La limpieza con láser es un método eficaz para eliminar partículas sucias y películas de diferentes materiales y tamaños de una superficie sólida.
Cuando se utiliza un láser continuo o pulsado de alto brillo y bien dirigido, se forma un rayo láser con una forma de punto y una distribución de energía específicas después del enfoque óptico y la conformación del punto. Luego, el rayo láser se proyecta sobre la superficie del material contaminado que debe limpiarse.
Después de que el material contaminante fijado a la superficie absorba la energía del láser, pasará por una serie de complejos procesos físicos y químicos, como vibración, fusión, combustión e incluso vaporización, haciendo que el contaminante se desprenda de la superficie del material.
Incluso si el láser se aplica a la superficie limpia, la mayor parte se reflejará sin causar daños al sustrato, logrando así el efecto de limpieza.
Consulte la siguiente figura para ver un ejemplo de limpieza de una aleación de aluminio con pintura roja en la superficie.
La limpieza con láser se puede clasificar según diferentes criterios. Por ejemplo, se puede dividir en limpieza con láser en seco y limpieza con láser en húmedo según si se aplica una película líquida a la superficie del sustrato durante el proceso de limpieza con láser.
El primero implica irradiar directamente la superficie contaminante con rayos láser, mientras que el segundo requiere aplicar humedad o una película líquida sobre la superficie a limpiar. La limpieza láser húmeda es eficaz pero requiere un recubrimiento manual de la película líquida, que no debería alterar las propiedades del material del sustrato.
Por lo tanto, en comparación con la tecnología de limpieza por láser en seco, el ámbito de aplicación de la limpieza por láser en húmedo es algo limitado.
La limpieza con láser en seco es actualmente el método de limpieza con láser más utilizado, en el que se utilizan rayos láser para irradiar directamente la superficie de la pieza de trabajo para eliminar partículas y películas.
Limpieza láser en seco
El principio básico de la limpieza con láser en seco es que cuando las partículas y el sustrato son irradiados por rayos láser, la energía luminosa absorbida se convierte instantáneamente en energía térmica. Esto provoca una expansión térmica instantánea de las partículas, del sustrato o de ambos, generando una aceleración entre ellas.
La fuerza producida por esta aceleración supera la fuerza de adhesión entre las partículas y el sustrato, provocando que las partículas se desprendan de la superficie del sustrato.
(1) La limpieza con láser en seco se puede dividir en dos formas principales según los diferentes mecanismos de absorción:
Para partículas de polvo con puntos de fusión superiores a los de la matriz (o con tasas de absorción del láser significativamente diferentes):
La absorción de partículas bajo irradiación láser es más fuerte (a) o más débil (b) que la del sustrato. En este caso, la energía absorbida por el láser se convierte en energía térmica, provocando la expansión térmica de las partículas.
Aunque la cantidad de expansión térmica es muy pequeña, ocurre en un período de tiempo extremadamente corto, lo que resulta en una enorme aceleración instantánea que actúa sobre el sustrato entre las partículas y el sustrato.
Mientras tanto, el sustrato también actúa sobre las partículas, venciendo la fuerza de adhesión entre ellas y provocando que las partículas se desprendan del sustrato, como se muestra en la Figura 1.
(2) Para suciedad con puntos de ebullición más bajos:
La suciedad de la superficie absorbe directamente la energía del láser, lo que provoca una ebullición y evaporación instantáneas a alta temperatura, lo que elimina la suciedad mediante vaporización directa. El principio se muestra en la Figura 2.
Principio de limpieza húmeda con láser
La limpieza húmeda con láser, también conocida como limpieza con vapor láser, es un método de limpieza con láser en el que hay una película líquida fina o media de varios micrómetros sobre la superficie del objeto limpiado.
En comparación con la limpieza en seco, la limpieza en húmedo implica la presencia de una película de este tipo que, cuando se irradia con un rayo láser, sufre un aumento instantáneo de temperatura y genera una gran cantidad de burbujas que producen reacciones de gasificación.
La fuerza de impacto generada por la explosión de gasificación supera la fuerza de adhesión entre las partículas y el sustrato.
Dependiendo de los diferentes coeficientes de absorción de la longitud de onda del láser por partículas, películas líquidas y sustratos, la limpieza húmeda con láser se puede dividir en tres tipos.
(1) Cuando el sustrato absorbe fuertemente la energía del láser:
Cuando el láser se irradia sobre el sustrato y la película líquida, la absorción del sustrato por el láser es mucho mayor que la de la película líquida.
Por lo tanto, se produce un fenómeno de vaporización explosiva en la unión entre el sustrato y la película líquida, como se muestra en la siguiente figura. En teoría, cuanto menor sea el tiempo de pulso, más fácil será producir sobrecalentamiento en la unión, lo que resultará en una mayor fuerza de impacto explosiva.
(2) Cuando la película líquida absorbe fuertemente la energía del láser:
Este principio de limpieza implica que la película líquida absorba la mayor parte de la energía del láser y sufra una vaporización explosiva en su superficie, como se muestra en la siguiente figura.
En este caso, la eficiencia de la limpieza con láser no es tan buena como cuando el sustrato absorbe el láser, porque la fuerza del impacto explosivo solo ocurre en la superficie de la película líquida.
Cuando el sustrato absorbe el láser, se producen burbujas y explosiones en la unión entre el sustrato y la película líquida, y es más probable que la fuerza del impacto explosivo empuje las partículas lejos de la superficie del sustrato. Por tanto, el efecto limpiador de la absorción del sustrato es mejor.
(3) Cuando el sustrato y la película líquida absorben energía láser:
En este caso, la eficacia de la limpieza es baja. Después de irradiar el láser sobre la película líquida, parte de la energía del láser se absorbe y la energía se dispersa por toda la película líquida.
La película líquida hierve para producir burbujas y el sustrato absorbe la energía láser restante después de atravesar la película líquida, como se muestra en la figura. Este método requiere más energía láser para generar burbujas y explosiones hirviendo. Por tanto, la eficacia de este método es muy baja.
Cuando se utiliza la absorción de sustrato para la limpieza húmeda con láser, la mayor parte de la energía del láser es absorbida por el sustrato, lo que provoca un sobrecalentamiento en la unión entre la película líquida y el sustrato, lo que produce burbujas en la interfaz.
En comparación con la limpieza en seco, la limpieza en húmedo utiliza la fuerza de impacto explosiva generada por la explosión de burbujas en la interfaz para lograr la limpieza con láser.
Al mismo tiempo, se puede agregar una cierta cantidad de sustancias químicas a la película líquida para reaccionar con las partículas contaminantes y reducir la fuerza de adhesión entre las partículas y los materiales del sustrato, reduciendo así el límite de limpieza con láser.
Por lo tanto, la limpieza en húmedo puede mejorar la eficiencia de la limpieza hasta cierto punto, pero también presenta algunas dificultades. La introducción de una película líquida puede provocar nueva contaminación y el espesor de la película líquida es difícil de controlar.
Factores que afectan la calidad de la limpieza láser.
Influencia de la longitud de onda del láser:
La premisa de la limpieza con láser es la absorción del láser, por lo tanto, al seleccionar una fuente láser, es necesario coincidir con las características de absorción de luz del objeto limpiado para elegir un láser que sea adecuado para la banda como fuente láser.
Además, investigaciones experimentales realizadas por científicos extranjeros han demostrado que para limpiar partículas con las mismas características, cuanto más corta sea la longitud de onda, mayor será la capacidad de limpieza del láser y menor será el umbral de limpieza.
Por lo tanto, bajo la premisa de cumplir con las características de absorción de luz del material, para mejorar el efecto y la eficiencia de limpieza, se deben seleccionar láseres con longitudes de onda más cortas como fuentes de luz de limpieza.
Influencia de la densidad de potencia:
Al realizar una limpieza con láser, existe un límite de daño superior y un límite de limpieza inferior para la densidad de potencia del láser. Dentro de este rango, cuanto mayor sea la densidad de potencia del láser durante la limpieza con láser, mayor será la capacidad de limpieza y más significativo será el efecto de limpieza.
Por lo tanto, la densidad de potencia del láser debe aumentarse tanto como sea posible sin dañar el material del sustrato.
Influencia del ancho del pulso:
La fuente láser para la limpieza con láser puede ser de luz continua o pulsada. Los láseres pulsados pueden ofrecer una potencia máxima muy alta, lo que facilita el cumplimiento de los requisitos umbrales.
Además, las investigaciones han descubierto que los láseres pulsados tienen un impacto menor en los efectos térmicos de los sustratos durante la limpieza, mientras que los láseres continuos tienen un área de efecto térmico mayor.
Influencia de la velocidad y frecuencia de escaneo:
Obviamente, en el proceso de limpieza con láser, cuanto más rápida sea la velocidad de escaneo del láser y menos veces, mayor será la eficiencia de la limpieza, pero esto puede resultar en una disminución de la efectividad de la limpieza.
Por lo tanto, en aplicaciones prácticas de limpieza, se debe seleccionar la velocidad y frecuencia de escaneo apropiadas de acuerdo con las características del material del objeto limpiado y el grado de contaminación. La tasa de superposición durante el escaneo también afectará el efecto de limpieza.
Influencia de la cantidad de desenfoque:
Antes de la limpieza con láser, el láser suele enfocarse utilizando una determinada combinación de lentes de enfoque. Durante el proceso de limpieza con láser real, generalmente se realiza en un estado borroso.
Cuanto mayor sea la cantidad de desenfoque, mayor será el punto de luz sobre el material, mayor será el área de escaneo y mayor será la eficiencia. Cuando la potencia total es constante, cuanto menor sea la cantidad de desenfoque, mayor será la densidad de potencia del láser y mayor será la capacidad de limpieza.
