doi: 10.52899/24141437_2025_03_291
УДК: 621.9.048.7: 621.375.826: 621.373.8

О влиянии параметров импульсов на интенсивность удаления органических слоев с углеродистой стали и других материалов при пиролизной очистке с использованием наносекундных технологических лазеров

Девойно О. Г., Шпакевич Д. А., Горбунов А. В., Лапковский А. С., Пилецкая Л. И., Рудницкий А. Ю.
Язык статьи: русский
Ссылка для цитирования: Девойно О.Г., Шпакевич Д.А., Горбунов А.В., Лапковский А.С., Пилецкая Л.И., Рудницкий А.Ю. О влиянии параметров импульсов на интенсивность удаления органических слоев с углеродистой стали и других материалов при пиролизной очистке с использованием наносекундных технологических лазеров // Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. 2025. Т. 4, № 3. С. 291–301. DOI: 10.52899/24141437_2025_03_291 EDN: JAFYZG

Аннотация

Актуальность. Статья посвящена исследованию в области технологий импульсной лазерной очистки (ЛО), актуальной для современных металлообрабатывающих производств. Цель работы — получить новые данные для описания (на полуколичественном уровне) связи между выходными параметрами ЛО и набором регулируемых режимных параметров этих процессов, с использованием методов экспериментального исследования по удалению слоев органических материалов с металлических образцов с применением импульсного лазера мощностью до 200 Вт и параметрического анализа его результатов, а также аналогичных экспериментальных данных, полученных ранее в сходных исследованиях с лазерами с наносекундными импульсами. Материалы и методы. Проведена серия опытов по ЛО стальных образцов от пленок краски и слоя резиносодержащих загрязнений (образующихся в шинном производстве), с варьированием параметров лазеров и определением производительности ЛО, энергозатрат и некоторых характеристик, влияющих на разрушение органического слоя. Результаты. Анализ результатов в сочетании с данными аналогичных работ по ЛО показал сложный многофакторный характер связи входных режимных параметров с выходными, а также то, что одними из наиболее явно (и прямо пропорционально) влияющих на интенсивность очистки металлов параметров являются длительность импульса tp и коэффициент заполнения DC. В оптимальных режимах энергозатраты на ЛО близки к 13 МДж/(дм3 слоя) в варианте с ЛО эластомерсодержащего слоя. Поверхность образцов из Ст3 при такой ЛО не подвергается заметной эрозии и ее микротвердость находится на уровне ≤180 HV, что близко к этому показателю для исходной стали. Заключение. В дальнейших НИОКР целесообразным будет выбирать параметры для реализации процессов ЛО с учетом механизма удаления слоя, которое, по предварительной оценке, в режимах с невысокими энергозатратами идет с сочетанием энергоемкой термоабляции (пиролиза) и механизма отслоения покрытия за счет роста термоупругих напряжений в нем. Ключевые слова: очистка поверхности металла; удаление органических слоев; наносекундные лазеры; пиролиз; краска; длительность импульсов; коэффициент заполнения; энергозатраты.

Список литературы

1. D’Arcangelo S., Caprio L., Chesi D., et al. Methodological comparison of laser stripping solutions with contemporary pulsed lasers for e-drive copper hairpins // Production Engineering. Research and Development. 2024.
Vol. 18, N. 3–4. P. 557–572. doi: 10.1007/s11740-023-01236-0 EDN: XHWIDC
2. Steen W.M., Mazumder J. Laser Material Processing. London: Springer, 2010. doi: 10.1007/978-1-4471-3752-8
3. Brygo F., Dutouquet C., Le Guern F. Laser fluence, repetition rate and pulse duration effects on paint ablation // Applied Surface Science. 2006.Vol. 252, N. 6. P. 2131–2138. doi: 10.1016/j.apsusc.2005.02.143 EDN: MFHYHJ
4. Brygo F., Semerok A., Weulersse J.-M. Laser ablation of a turbidmedium: Modeling and experimental results // Journal of Applied Physics.2006. Vol. 100, N. 3. doi: 10.1063/1.2220647 EDN: LVZFTX
5. Madhukar Y.K., Mullick S., Shukla D.K. Effect of laser operating mode in paint removal with a fiber laser // Applied Surface Science. 2013. Vol. 264. P. 892–901. doi: 10.1016/j.apsusc.2012.10.193
6. Вейко В.П., Кишалов А.А., Мутин Т.Ю., Смирнов В.Н. Перспективы индустриальных применений лазерной очистки материалов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 3 (79). С. 50–54.
7. Zhao H., Qiao Y., Du X. Laser cleaning performance and mechanism in stripping of Polyacrylate resin paint // Applied Physics A. 2020. Vol. 126, N. 5. doi: 10.1007/s00339-020-03551-0 EDN: NKACAQ
8. Li Y., Li J., Dong H., et al. Simulation and Experimental Study of Nanosecond Pulse Laser Removal of Epoxy Paint on 6061 Aluminum Alloy Surface // Photonics. 2024. Vol. 11, N. 1. doi: 10.3390/photonics11010025 EDN: LMWBEE
9. Lu Y., Yang L., Wang M., Wang Y. Simulation of nanosecond laser cleaning the paint based on the thermal stress // Optik. 2020. Vol. 227, N. 3. doi: 10.1016/j.ijleo.2020.165589
10. Kim J.-D., Kim J.-E., Song M.-K., Lee J.-M. A Fundamental Study on the High-Power Fiber Laser Cleaning for Removing the Multi-Layer Coating (in Korean) // Journal of Welding and Joining. 2020. Vol. 38, N. 6. P. 563–568. doi: 10.5781/JWJ.2020.38.6.6 EDN: YDORZO
11. Kim J.-E., Lee J.-M., Hyun J.-H. A Study on the Laser Removal of Epoxy Coatings on SS400 Surface by Beam Scanning Patterns // Coatings. 2021. Vol. 11, N. 12. doi: 10.3390/coatings11121510 EDN: RXGDKR
12. Deschênes J.M., Fraser A. Empirical Study of Laser Cleaning of Rust, Paint, and Mill Scale from Steel Surface. In: Lee J., Wagstaff S., Lambotte G., et al. (eds). Materials Processing Fundamentals 2020. The Minerals, Metals & Materials Series. Cham: Springer, 2020. P. 189–201. doi: 10.1007/978-3-030-36556-1_17
13. Li X., Wang H., Yu W., et al. Laser paint stripping strategy in engineering application: A systematic review // Optik. 2021. Vol. 241, N. 509. doi: 10.1016/j.ijleo.2021.167036 EDN: XLFKHP
14. Siggs E.B. Laser and electron beam treatments for corrosion protection of friction stir welds in aerospace alloys. [Doctorate Thesis] Birmingham, 2010. Дата обращения: 20.07.2025. Режим доступа: https://core.ac.uk/ reader/77070
15. Liu K., Garmire E. Paint removal using lasers // Applied Optics. 1995.Vol. 34, N. 21. P. 4409–4415. doi: 10.1364/AO.34.004409
16. Stafe M., Negutu C., Popescu I.M. Theoretical determination of the ablation rate of metals in multiple-nanosecond laser pulses irradiation regime // Applied Surface Science. 2007. Vol. 253, N. 15. P. 6353–6358. doi: 10.1016/j.apsusc.2007.01.060 EDN: MHUQSV
17. Lammers N.A., Bleeker A. Laser shockwave cleaning of EUV reticles // Proceedings SPIE. 2007. Vol. 6730. doi: 10.1117/12.746388
18. Campanella B., Legnaioli S., Pagnotta S. Shock Waves in Laser- Induced Plasmas // Atoms. 2019. Vol. 7, N. 2. doi: 10.3390/atoms7020057 EDN: FNQBLT
19. Девойно О.Г., Горбунов А.В., Шпакевич Д.А., и др. Оценка параметров лазерной очистки от продуктов коррозии на стали и низколегированных сплавах при сопоставлении со скоростью лазерно-пиролизного удаления органических пленок с металлов. В кн.: Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сборник научных трудов физико-технического института нан беларуси. В 2 кн. Кн. 2.
Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки. Минск: ФТИ НАНБ, 2024. С. 31–47. EDN: WIDHCA