著になっています。レーザー洗浄システムは、光ファイバーを通じて建物の外壁をきれいに洗浄します。最大長さ70メートルのソリューションは、さまざまな石、金属、ガラスのさまざまな汚染物質を効果的に洗浄でき、その効率は従来の洗浄よりもはるかに高くなっています。また、建物内のさまざまな石から黒い斑点や汚れを取り除くこともできます。レーザー洗浄システムの建物や石碑の洗浄テストでは、レーザー洗浄が古代の建物の外観を保護するのに良い効果があることが示されています。
エレクトロニクス産業
電子産業ではレーザーを使用して酸化物を除去します。電子産業では高精度の除染が必要であり、レーザー脱酸素は特に適しています。基板をはんだ付けする前にコンポーネントのピンを徹底的に脱酸素して、最適な電気的接触を確保する必要があります。また、除染プロセス中にピンが損傷してはなりません。レーザー洗浄は使用要件を満たすことができ、効率が非常に高く、各針に必要なレーザー照射は 1 回だけです。
原子力発電所
レーザー洗浄システムは、原子力発電所の原子炉配管の洗浄にも使用されています。光ファイバーを使用して高出力レーザービームを原子炉に導入し、放射性ダストを直接除去するため、洗浄後の材料の洗浄が容易です。また、遠隔操作のため、作業員の安全も保証されます。
概要
今日の先進的な製造業は、国際競争の頂点に立っています。レーザー製造の先進的なシステムとして、レーザー洗浄機は産業発展における応用価値に大きな可能性を秘めています。レーザー洗浄技術を積極的に開発することは、経済と社会の発展にとって非常に重要な戦略的意義を持っています。
