TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÀM SẠCH
Tổng quan về làm sạch bề mặt
Làm sạch bề mặt là một quá trình loại bỏ các hạt, lớp tạp chất (gỉ sét, bụi bẩn…) hay các lớp chất hữu cơ, rêu mốc, sinh vật sống bám trên bề mặt các chất nền Làm sạch bề mặt rất cần thiết trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp, sản xuất tới đời sống hàng ngày Làm sạch các loại bề mặt là công đoạn rất quan trọng trong ngành cơ khí chế tạo, tàu biển, ô tô và cơ khí giao thông, hàng hải và bảo dươỡng công nghiệp Một số ứng dụng cụ thể về vai trò của công nghệ làm sạch:
- Loại bỏ các hạt bụi, các lớp bẩn, tạp chất hữu cơ trên bề mặt, tăng tuổi thọ làm việc của chi tiết cơ khí.
- Làm sạch gỉ thép, các lớp sơn cũ trên bề mặt kim loại, làm sạch bề mặt chất bán dẫn và các thiết bị vi cơ, loại bỏ các lớp tạp chất khỏi các chi tiết máy móc, công tắc điện, bề mặt cathode.
- Trươớc khi tiến hành mạ bề mặt cần loại bỏ tất cả các tạp chất có trên bề mặt chi tiết.
- Trươớc khi sửa chữa, bảo dươỡng một loại mũi khoan dầu (trong ngành dầu khí) hay một chi tiết máy vận hành trong môt trươờng dầu mỡ, ngươời ta cũng phải làm sạch các lớp dầu mỡ bám trên bề mặt để quan sát chỗ hỏng dễ dàng hơn, cũng nhươ để tiến hành sửa chữa.
- Trươớc và sau khi thực hiện các mối hàn, ngươời ta đều cần làm sạch.
- Làm sạch các lớp rỉ sét trên bề mặt kim loại.
- Làm sạch bề mặt bên trong lòng khuôn của các loại khuôn đúc cao su, khuôn
Các tiêu chuẩn làm sạch bề mặt
1.2.1 Mức độ sạch trên bề mặt thép Độ sạch mô tả mức độ tinh khiết của bề mặt dự trên lươợng cáu cặn và rỉ sét còn tồnt tại trê bề mặt Các tiêu chuẩn khác nhau xác định mức độ tinh khiết và thươờng đươợc yêu cầu bởi nhà sản xuất sơn hoặc khách hàng của một dự án Bề mặt thép đươợc sơn thông thươờng yêu cầu độ tinh khiết SA 2.5 hoặc SA 3. Trong quá trình làm sạch, bề mặt phải đươợc làm sạch tất cả các thành phần sắt và kim loại Nếu cặn còn sót lại trên bề mặt, nó sẽ làm cong vênh và ảnh hươởng đến độ bám dính của lớp sơn phủ sau này và khả năng chống ăn mòn Những chất bẩn này có thể là:
- Lớp sơn cũ hoặc lớp phủ
1.2.2 Tiêu chuẩn Thuỵ Điển SIS 05 5900 – 1967
Tiêu chuẩn làm sạch bề mặt thông thươờng nhất đươợc gọi là “tiêu chuẩn chuẩn bị cho bề mặt thép” ký hiệu là SIS 05 5900 – 197 do viện nghiên cứu ăn mòn Thuỵ Điển soạn thảo với sự hợp tác của hiệp hội kiểm tra và vật liệu hoa kỳ (ATSM) và Uỷ ban nghiên cứu sơn cấu trúc thép (SSPC) Bảng 1.1 nêu chi tiết về tiêu chuẩn Thuỵ Điển 05 5900 -1967:
Bảng 1.1 Tiêu chuẩn Thụy Điển 05 5900- 1967.
SA Làm sạch bề mặt thép có phủ và không phủ.
Làm sạch bề mặt bằng chổi quét.
SA 1 Bề mặt không có các thành phần kim loại nhươ dầu, mỡ, bụi bẩn và mất lớp sơn Mất các lớp sắt từ quá trình sản xuất vì cặn, cáu cặn và rỉ sét của nhà máy đươợc loại bỏ Lớp cặn, rỉ và sơn còn lại bám chặt và bề mặt có thể tạo nhám đủ để lớp sơn sau bám dính tốt.
Làm sạch bề mặt bằng cách phun cát.
SA 2 Bề mặt không có các thành phần kim loại nhươ dầu, mỡ, bụi bẩn và mất lớp sơn Mất các lớp sắt từ quá trình sản xuất vì cặn, cáu cặn và rỉ sét của nhà máy đươợc loại bỏ Lớp cặn, rỉ và sơn còn lại bám chặt và bề mặt có thể tạo nhám đủ để lớp sơn sau bám dính tốt.
Làm sạch bề mặt bằng cách phun cát đến khi bề mặt gần đồng nhất.
Nhươ với SA 2 Chỉ có thể nhìn thấy các dấu vết hoặc sắc thái của các lớp loại 95% của mỗi inc vuông phải không có cặn để có thể nhìn thấy đươợc.
Làm sạch bề mặt bằng cách phun cát đến khi bề mặt đồng nhất.
Quá trình SA 2.5 và quá trình phụ: Các phôi có bề mặt kim loại màu trắng xám đồng nhất Tất cả cặn sắt và kim loại màu đều đươợc loại bỏ 100%.
Làm sạch bề mặt bằng cách phun cát.
Loại bỏ một phần các khu vực bị hươ hỏng.
Loại bỏ ngay vết rỉ sét, cáu cặn, lớp phủ lỏng lẻo và các chất gây ô nhiễm Các khu vực tiếp xúc còn lại hiển thị bóng râm nhẹ tươơng ứng với SA 2.5.
Lớp phủ còn lại còn nguyên vẹn, nên tiến hành kiểm tra độ bám dính.
ST Tẩy gỉ bằng tay hoặc máy công cụ.
Lớp phủ lỏng lẻo và cặn bẩn của máy nghiền và cặn đươợc loại bỏ; gỉ đươợc loại bỏ đến mức sau khi làm sạch có ánh kim loại mờ.
Giống nhươ ST2, hơn nữa kim loại này có độ sáng bóng kim loại cao
Loại bỏ cặn, cáu cặn, rỉ sét, sơn phủ và các tạp chất bên ngoài Các chất cặn có thể chỉ hiển thị dươới dạng sự đổi màu và sắc thái
Tẩy gỉ bằng axit (tẩy gỉ bằng hóa chất).
Tất cả các thành phần sắt và kim loại đều đươợc loại bỏ Trươớc khi sơn phủ bề mặt phải đươợc xử lý lại bằng chất tẩy rửa trung
Bảng 1.2 Các cấp độ sạch theo tiêu chuẩn 05 5900- 1967
1.2.3 Các tiêu chuẩn tươơng đươơng
Ngoài tiêu chuẩn Thuỵ điển 05 5900 – 1967 ra, trên thế giới cũng có một số tiêu chuẩn làm sạch bề mặt khác nữa cũng đươợc sử dụng phổ biến Các tiêu chuẩn đươợc sử dụng nhiều nhất là: NACE (Hiệp hội Kỹ sươ Ăn mòn Quốc gia) tiêu chuẩn Thụy Điển - dành cho Châu Âu (SIS 05 5900), SSPC (Hội đồng Sơn và Kết cấu Thép) và Tiêu chuẩn Anh (BS 4232) Tiêu chuẩn DIN 55928 của Đức và ISO 8501-1 + 2 giống với tiêu chuẩn của Thụy Điển Bảng dươới đây cung cấp một cái nhìn tổng quan về các tiêu chuẩn chuẩn bị bề mặt đươợc quốc tế công
Bảng 1.3 Các tiêu chuẩn tươơng
Sweden England USA USA Canada China Japan
SSPC NACE CGSB GB SPSS
SA1 Light SSPC NACE 4 31 GP Sd1/Sd2 blast to SP 7 404 Type brush of 3
SA2 Third SSPC NACE 3 31 GP SA2 Sd1/Sd2
SA2.5 Second SSPC NACE 3 SA2.5 Sd3
SA3 SSPC NACE 1 31 GP SA3
Một số công nghệ làm sạch áp dụng ở Việt Nam
1.3.1 Các phươơng pháp cơ học
1.3.1.1 Làm sạch bằng phươơng pháp thủ công
Phươơng pháp này dùng để loại bỏ các lớp gỉ có độ bám dính thấp, gỉ sắt, các màng sơn cũ, mối hàn chảy, hạt gỉ sắt trên mặt kim loại bằng bàn chải sắt, bằng búa gõ, bằng giấy nhám, bằng máy chà, bằng dao cạo, Thươờng đươợc sử dụng cho các chi tiết lớn có bề mặt phẳng và không cần độ chính xác cao Đây là phươơng pháp thủ công lâu đời, chỉ thích hợp làm sạch với số lươợng nhỏ Bởi lẽ cần rất nhiều nhân công cho công việc này, mà hiệu quả đem lại không cao ƯƠu điểm của phươơng pháp này là dễ thực hiện, chi phí thấp Tuy nhiên phươơng pháp này có nhươợc điểm là chất lươợng bề mặt không cao, năng suất lao động thấp và có thể gây ra ô nhiễm môi trươờng do bụi bẩn gây ra, độ ồn.
1.3.1.2 Làm sạch bằng tia nươớc
Tia nươớc áp lực cao là công nghệ sử dụng hoàn toàn năng lươợng của tia nươớc tác động lên bề mặt để làm sạch bề mặt đó Hạt mài không sử trong các hệ thống bắn tia nươớc áp lực cao Đặc điểm này triệt tiêu hoàn toàn các vấn đề gây ra bởi bụi bẩn và hạt mài thải trong quá trình làm sạch Có hai dải áp suất thươờng đươợc sử dụng:
- Dải áp lực cao: 690 bar đến 1.700 bar.
- Dải áp lực siêu cao: từ 1.700 bar trở lên
Một số đặc tính của phươơng pháp lằm sạch bề mặt bằng tia nươớc:
- Có khả năng loại bỏ tất cả các loại sơn phủ bề mặt.
- Loại bỏ rỉ sét và các tạp chất khác trên bề mặt.
- Chất lươợng bề mặt sau khi làm sạch đáp ứng theo các tiêu chuẩn quốc tế Công nghệ phun tia nươớc hiện nay ở các nươớc đang phát trển rất mạnh mẽ, không chỉ do nó sạch, an toàn, không cháy nổ cho bản thân nhà máy, mà trên hết là do lươợng chất thải phải xử lý giám tới trên 98% dẫn tới chi phí cho việc xử lý cũng giảm đi đáng kể, từ đó giá thành làm sạch bề thấp nên việc áp dụng công nghệ này khá dễ dàng Ngoài ra, do bắn nươớc không yêu cầu đến bề
+Cấu tạo cơ bản hệ thống máy phun nươớc siêu cáo áp của tàu thuyền, thiết bị nhiều lần Đặc biệt, công nghệ bắn nươớc không gây ra nhiệt, không phát sinh các tia lửa nhươ bắn hạt mài nên rất an toàn về cháy nổ, nó cho phép có thể tiến hành sửa chữa và sơn trong điều kiện nhà máy vẫn hoạt động bình thươờng, không phải dừng bảo dươỡng sửa chữa nhươ khi bắn hạt mài.
Hình 1.1 Phươơng pháp làm sạch bằng tia nươớc
- Động cơ diesel hoặc động cơ điện truyền động cho máy bơm nươớc cao áp.
- Đươờng ống cấp nươớc đầu vào,
- Hệ thống ống cao áp đầu ra và súng phun.
Trong lĩnh vực công nghệ phun nươớc áp lực cao, ngươời ta phân loại máy theo dải áp lực nhươ sau:
- Từ 350 bar đến 700 bar đươợc gọi là Bơm cao áp Với dải áp lực này các lớp sơn rỗ tróc, hoặc dầu mỡ trên bề mặt sẽ đươợc tẩy sạch.
- Từ 700 bar đến 1700 bar đươợc gọi là Bơm trung cao áp Với giải áp lực này gỉ sắt, rỗ bề mặt kim loại, sơn thông thươờng cũ sẽ đươợc tẩy sạch.
- Từ 1700 bar đến 2800 bar đươợc gọi là bơm siêu cao áp Với dải áp lực này toàn bộ lớp vật liệu bám trên bề mặt kim loại sẽ đươợc tẩy sạch đươa bề mặt kim loại về trạng thái ban đầu.
Một số ươu điểm của phươơng pháp phun nươớc áp lực cao:
- Không phát sinh bụi trong không gian làm việc.
- Dễ dàng thu hồi và xử lý chất thải.
- Có thể làm việc ở hầu hết các vị trí.
- Làm sạch sâu, loại bỏ tới các tạp chất tế vi trên bề mặt.
- Mức tiêu hao nươớc thấp.
- Chất lươợng và hiệu suất làm sạch cao.
Phun cát là dùng khí nén để phun cát lên bề mặt các vật liệu Có công dụng nhằm làm sạch, bong gỉ sét hoặc đánh bóng vật liệu giúp tăng cươờng tính bề mặt của vật liệu Phươơng pháp này sử dụng đươợc cả với cát tự nhiên và cát kỹ thuật để làm sạch cho riêng từng loại vật liệu khác nhau mang lại hiệu quả tốt nhất cho từng sản phẩm Phươơng pháp phun cát đươợc ứng dụng trong những công trình lớn nhươ:
- Lĩnh vực hàng hải để làm sạch gỉ sét sơn trên tàu, hàu bám vào tàu biển, vết rêu mốc
- Kết cấu thép tại các nhà máy để làm sạch nhươ các gỉ sét, sơn cũ, xăng dầu, hóa chất dễ cháy…
- Phục hồi bề mặt và xóa bỏ các hình vẽ trên tươờng, xây dựng và bảo dươỡng cầu, công trình giao thông, công trình kiến trúc
Một bề mặt thép bị gỉ hoặc “bẩn” có thể làm sạch một cách có hiệu quả bằng phươơng pháp phun cát tức là các hạt cát, đá, sỏi nhỏ đươợc đẩy tới với một tốc độ cao qua miệng ống phun sẽ tác động lên bề mặt để làm sạch gỉ và các chất bẩn dính trên nó Kích thươớc một hạt mài (cát, sỏi) khoảng từ 0,3 đến 1,5 mm là kích thươớc đươợc kiểm nghiệm hiệu quả nhất đạt đươợc các tiêu chuẩn chuẩn bị bề mặt theo quy định, đặc biệt có hiệu qủa khi làm sạch bề mặt bị lõm sâu Việc sử dụng hạt sỏi trong quá trình chuẩn bị bề mặt thươờng sử dụng nhiều hơn và hiệu qủa hơn dùng bằng cát Việc chuẩn bị bề mặt đạt hiệu qủa cao, nhanh chóng và kinh tế hay không còn phụ thuộc vào mức độ gỉ sét, mức độ rỗ của bề mặt cần làm sạch Một bề mặt tôn còn mới, phẳng chắc chắn chi phí cho việc làm sạch sẽ ít tốn kém hơn so với một bề mặt gỉ, rỗ nhiều.
Hệ thống phun cát nên đươợc thực hiện sao cho phần nền của bề mặt góc cạnh, chúng có kích thươớc nhỏ, đươờng kính tầm 0,7 mm Loại bi tròn thươờng để mài nhẵn bề mặt, còn loại góc cạnh thươờng dùng để tạo độ nhám bề
Hình 1.2 Bi dùng trong máy phun cát bị phá hủy Phun cát thươờng đươợc thực hiện từ trên xuống dươới của cấu trúc và chỉ nên thực hiện thuận chiều gió trong các vùng đã đươợc sơn Hệ thống phun cát khô không nên thực hiện ở các bề mặt sau khi phun cát bị ẩm Kiểm soát kỹ những vết bẩn dầu mỡ hay bất kỳ vết bẩn nào trên bề mặt trươớc khi phun Khi phun cát, tất cả các chất bẩn phải đươợc loại bỏ bằng dung môi Bề mặt đươợc phun phải khô, đươợc chải với bàn chải sạch, thổi với không khí khô không có dầu và hơi ẩm, hay làm sạch bằng hút chân không để làm sạch tất cả các bụi bẩn do quá trình thổi còn lươu lại trên bề mặt đồng thời để làm sạch những vị trí góc cạnh mà thiết bị phun cát không xử lý đươợc Bề mặt sau khi đã làm sạch bằng phun cát phải đươợc sơn lót ngay trong ngày, thích hợp nhất là trong khoảng thời gian
8 giờ sau khi phun, hoặc trong lúc chươa có bất kỳ vết gỉ nào xuất hiện Nếu xuất hiện gỉ hoa trên bề mặt thì phải phun cát làm sạch lại Đây là phươơng pháp đươợc dùng phổ biến, chất lươợng bề mặt đươợc chuẩn bị cao Các vết gỉ, chất bẩn bị loại bỏ hoàn toàn đồng thời bề mặt đươợc tạo nhám tốt để cải thiện độ bám dính của lớp sơn Nhươợc điểm của phươơng pháp này gây ô nhiễm môi trươờng rất lớn: để làm sạch 1 m 2 bề mặt thông thươờng ngươời ta phải sử dụng từ 50-100kg hạt mài Khi hạt mài bắn vào bề mặt để làm sạch cộng với sơn, rỉ sắt và các chất khác (dầu, hóa chất…) bám trên bề mặt trong quá trình chuyên chở, một phần bị vỡ ra (khoảng 10 - 30 %) bay lên trời, phát tán, khi có gió có thể bay xa hàng ngàn mét, làm ô nhiễm không khí trên diện rộng, một phần khác sẽ rơi xuống, phần này sẽ đươợc thu gom đem đi xử lý. Nếu việc thu gom không hết hoặc xử lý không tốt, nó sẽ gây ra ô nhiễm đất và nươớc ở cấp đặc biệt nguy hiểm Phươơng pháp này phát sinh tiếng ồn khá lớn, phát sinh nhiệt và tia lửa điện, mài mòn một lớp kim loại không mong muốn. + Có 2 dạng phun cát là phun cát khô và phun cát ươớt:
- Làm sạch bằng phun cát ươớt: Làm sạc h bằng hỗn hợp nươớc và cát, dươới áp suất cao Đươợc dùng để xử lý các mảng gỉ lớn Sau khi làm sạch do bề mặt thép bị ươớt nên phải đươợc làm khô trươớc khi quét sơn ƯƠu điểm của phươơng pháp này giảm thiểu bụi bẩn gây ô nhiễm môi trươờng do không tạo ra bụi, khối lươợng công việc lớn và xử lý nhanh Tuy nhiên phươơng pháp này có nhươợc điểm là sau khi làm sạch do bề mặt thép bị ươớt nên phải xử lý lại bề mặt chi tiết (làm khô) trươớc khi sơn.
Hình 1.3 Phươơng pháp làm sạch bằng vòi phun cát ươớt
- Làm sạch bằng phun cát khô: Đây là phươơng pháp đươợc dùng phổ biến, chất lươợng bề mặt đươợc chuẩn bị rất cao Các vết gỉ, chất bẩn bị loại bỏ hoàn toàn đồng thời bề mặt đươợc tạo nhám tốt, độ bám dính của lớp sơn đươợc cải thiện rõ rệt Các hạt cát, đá, sỏi nhỏ đươợc đẩy tới với một tốc độ cao qua miệng ống phun sẽ tác động lên bề mặt để làm sạch gỉ và các chất bẩn dính trên bề mặt này Kích thươớc hạt mài (cát, sỏi) khoảng (0,3÷ 1,5) mm (12 ÷ 60 mils) là kích thươớc đươợc kiểm nghiệm có hiệu quả nhất, đạt đươợc các tiêu chuẩn về chuẩn bị bề mặt theo quy định, đặc biệt có hiệu quả khi làm sạch bề mặt bị lõm sâu Đây là phươơng pháp phun cát làm sạch gỉ sét đươợc dùng phổ biến nhất hiện nay Xử lý bề mặt kim loại với khối lươợng lớn và công nghiệp Các vết gỉ, chất bẩn bị loại bỏ hoàn toàn, bề mặt đươợc tạo nhám rất tốt, độ bám dính của lớp sơn hiệu quả hơn rất nhiều, giá cát phun làm sạch bề mặt kim loại thấp hơn nhiều so với phun bằng bi hay bột mài Tuy nhiên phươơng pháp này tạo nhiều bụi nên gây ô nhiễm môi trươờng.
1.3.1.3 Làm sạch bằng phươơng pháp phun bi
Phươơng pháp phun bi là loại máy sử dụng nén khí áp suất cao để phun bi thép lên các vật liệu cần gia công công nghiệp Máy sử dụng bi thép kĩ thuật có kích cỡ khác nhau phù hợp với từng mục đích của ngươời sử dụng Có 2 Có 2 dạng phun bi là phun bi bằng khí nén và phun bi kiểu bánh quay li tâm:
Hình 1.5 Phươơng pháp phun cát khô
CÔNG NGHỆ LÀM SẠCH BỀ MẶT CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG LASER
Sự lan truyền bức xạ laser trong vật liệu
Quá trình làm sạch bề mặt bằng laser có bản chất vật lý phức tạp và chất lươợng bề mặt cũng nhươ năng suất làm sạch phụ thuộc vào nhóm tham số làm việc của nguồn laser bao gồm: bươớc sóng, độ rộng xung, chu kỳ phát xung, công suất đỉnh, chất lươợng của chùm tia Ngoài ra ứng xử của các vật liệu với chùm photon của laser cũng có vai trò quan trọng trong việc hình thành cơ chế làm sạch Yếu tố quan trọng nữa cần đươợc nghiên cứu là thông số bề mặt của chi tiết cần làm sạch (độ nhám, sai lệch hình dáng) đến chất lươợng làm sạch.
Khi bức xạ laser chiếu vào bề mặt vật liệu, một phần sẽ bị phản xạ khỏi mặt phân cách Phần công suất tới phản xạ từ bề mặt R phụ thuộc vào độ phân cực và góc tới của ánh sáng cũng nhươ chiết suất của khí quyển (1) và vật liệu (2) Hệ số phản xạ cho các thành phần phân cực s và phân cực p của ánh sáng có thể đươợc tính toán từ các phươơng trình Fresnel [12, 17]:
Hệ số phản xạ của một vật liệu nhất định sẽ phụ thuộc vào tần số của nguồn sáng thông qua quan hệ tán sắc của chỉ số khúc xạ của nó Ví dụ trong trươờng hợp tới bình thươờng, các giá trị cho hệ số phản xạ của kim loại trong dải quang phổ gần UV và nhìn thấy thươờng nằm trong khoảng 0,4 đến 0,95 và từ 0,9 đến 0,99 đối với IR Ngoài ra, hệ số phản xạ của bề mặt sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật liệu thông qua những thay đổi trong điện trở phép, cấu trúc vùng, dao động plasma hoặc pha vật liệu Ví dụ, khi nóng chảy, hệ số phản xạ của silicon tăng lên khoảng 2, trong khi hệ số phản xạ của kim loại nhươ Ni chỉ thay đổi vài phần trăm. Trong trươờng hợp vật liệu có cấu trúc hoặc quy mô nhỏ, có thể xảy ra cộng hươởng quang học bổ sung, chẳng hạn nhươ các plasmon và phân cực bề mặt và khối lươợng lớn, có thể dẫn đến sự hấp thụ hoặc phản xạ tăng cươờng do các chi tiết của tươơng tác photon-electron.
Khi ở bên trong vật liệu, sự hấp thụ làm cho cươờng độ ánh sáng phân rã theo độ sâu với tốc độ đươợc xác định bởi hệ số hấp thụ của vật liệu Nói chung, là một hàm của bươớc sóng và nhiệt độ, cươờng độ I phân rã theo hàm mũ với độ sâu z theo định luật Beer – Lambert [12, 17]:
I 0 là cươờng độ anh sáng ngay bên trong bề mặt sau khi xem xét sự suy giảm phản xạ Độ lớn của gradient cươờng độ sinh ra tốc độ tích tụ năng lươợIne g − z
Hình 2.1 Độ sâu hấp thụ quang học đối với một số vật liệu trên một dải bươớc sóng [29].
Thuận tiện để xác định độ sâu hấp thụ giới hạn, là độ sâu mà tại đó cươờng độ ánh sáng truyền qua giảm xuống 1/e giá trị ban đầu của nó tại mặt phân cách Hình
2.1 độ sâu hấp thụ quang là hàm của ươớc sóng đối với nhiều kim loại và chất bán dẫn Điều quan trọng cần phải lươu ý từ hình 2.1 là độ sâu hấp thụ tươơng đối ngắn so với kích thươớc của khối vật liệu Ví dụ, trong trươờng hợp hầu hết các kim loại đươợc chiếu sáng bằng tia UV, độ sâu hấp thụ là 10 nm Mặc dù việc giải thích độ sâu hấp thụ đã đươợc phát triển cho sóng phẳng, thực tế là sự hấp thụ năng lươợng bị giới hạn gần đúng trong độ sâu hấp thụ vẫn còn tồn tại đối với các cấu hình chùm tổng quát hơn Do đó, việc chọn bươớc sóng với độ sâu hấp thụ ngắn có thể cho phép thay đổi cục bộ các đặc tính bề mặt mà không làm thay đổi khối lươợng lớn của vật liệu.
Khi electron hấp thụ photon của laser, rung động, nó sẽ phát xạ lại theo mọi hươớng (bức xạ phản xạ và truyền đi) hoặc bị hạn chế bởi các phonon mạng (năng lươợng liên kết trong cấu trúc rắn hoặc lỏng) và trong trươờng hợp đó, năng lươợng sẽ đươợc coi là hấp thụ, vì nó không còn tỏa ra Trong trươờng hợp phát xạ theo mọi hươớng, các phonon sẽ làm cho cấu trúc bị rung động và rung động này sẽ đươợc truyền qua cấu trúc bởi các quá trình khuếch tán thông thươờng do sự liên kết của các phân tử của cấu trúc Các rung động trong cấu trúc sinh nhiệt Dòng nhiệt đươợc mô tả theo luật Fourier, về dẫn nhiệt Nếu năng lươợng đươợc hấp thụ đủ, thì sự rung động trở nên mãnh liệt đến mức liên kết phân tử bị kéo dài và nó không còn khả năng thể hiện độ bền cơ học do đó vật liệu đươợc cho là đã tan chảy.
Các yếu tố ảnh hươởng đến độ phản xạ và hấp thụ của vật liệu có thể kể đến nhươ bươớc sóng, nhiệt độ, lớp phủ bề mặt và góc tới của chùm tia laser Ở bươớc sóng ngắn hơn, các photon năng lươợng cao hơn có thể đươợc hấp thụ bởi số lươợng electron liên kết lớn hơn và do đó độ phản xạ giảm và độ hấp thụ của
Hình 2.2.Độ phản xạ của một số kim loại là hàm của nhiệt độ.
Khi nhiệt độ của cấu trúc tăng lên, sẽ có sự gia tăng mật độ phonon, gây ra nhiều trao đổi năng lươợng phonon-electron Do đó, các electron có nhiều khả năng tươơng tác với cấu trúc hơn là dao động và tái bức xạ Do đó, có sự giảm độ phản xạ và tăng độ hấp thụ với sự tăng nhiệt độ đối với một số kim loại, nhươ trong Hình
Hình 2 3 Độ phản xạ nhươ là một hàm của nhiệt độ đối với bức xạ 1,06 μm Độ phản xạ thực chất là một hiện tươợng bề mặt và do đó lớp màng bề mặt có thể có hiệu ứng lớn Hình 2.4 cho thấy để ghép nhiễu, màng phải có độ dày khoảng [(2n + 1) / 4]λ trong đó n là số nguyên bất kỳ Sự thay đổi độ hấp thụ đối với bức xạ CO 2 bằng màng oxit bề mặt đươợc thể hiện trong Hình 2.5 [29] Một dạng của các màng bề mặt này có thể là plasma với điều kiện là plasma tiếp xúc nhiệt với bề mặt.
Hình 2.4.Một màng bề mặt nhươ một khớp nối giao thoa, lớp phủ chống phản xạ Nếu 2d / cos Φ = [(2n + 1) / 2]λ, thì sẽ có giao thoa triệt tiêu của tia phản
Hình 2.5: Độ hấp thụ là một hàm của độ dày của màng oxit trên thép đối với bức xạ 1,06 μm.
Nếu tia có mặt phẳng phân cực nằm trong mặt phẳng tới, thì tia đó đươợc gọi là tia p; nếu tia có mặt phẳng phân cực vuông góc với mặt phẳng tới, thì tia đó đươợc gọi là tia s Độ phản xạ của hai tia này phản xạ từ các bề mặt phẳng đươợc cho bởi [29]:
Chỉ số khúc xạ Góc Brewster k n
Sự thay đổi của hệ số phản xạ với góc tới đươợc thể hiện trong Hình 2.6
[30] Ở một số góc nhất định, các electron bề mặt có thể bị hạn chế rung động do tại các góc này việc hấp thụ photon không diễn ra Do đó, nếu vectơ điện nằm trong mặt phẳng tới, độ rung của electron có xu hươớng giao thoa với bề mặt ở góc tới cao và tỷ lệ hấp thụ cao; tuy nhiên, nếu mặt phẳng nằm đúng góc với mặt phẳng tới, thì rung động có thể tiến hành mà không cần tham chiếu đến bề mặt hoặc góc tới và phản xạ đươợc ươu tiên Có một góc đặc biệt là góc Brewster - tại đó góc phản xạ nằm đúng góc với góc khúc xạ Khi điều này xảy ra, vectơ điện trong mặt phẳng
Hình 2.6.Độ phản xạ của thép đối với bức xạ phân cực 1,06 μm. Ở góc này góc khúc xạ = (90 0 - góc tới) và do đó theo định luật Snell chỉ số khúc xạ, n = tan (góc Brewster) Bất kỳ chùm tia nào chỉ có một hoặc chủ yếu là một mặt phẳng cho vectơ điện đươợc gọi là chùm tia phân cực Một số giá trị của chỉ số khúc xạ và góc Brewster cho các vật liệu khác nhau đươợc đươa ra trong Bảng
Bảng 2.1: Chỉ số khúc xạ và góc Brewster cho các vật liệu khác nhau [29]
Nguyên lý làm sạch bề mặt chi tiết cơ khí bằng laser
Các nguồn laser công suất cao hiện nay có khả năng làm việc ở chế độ phát xung linh hoạt, từ 50 đên 1 triệu xung trong 1 giây, độ rộng xung từ 10 nm đến 300 nanomet, cho phép tạo ra năng lươợng tức thời lớn (kilowatt đến megawatt) trong thời gian siêu ngắn [19] Trong thời gian ngắn của xung laser, lớp vật liệu (lớp oxit) bề mặt hấp thụ photon của laser và do đó nhiệt độ của lớp bề mặt của chi tiết cơ khí tăng lên rất nhanh và gây ra sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa lớp bề mặt và lớp vật liệu nền Sự chênh lệch nhiệt độ gây ra nội ứng suất phá vỡ liên kết giữa lớp vật liệt nền và lớp bề mặt Sự gia tăng nhiệt độ của chi tiết dươới tác dụng của các xung laser liên tiếp cũng dẫn đến sự giãn nở nhanh chóng của lớp bề mặt trên cùng và hình thành sự lan truyền sóng xung kích vào các lớp bên trong Sóng dung kích này góp phần tăng cươờng phá vỡ liên kết của lớp bẩn bề mặt với lớp nền, hình
Hình 2.7: Làm sạch bề mặt bằng laser
Khi năng lươợng của xung laser đủ lớn (thươờng độ rộng xung trong khoảng từ pico-giây đến femto-giây), các phân tử lớp bề mặt hấp thụ năng lươợng Đối với laser có độ rộng xung khoảng từ 10 nm (tùy vào loại vật liệu cần làm sạch), quá trình nung nóng và hóa hơi của của vật liệu xảy ra rất nhanh, trươớc khi hết một xung laser Quá trình bốc hơi quá nhanh của lớp vật liệu bề mặt bị loại bỏ do hấp thụ năng lươợng cực lớn từ xung laser ngắn tạo ra các ion tự do và hình thành plasma Bản thân chùm plasma tạo ra lại hấp thụ bức xạ laser do đó quá trình loại bỏ, làm sạch bề mặt chậm dần.
Một số loại laser công suất cao ứng dụng làm sạch chi tiết cơ khí
Laser carbon dioxide (CO2)là một laser dựa trên khí phát ra ánh sáng hồng ngoại ở bươớc súng 10,6 àm và cung cấp cụng suất đầu ra trung bỡnh cao (lờn đến
50 kW) với tỷ lệ giữa công suất đầu ra và công suất bơm xấp xỉ 20% Ánh sáng laser đươợc tạo ra bởi sự quay và rung động của oxy từ sự phóng điện qua một hỗn hợp khí gồm carbon dioxide, nitơ và heli Mặc dù tia laser này tạo ra chất lươợng chùm tia tốt, dễ tập trung, hội tụ , nhương nó đòi hỏi hoạt động phức tạp và bền bỉ vì tia laser không thể truyền qua sợi quang học.Trong kĩ thuật thươờng dùng loại laser xung : 10 -6 ÷10 -9 s với điện áp cỡ hàng trăm kV và dòng vài Ampe Để giảm sự thái hóa khí ngươời ta cho khí luôn luân chuyên trong ống bằng bơm chân
Hình 2.8: Laser CO 2 trong thực tế [30]
Laser Nd: YAG (Laser Garnet Nhôm Yttrium pha tạp Neodymium) là một laser trạng thái rắn phát ra bươớc sóng 1.06 μm trong vùng hồng ngoại gần YAG (Y3Al5O12) cơ sở (cấu hình cơ bản) của ion Nd mà ánh sáng thu đươợc từ các ion lơ lửng trong ma trận tinh thể Trong laser Neodim-YAG, môi chất laser là Nd 3+
Sự dịch chuyển chính xảy ra từ mức 4F3/2 xuống 4I11/2 với bức xạ λ64nm [31].
Hình 2.9 Sơ đồ mức năng lươợng của Ion Nd 3+
Công suất đầu ra nằm trong khoảng từ 3 đến 1000 W, nếu bơm bằng laser diot thì chỉ từ 15 đến 100W, và laser có thể hoạt động ở cả sóng xung và chế độ sóng liên tục tùy thuộc vào nguồn bơm (bơm bằng đèn Xe hoặc laser bán dẫn AlGaAs) Chất nền ở dạng thanh có đươờng kính từ 3 đến 6 mm, chiều dài từ 5 đến 15cm Độ đồng nhất cao đảm bảo góc phân kỳ nhỏ và cho phép bức xạ đều, giá thành rẻ, dẫn nhiệt tốt, có độ bền cơ học, bền nhiệt cao, thời gian phục vụ lâu. Tính dẫn nhiệt và chịu nhiệt kém, hạn chế khả năng nâng cao công suất hoặc khi làm việc ở chế độ liên tục [31].
Trong công nghiệp vật liệu nhươ khoan, hàn với tần số xung từ 10 đến100Hz và độ dài xung từ 1 đến 100ms Trong các ứng dụng hàn, với việc sử dụng sợi quang, Nd-YAG có nhiều ươu điểm về tính mềm dẻo hơn so vơi laser CO 2 Mặc dù laser Nd: YAG có công suất đầu ra thấp hơn và hạn chế nhương sự hấp thụ cao đối với các hợp kim nhôm ở các bươớc sóng Hơn nữa, loại laser này tốt hơn cho quy trình tự động vì ánh sáng laser có thể truyền qua sợi quang.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống làm sạch bề mặt chi tiết cơ khí bằng laser
1030 nm-1070 nm Ngoài ra laser sợi quang có chất lươợng chùm tia tốt (0.3-4 mm.mrad, bảng 1), khả năng chống nhiễu môi trươờng tốt, hệ thống nhỏ gọn và linh hoạt [32] Laser sợi quang Yb cũng có một số hạn chế do sự truyền bức xạ bên trong sợi quang Hiệu ứng quang học phi tuyến xảy ra khi laser hoạt động ở công suất cao nhươ tự điều chế pha, hiệu ứng Kerr và hiệu ứng Raman có thể làm giảm hiệu suất của laser Sự thay đổi phân cực không mong muốn do ứng suất của sợi quang thay đổi khi chịu uốn, rung động và thay đổi nhiệt độ cũng ảnh hươởng đến chất lươợng và công suất chùm tia đầu ra Trong những năm gần đây, laser sợi quang nói chung và Yb laser phát triển mạnh mẽ về công suất, chất lươợng cũng nhươ những ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo sản phẩm Yb laser đươợc sử dụng để gia công nhiều loại vật liệu khác nhau nhươ nhôm, đồng, thép, thép không gỉ, titan, vàng bạc Đặc biệt Yb laser có thể đạt độ rộng xung ở cấp độ femto-giây, do đó có thể gia công các vật liệu đặc biệt với chất lươợng vết cắt cao, giảm thiểu vùng ảnh hươởng nhiệt [33, 34] Trong nghiên cứu này, nguồn laser sợi quang đươợc sử dụng để làm sạch bề mặt chi tiết cơ khí Ảnh hươởng của các tham số công nghệ của nguồn laser đươợc phân tích đánh giá chi tiết.
2.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống làm sạch bề mặt chi tiết cơ khí bằng laser
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống làm sạch bằng laser đươợc thể hiện trong hình
2.10 Nguồn laser phát xung có độ rộng xung hẹp (nano-second) và tần số phát xung cao (kHz) và do đó mang năng lươợng lớn Laser đươợc truyền dẫn trong sợi quang có độ dài từ 2m đến 10 m để dễ dàng trong quá trình gia công Chùm laser đươợc chuẩn trực khi ra khỏi sợi quang và đi đến hệ gươơng quét Galvo Hệ gươơng Galvo gồm 2 gươơng đươợc điều khiển để quét chùm tia theo 2 phươơng
XY phủ toàn bộ bề mặt chiết cần làm sạch Thấu kính hội tụ (F-Theta lens) dùng phát xung), vận tốc quay của gươơng sẽ thay đổi tốc độ làm sạch bề mặt Toàn bộ tín hiệu điều khiển đươợc lập trình và điều khiển trên máy tính trung tâm.
Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống làm sạch sử dụng laser quang sợi
+ Cấu tạo của hệ thống làm sạch bằng laser
Hệ thống làm sạch bề mặt bằng công nghệ laser gồm ba phần chính: nguồn laser sợi quang, đầu quét, bộ phận làm mát và gá lắp cơ khí:
- Nguồn laser sợi quang có cấu tạo gồm nguồn bơm là các nguồn laser bán dẫn và sợi quang khuếch đại công suất, hình 2.10 Sợi quang có vai trò nhươ buồng cộng hươởng, khuyếch đại công suất và phát xạ laser Sợi quang đươợc pha thêm một phần nhỏ ion đất hiếm Các ion đất hiếm này hấp thụ bức xạ laser từ nguồn bơm có bươớc sóng ngắn và chuyển lên mức năng lươợng cao hơn và tạo ra hiện tươợng nghịch đảo nồng độ Các ion ở mức năng lươợng cao trong thời gian ngắn sẽ chuyển về mức năng lươợng thấp hơn đồng thời giải phóng ra các photon thứ cấp có bươớc sóng dài hơn bươớc sóng của nguồn bơm Các photon sinh ra bị giữ trong lớp lõi của sợi quang Để tạo ra buồng cộng hươởng,hai đầu của sợ quang dạng cách tử phản xạ Bragg Cách tử Bragg có kết cấu nhươ dạng răng cươa hoặc hình thang có chiêt suất thay đổi Khi laser đi qua cách đỉnh của cách tử một phần chùm tia sẽ phản xạ lại giống nhươ vai trò của gươơng trong buồng cộng hươởng. Một vẫn đề khác với laser quang sợi là kích thươớc lõi nhỏ khó tập trung bức xạ laser từ nguồn bơm vào trong lõi Để tăng khả năng hấp thụ photon từ nguồn bơm, bức xạ từ nguồn bơm đươợc đươa vào lớp phủ có kích thươớc lớn hơn và đươợc phản xạ nhiều lần thay vì đươa trực tiếp vào lõi, hình 2.11.Vật liệu để chế tạo lõi sợi quang làm từ các nguyên tố đất hiếm nhươ Neodymium (Nd), (Yetterbium (Yb), Erbium (Er) Thulium (Tm) Bảng 2.2 chỉ ra một số loại vật liệu làm lõi sợi quang
Hình 2.11 Cấu tạo của nguồn laser quang sợi
Hình 2.12 Cấu tạo của sợi quang
Bảng 2.2: Các nguyên tố đất hiếm thươờng dùng làm lõi sợi quang khuếch đại
Nguyên tố đất hiếm Bươớc sóng nguồn bơm Bươớc sóng đầu ra Hiệu suất lươợng tử 1064 nm,1088 nm 76 %
(Yetterbium (Yb) 910 nm, 940 nm, 975 nm 1030 nm, 1100 nm, 90 %
Erbium (Er) 980 nm, 1480 nm 1550 nm 95% hoặc 63%
Thulium (Tm) 793 nm 1750 nm, 2100 nm 50 %
Laser sợi quang có thể làm việc ở chế độ phát liên tục hoặc phát xung (hình 2.13) nhờ bộ điều biến quang điện bố trí ngay trong buông cộng hươợng Chế độ phát xung thươờng đươợc sử dụng để tạo ra năng lươợng tức thời lớn, bóc tách và loại bỏ lớp bẩn bề mặt khỏi lớp vật liệu nền Thông thươờng độ rộng xung từ 10 ns-300 ns, chu kì phát xung từ 50 kHz-1 MHz Mối quan hệ giữa công suất đỉnh xung (tức thời) và công suất danh nghĩa đươợc biểu diễn bằng phươơng trình 2.7.
Pp= (Pa x T)/ τ 2.7 trong đó P p : công suất đỉnh, P a :công suất trung bình, τ: độ rộng xung, T : chu kỳ phát xung Nguồn laser có công suất trung bình 50 W, độ rộng xung 100 ns và chu kì phát xung 1 kHz sẽ tạo ra công suất đỉnh xung 500 kW.
Chu kỳ phát xung (T) Độ rộng xung (τ )
Công suất trung bình (Pa) Thời gian [s]
Hình 2.13 Mối quan hệ giữa công suất đỉnh và công suất trung bình
- Đầu quét laser: Đầu quét đươợc tạo thành từ 2 gươơng phẳng có hệ số phản xạ cao và thấu kính hội tụ có quang sai nhỏ Hệ quang đươợc làm bằng vật liệu và lớp phủ đặc biệt để chịu đươợc công suất quang lớn Hai gươơng này đươợc điều khiển góc quay chính xác bằng động cơ bươớc để lái chùm laser quét trên bề mặt chi tiết theo 2 phươơng Độ phân giải góc thông thươờng cần đạt 50 μrad Thấu kính hội tụ có quang sai méo ảnh nhỏ hơn 0.5 % và phủ lớp chống phản xạ Tốc độ quét và hệ số phản xạ là hai thông số quan trọng với đầu quét laser.
- Bộ phận làm mát và gá lắp cơ khí: Nhiệt sinh ra trong quá trình làm việc ảnh hươởng đến công suất và tuổi thọ của hệ thống làm sạch Do đó cần thiết kế hệ thống làm mát cho nguồn phát và đầu quét laser Đồng thời để tăng hiệu quả và chất lươợng làm sạch cần thiết kế, chế tạo hệ thống gá đặt dịch chuyển đầu quét chính xác và linh hoạt.
Ư Ơ u điểm vươợt trội công nghệ làm sạch laser sử dụng sợi quang
Tạo đươợc năng lươợng lớn, không làm tổn thươơng bề mặt chi tiết: Các nguồn laser công suất cao hiện nay có khả năng làm việc ở chế độ phát xung linh hoạtđộ rộng xung từ 10 nm đến 300 nm, cho phép tạo ra năng lươợng tức thời lớn (kilowatt đến megawatt) trong thời gian siêu ngắn [19, 20] Đặc trương này cho phép loại bỏ một lớp bề mặt rất mỏng ở cấp độ nanomet đến micromet, ít biến dạng nhiệt lớp vật liệu nền và có thể tùy chỉnh độ sâu lớp bề mặt bị loại bỏ bằng cách thay đổi tần số, độ rộng xung và công suất nguồn phát Do đó công nghệ làm sạch bề mặt bằng laser là công nghệ tối ươu trong công nghiệp bán dẫn, vi cơ, quang học những lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao, không sử dụng ngoại lực.Năng lươợng tức thời lớn còn cho phép loại bỏ các lớp oxit bền trên bề mặt mà bề mặt của chi tiết Trong khi các phươơng pháp làm sạch truyền thống nhươ phun cát, phun bi, tia nươớc áp suất cao, công nghệ sóng siêu âm, hay phươơng pháp hóa học thươờng gây hươ hại, biến dạng bề mặt hoặc không đủ năng lươợng để loại bỏ lớp oxit này Nguồn laser có dải bươớc sóng rộng, do đó sử dụng các bươớc sóng khác nhau 1064 nm, 532 nm, 355 nm, 248 nm tùy vào vật liệu của chi tiết cần làm sạch cho hiệu suất làm sạch ngày càng đươợc nâng cao Lựa chọn bươớc sóng, độ rộng xung và tần số xung chính xác sẽ bỏ lớp bẩn bề mặt mà không hại cho vật liệu nền Chỉ có các lớp oxit, rỉ sét, sơn, dầu, cặn, bị tác động bởi chùm tia laser Các lớp này có thể đươợc loại bỏ theo độ dày đươợc đo trong phạm vi micron.
Năng suất làm sạch cao, tuổi thọ cao, sử dụng linh hoạt: Một máy quét đươợc sử dụng sao cho các xung laser chồng lên nhau để tạo thành các đươờng và các đươờng này chồng lên nhau để tạo thành vùng quét Bằng cách này, tia laser loại bỏ từng lớp vật liệu khi nó quét qua Để đánh giá năng suất làm việc của hệ thống, hãy xem xét một hệ thống quét laser thươơng mại có công suất trung bình 750 W, thời gian phát xung là 30 ns và năng lươợng xung tối đa 80 mJ hội tụ bởi vật kính có tiêu cự 170 mm Chùm laser đươợc quét bởi hệ gươơng Galvo với tốc độ quét
5 m/s (đây là tốc độc quét trung bình) Kích thươớc của chùm tia thông thươờng nằm trong khoảng từ
435 àm đến 1736 àm Cụng suất đỉnh xung mà hệ thống tạo ra là 3 MW, tốc độ làm sạch bề mặt đạt vài chục cm 2 /giây, tùy thuộc vào vật liệu cơ bản, lớp phủ và chất lươợng bề mặt cần thiết Tốc độ làm sạch lớn nhất có thể đạt 100 cm 2 /giây thông qua sự kết hợp giữa công suất, tốc độ quét và định hình chùm tia Laser sợi quang có thể điều chỉnh linh hoạt các thông số độ rộng xung từ 50 -200 ns, chu kỳ phát xung từ
100 Hz -100 kHz, tốc độ quét có thể điều chỉnh từ 0,5 m/s đến 8m/s Do đó làm sạch bằng laser có năng suất cao, đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp Thử nghiệm cho thấy tốc độ làm sạch bề mặt có lớp nền là thép đạt là 64 cm²/s Tốc độ này cao hơn nhiều so với các phươơng pháp làm sạch bằng vòi phun hóa chất thươờng chỉ đạt hiệu suất 20 cm² Ngoài ra sử dụng các sợi quang cho phép hệ thống vận hành linh hoạt, kích thươớc nhỏ gọn, tuổi thọ cao (> 60.000h làm việc).
Công nghệ thân thiện với môi trươờng: Không gây ô nhiễm môi trươờng khi làm sạch do không phát thải bụi do không sử dụng vật tươ phụ nhươ các phươơng pháp truyền thống phải dùng cát, bi, chất hóa học và tiếng ồn rất nhỏ, vùng thi
Có khả năng làm sạch bề mặt lỗ nhỏ: Các bề mặt lỗ nhỏ mà các phươơng pháp truyền thống không làm đươợc song công nghệ laser sợi quang thực hiễn dễ dàng.
Có khả năng làm sạch bề mặt chi tiết phi kim lọai: Làm sạch đươợc bề mặt chi tiết phi kim loại, thủy tinh, đá, composite, giấy.
Tổ hợp thiết bị nhỏ gọn: Hệ thống thiết bị có thể vận chuyển dễ dàng, tiện lợi cho công tác sửa chữa, bảo dươỡng bảo chì khi thực hiện tại chỗ mà không cần phải tháo dỡ thiết bị để mang đến nơi có thiết bị làm sạch bằng laser sợi quang.
Một số ươu điểm vươợt trội khác:
- Tiêu hao năng lươợng điện thấp
- Trang bị điều khiển tự động hóa thuận lợi
- Vận hành tươơng đối dễ dàng
XÂY DỰNG QUY TRÌNH LÀM SẠCH BỀ MẶT
Xây dựng quy trình làm sạch trên thiết bị Brimo MF50
Chuẩn bị điều kiện thí nghiệm
• Thiết bị Brimo MF50 làm việc đươợc dươới môi trươờng có độ ẩm từ
10-80% Tránh tiếp xúc với môi trươờng có độ ẩm cao (bật máy hút ẩm trươớc khi vận hành khoảng 6h) Thông số kỹ thuật chính của thiết bị cho trong bảng 3.1
Bảng 3.1 Thông số của hệ làm sạch laser
Công suất trung bình 50W Độ rộng xung 50-200 ns
Chu kì phát xung 100 Hz – 1000 kHz
Sợi quang Vật liệu Sợi quang pha
Hệ quét Phạm vi quét 150mm x 150mm
• Hoạt động tốt khi nhiệt độ môi trươờng từ 0-40 o C Khi nhiệt độ vươợt quá phạm vi trên sẽ kích hoạt cảnh báo.
- Chi tiết cần làm sạch: chuẩn bị mẫu kim loại cần làm sạch.
- Đồ bảo hộ: quần áo bảo hộ, giày, găng tay, kính bảo hộ.
- Kiểm tra thiết bị, nguồn điện:
• Nguồn cung cấp chính (24V DC) phải đảm bảo cung cấp dòng điện hoạt động liên tục. liệuVật Thép SKD11
Nhiệt độ nóng chảy (C) 1421 Độ giãn nở nhiệt (C -1 ) 12x10 -6
Thành phần cấu tạo và cơ tính của thép SKD11 đươợc cho lần lươợt trong bảng 3.1 và 3.2 Mẫu làm sạch có kích thươớc 200 × 200 × 5
(mm) nhươ hình 3.1 Thép SKD11 là một trong những vật liệu có cơ tính tốt, chịu mài mòn cơ học và mòn nhiệt tốt Do đó làm sạch bề mặt chi tiết cơ khí làm từ vật liệu thép SKD11 bằng các phươơng pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn Thép SKD11 đươợc sử dụng phổ biến trong lĩnh vực khuôn mẫu, chi tiết cơ khí làm việc trong điều kiện môi trươờng khắc nghiệt.
Hình 3.1 Mẫu thép SKD11 Bảng 3.2: Thành phần cấu tạo của thép SKD11
Mác thép C Mn P S Si Cr V Mo
Bảng 3.3: Cơ tính của thép SKD11
Thành phần cấu tạo nhôm hợp kim A2024 đươợc cho trong bảng 3.3 Mẫu làm sạch có kích thươớc 200 × 200 × 5 (mm) nhươ hình 3.2 Nhôm hợp kim A2024 là một trong những vật liệu nhẹ, chịu ăn mòn hóa học tốt Làm sạch bề mặt chi tiết cơ khí làm từ vật liệu hợp kim nhôm bằng các phươơng pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn do lớp oxit bề mặt rất bền, độ cứng thấp, dễ gây tổn hại lớp vật liệu nền Hợp kim nhôm đươợc sử dụng phổ biến trong lĩnh vực y tế, thực phẩm
Bảng 3.4:Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A2024
Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn
Ti Ag Bi Cd Pb V Zr Al
Hình 3.2.Mẫu hợp kim nhôm A2024
Bươớc 2: Các thao tác tiến hành thí nghiệm.
- Lắp cáp nguồn vào đầu nối và đảm bảo điện áp 220V.
- Bật nút EMO để mở khóa điện.
Hình 3.3 Các nút chức năng của máy làm sạch Brimo MF50
- Nhấn nút “breaker’ để bật máy.
Hình 3.4 Công tác khởi động máy Brimo MF50
- Bật nguồn (Power) và công tắc laser (Laser Switch) Chờ 6-10s để làm nóng nguồn laser.
Hình 3.5 Khởi động màn hình máy Brimo MF50
3) Thiết lập các thông số công nghệ của nguồn:
Hình 3.6 Bảng thông số công nghệ máy Brimo MF50
• Width: Chiều rộng làm việc của laser (1-20mm).
• Speed: Tốc độ quét tỷ lệ thuận với chiều dài làm sạch.
• Length: Chiều dài làm việc của laser (1-200mm).
• Laser frequency: Tần số xung 70-1000 kHz.
• Pulse width: Độ rộng xung (25-250ns).
• Spiral level: Kích thươớc bươớc ren trên hình dạng quét.
• Current mode: Chế độ hoạt động (5 chế độ).
• On Red: Galvanometer quét mẫu vật để xác định vị trí và laserguide đươợc bật lên.
• Off Red: Có thể dừng quét và tắt laser-guide.
• Set: Giao diện để ngươời dùng cài đặt các tham số.
• English: Cài đặt tiếng Anh hoặc tiếng Trung.
• Mode: Có sẵn 5 chế độ mặc định để lựa chọn Có thể cài đặt và lươu lại chế độ phù hợp để sử dụng về sau.
• Start: Xác nhận lại máy và đầu quét sẵn sàng hoạt động Sau khi nhấn nút “ START” laser-guide tự động tắt và chùm tia sẵn sàng quét Khi đó nhấn nút nguồn trên tay cầm để quét và nhả nút để dừng lại.
• Stop: Thoát khỏi chế độ làm việc, khi đó nút nguồn trên tay cầm không thể sử dụng.
- Giao diện thiết lập: Sử dụng các dầu +/- để tăng, giảm các thông số.
Hình 3.7 Bảng hiệu chỉnh thông số công nghệ máy Brimo MF50
- Các chế độ hoạt động: Có 5 chế độ hoạt động Trươớc khi chọn chế độ, nếu muốn sửa thông số thì ấn nút “settings”.
Hình 3.8 Bảng chế độ làm việc máy Brimo MF50
Hình 3.9 Bảng điều khiển quá trình quét laser của máy Brimo MF50
• B3: Giữ nút nguồn Hand-piece.
• Nhả nút nguồn sẽ dừng quá trình làm sạch.
Hình 3.10 Đầu quét của máy Brimo MF50
- Xác định độ cao của tay cầm so với chi tiết (254mm).
- Bật On Red để xác định vị trí bắt đầu làm sạch.
- Ấn “START” để bắt đầu, nhấn giữ nút nguồn trên tay cầm và bắt đầu di chuyển đầu quét đều tay theo 1 chiều (di chuyển đầu quét với tốc độ đều và song song với bề mặt chi tiết).
- Sau khi quét hết 1 lươợt tiếp tục quét tiếp từ vị trí ban đầu cho đến khi đạt yêu cầu.
- Để kết thúc quá trình làm sạch, nhả nút nguồn trên tay cầm và ấn “STOP” trên màn hình.
Bươớc 3: Kết thúc quá trình.
- Tắt máy: Nhả nút nguồn trên tay cầm, sau đó ấn “STOP” trên màn hình, tắt công tắc laser (Laser Switch), tắt nút nguồn, tắt “breaker” và rút nguồn điện.
Thực nghiệm quá trình làm sạch trên thép và hợp kim nhôm
Để xác định độ dày của các lớp đã loại bỏ của mẫu, công suất trung bình đươợc thay đổi từ 60% đến 100% với gia số 10% mỗi bươớc Các thông số khác, bao gồm độ rộng xung, tốc độ lặp lại và tốc độ quét đươợc giữ nguyên Điều kiện thí nghiệm đươợc thể hiện trong Bảng 3.4 Bề mặt của cả hai mẫu đã làm sạch đươợc quan sát bằng kính hiển vi điện tử ở độ phóng đại 2,5 lần đươợc thể hiện trong Hình 3.12 và Hình 3.14 Để xác minh ảnh hươởng của công suất nguồn laser, độ dày của các lớp bị loại bỏ đươợc đo và thể hiện trên Hình 3.11 và Hình 3.13. Đối với công suất cao hơn
50%, mẫu thép tươơng tác mạnh với chùm tia laze, trong khi nhôm yêu cầu công suất cao hơn 70% Độ dày của các lớp đươợc loại bỏ đươợc phát hiện là khác nhau giữa các nền thép và nhôm Điều này đươợc cho là do sự khác biệt trong hệ số hấp thụ của các lớp oxit Hơn nữa, độ dày của lớp oxit thép lớn hơn nhiều so với nhôm oxit vì thành phần hóa học của nó Khi công suất nguồn laser tăng lên, độ nhám cũng tăng lên Điều này có thể không phù hợp cho các ứng dụng có độ chính xác cao nhươ bảo dươỡng khuôn mẫu hoặc sản xuất siêu chính xác Do đó, công suất của nguồn sáng có thể thay đổi để loại bỏ nhanh chóng các lớp bị ô nhiễm, nhương nó có thể không cải thiện hiệu quả độ nhám của bề mặt đã làm sạch.
Bảng 3.4: Điều kiện thí nghiệm xác định ảnh hươởng của công suất trung bình đến chiều sâu làm sạch
Bảng 3.1: Kết quả làm sạch thép
Công suất (%) Độ dày lớp búc tỏch (àm) trên thép Độ dày lớp búc tỏch (àm) trên nhôm
Hình 3.11 Đồ thị thể hiện độ dày lớp gỉ bị bóc tách theo công suất trên nền thép.
Hình 3.12 Hình ảnh bề mặt thép chụp từ kính hiển vi.
Hình 3.13 Đồ thị thể hiện độ dày lớp gỉ bị bóc tách theo công suất trên nền nhôm.
Hình 3.14 Hình ảnh chụp bề mặt nhôm từ kính hiển vi.
Tham số thứ hai có ảnh hươởng đáng kể đến chất lươợng bề mặt là độ rộng xung Trong thí nghiệm này, độ rộng xung đươợc kiểm soát trong khoảng 250 ns đến
50 ns Điều kiện thí nghiệm đươợc trình bày trong Bảng 3.6 Nguồn laser có độ rộng xung hẹp có thể tạo ra công suất đỉnh cao và nhiệt độ trong vùng đươợc chiếu sáng thay đổi nhanh chóng Chất lươợng bề mặt đươợc đánh giá thông qua độ nhám của bề mặt sau khi làm sạch đươợc thể hiện trong Hình 3.15 Độ rộng xung càng hẹp có thể có đươợc độ nhám bề mặt tốt hơn Trong thí nghiệm, độ nhỏm bề mặt của thộp và nhụm lần lươợt là 0,50 àm và 0,35 àm ở độ rộng xung
50 ns Do đó, kiểm soát độ rộng xung có thể là một phươơng pháp tốt để có đươợc bề mặt mịn của các bộ phận đươợc làm sạch Tuy nhiên, thời lươợng xung hẹp trong khoảng pico giây đến femto giây có thể làm tăng chi phí của quá trình làm sạch.
Bảng 3.7: Điều kiện thí nghiệm xác định ảnh hươởng của độ rộng xung đến chất lươợng bề mặt chi tiết sau làm sạch.
Công suất trung bình 80 (%) Độ rộng xung 50, 150, 250 (ns)
Hình 3.15 Ảnh hươởng của đọ rộng xung đến chất lươợng bề mặt chi tiết đươợc làm sạch
Bảng 3.8: Điều kiện thí nghiệm xác định ảnh hươởng của tần số lặp đến chất lươợng bề mặt chi tiết sau làm sạch.
Công suất trung bình 80 (%) Độ rộng xung 100 (ns)
Tần số quét 600 (m/s) Ở chế độ nano giây, tốc độ lặp lại ảnh hươởng đến việc tạo ra các sóng xung kích trên bề mặt của các mẫu do việc tạo ra một tàu xung Để xác định ảnh hươởng đến độ nhám của bề mặt đã làm sạch, tốc độ lặp lại đươợc thay đổi từ 30 kHz đến 200 kHz Các thông số khác, bao gồm độ rộng xung 100 ns, công suất trung bình 80% và tốc độ quét 600 mm / s đươợc duy trì trong suốt quá trình Kết quả thí nghiệm đươợc thể hiện trong Hình 3.16 Khi tốc độ lặp lại đươợc tăng lên,mật độ của tàu xung đươợc tăng lên tươơng ứng, và nó có thể duy trì nhiệt độ cao
Ra mặt mẫu Do đó, biên dạng của các mẫu đươợc làm phẳng, và độ nhám đươợc giảm bớt Đáng chú ý là hiệu ứng này cũng phụ thuộc vào chất liệu của mẫu. Trong thí nghiệm, nhôm và thép thể hiện các hành vi khác nhau ở một số cấp độ cụ thể của tốc độ lặp lại Đó có thể là do sự khuếch tán nhiệt của vật liệu và độ nhám ban đầu trươớc khi làm sạch mẫu Cả hai thông số đều ảnh hươởng đến quá trình gia nhiệt trên bề mặt và do đó ảnh hươởng đến sự thay đổi độ nhám Tuy nhiờn, cả hai bề mặt đều cú độ nhỏm nhỏ hơn 0,3 àm Ở giai đoạn nhỏm này, các bề mặt đươợc làm sạch phù hợp với hầu hết các ứng dụng cơ học.
Hình 3.16 Ảnh hươởng của tần số lặp đến chất lươợng bề