Способ очистки поверхности и устройство для его осуществления
Группа изобретений относится к области очистки поверхностей лазерным излучением и может быть использована, в частности, в шинной и резинотехнической промышленности для очистки пресс-форм для вулканизации покрышек и резинотехнических изделий, очистки металлических поверхностей от ржавчины и грязи при подготовке их к окраске, очистки поверхностей исторических памятников. Способ осуществляют путем сканирования поверхности лазерным лучом, подаваемым расположенным в закрытой и безопасной зоне с возможностью перемещения, по меньшей мере, одним блоком импульсного генерирования лазерного луча с оптико-механической системой, включающей, по меньшей мере, одну фокусирующую линзу, при относительном перемещении располагаемой непосредственно под блоком поверхности и/или блока, в котором формирование требуемых частоты следования импульсов и их длительности осуществляют соответственно в диапазоне 5-100 Гц, 1-20 нс посредством блока программного управления. В кожух оптико-механической системы подают газовый поток под давлением выше атмосферного, а импульсы перемещают по поверхности, изменяя положение зеркала, непосредственно передающего импульсы на поверхность. В устройстве для очистки поверхности, содержащем, по меньшей мере, один блок импульсного генерирования лазерного луча с оптико-механической системой, включающей, по меньшей мере, одну фокусирующую линзу, который расположен в закрытой и безопасной зоне и выполнен с возможностью перемещения, для осуществления способа по п.1, поверхность закреплена на опоре, выполненной с возможностью поворота и перемещения в горизонтальном направлении, блок выполнен с возможностью перемещения в горизонтальном и вертикальном направлениях, оптико-механическая система помещена в кожух с элементом для подачи газового потока и законцовкой в виде сопла, направленного на поверхность, при этом в состав блока программного управления входят блок управления частотой следования импульсов и блок управления их длительностью, а зеркало, непосредственно передающее импульсы на поверхность, расположено сбоку от блока импульсного генерирования лазерного луча и выполнено с возможностью поворота на 360°. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Группа изобретений относится к области очистки поверхностей лазерным излучением и может быть использована, в частности, в шинной и резинотехнической промышленности для очистки пресс-форм для вулканизации покрышек и резинотехнических изделий, очистки металлических поверхностей от ржавчины и грязи при подготовке их к окраске, очистки поверхностей исторических памятников.
Известен способ очистки поверхностей лазерным излучением, при котором оператор вручную перемещает луч лазера по очищаемой поверхности до тех пор, пока не будет достигнута желаемая степень очистки (заявка WO №9007988 опубл. 1990.07.26). Так как очистка производится вручную, то производительность и качество очистки зависят от оператора - необходимо автоматизировать процесс.
Ближайшим аналогом группы изобретений является способ очистки поверхности и устройство для его осуществления по патенту РФ №2114486, 27.06.1998. В известном способе очистку поверхности осуществляют путем ее сканирования лазерным лучом, подаваемым блоком для импульсного генерирования лазерного луча с фокусирующей линзой, при этом импульсы перемещают, изменяя положение зеркал, а газовый поток подают над обрабатываемой поверхностью для удаления продуктов очистки из зоны обработки поверхности.
Устройство для осуществления вышеописанного способа содержит блок для импульсного генерирования лазерного луча с фокусирующей линзой, зеркала для перемещения импульсов по очищаемой поверхности, выполненные с возможностью перемещения, и средство для подачи газового потока над поверхностью. Устройство снабжено также двухкоординатным столом, который перемещают относительно неподвижного блока генерирования лазерного луча.
Эти известные способ и устройство, о чем говорится и в патенте, не дают возможности обрабатывать неплоские поверхности. Кроме того, в них газовый поток подают на очищаемую поверхность, что не исключает попадания продуктов очистки на оптическую систему, а это приводит к ухудшению условий передачи излучения и выводу ее из строя. Исключение попадания продуктов очистки на оптическую систему обеспечивают заключением очищаемой поверхности в кожух, т.е. усложнением конструкции, при этом, если обрабатываемая поверхность громоздкая, увеличиваются размеры устройства. В других вариантах устройство также некомпактно, так как блок генерирования лазерного луча и очищаемая поверхность разнесены в пространстве.
Эти технические решения не позволяют задавать автоматический режим обработки, который зависим как от вида загрязнений, так и от степени и локальности износа поверхности, а также от материала очищаемой поверхности.
Задачей группы изобретений является обеспечение очистки поверхности и требуемое ее восстановление при износе или повреждении для повторного использования.
Технический результат, достигаемый группой изобретений, состоит в повышении эффективности и производительности путем устранения попадания продуктов очистки в зону прохождения луча, снижения оседания продуктов очистки на оптической и механической частях системы, транспортирующей лазерное излучение, при одновременном повышении безопасности работы, ее автоматизации, расширении ассортимента обрабатываемых поверхностей и компактности конструкции.
Для достижения указанного технического результата, согласно изобретению, в способе очистки поверхности, преимущественно со сложным рельефом, путем сканирования ее лазерным лучом, подаваемым расположенным в закрытой и безопасной зоне с возможностью перемещения, по меньшей мере, одним блоком импульсного генерирования лазерного луча с оптико-механической системой, включающей, по меньшей мере, одну фокусирующую линзу, при относительном перемещении располагаемой непосредственно под блоком поверхности и/или блока, формирование требуемых частоты следования импульсов и их длительности осуществляют соответственно в диапазоне 5-100 Гц, 1-20 нс посредством блока программного управления, при этом в кожух оптико-механической системы подают газовый поток под давлением выше атмосферного, а импульсы перемещают по поверхности, изменяя положение зеркала, непосредственно передающего импульсы на поверхность.
В способе в качестве газового потока используют очищенный, неочищенный воздух или инертный газ.
Указанный результат достигается также тем, что в устройстве для очистки поверхности, преимущественно со сложным рельефом, содержащем, по меньшей мере, один блок импульсного генерирования лазерного луча с оптико-механической системой, включающей, по меньшей мере, одну фокусирующую линзу, который расположен в закрытой и безопасной зоне и выполнен с возможностью перемещения, для осуществления способа по п.1, поверхность закреплена на опоре, выполненной с возможностью поворота и перемещения в горизонтальном направлении, блок выполнен с возможностью перемещения в горизонтальном и вертикальном направлениях, оптико-механическая система помещена в кожух с элементом для подачи газового потока и законцовкой в виде сопла, направленного на поверхность, при этом в состав блока программного управления входят блок управления частотой следования импульсов и блок управления их длительностью, а зеркало, непосредственно передающее импульсы на поверхность, расположено сбоку от блока импульсного генерирования лазерного луча и выполнено с возможностью поворота на 360°.
В устройстве в качестве опоры использован стол, заводимый по рельсам вместе с закрепляемой на нем очищаемой поверхностью в закрытую безопасную зону.
Способ осуществляют следующим образом.
Очищаемую поверхность 1, например полуформу (см. чертеж) для вулканизации покрышек помещают на столе 2, фиксируют и перемещают, например, по рельсам в закрытую со всех сторон и безопасную для человека зону (камеру) (на чертеже не показана). Затем непосредственно над очищаемой поверхностью 1 устанавливают, по меньшей мере, один блок 3 импульсного генерирования лазерного луча с оптико-механической системой, включающей, по меньшей мере, одну фокусирующую линзу. Подают лазерный луч и включают механизм поворота (на чертеже не показан) стола 2. Одновременно с подачей лазерного луча подают газовый поток в кожух (на чертеже не показан) оптико-механической системы при давлении больше атмосферного. Газовый поток подают либо очищенным, либо неочищенным. В качестве газового потока может быть использован воздух или инертный газ. При подаче газового потока с давлением менее атмосферного, как показали эксперименты, не достигается требуемая защита оптической системы от попадания в нее загрязнений.
В процессе очистки вулканизационных пресс-форм с использованием лазерного луча образуется большое количество летучих соединений, которые оседают на оптической и механической частях системы. Загрязнение оптико-механической системы приводит к ее быстрому разрушению и, как следствие, не только к уменьшению лазерной энергии, попадающей на очищаемую поверхность, но и к полному выходу системы из строя. Между оптико-механической системой и очищаемой поверхностью в процессе очистки образуется устойчивый аэрозоль, который обладает способностью поглощать излучаемую энергию, что снижает эффективность процесса очистки и может сделать его невозможным.
Одновременная подача лазерного излучения с воздушным потоком при давлении больше атмосферного создает в системе избыточное давление, что позволяет предотвратить возможность отложения соединений, образующихся при очистке, на поверхности оптико-механической системы, повысить эффективность очистки и снизить потери мощности.
Кроме того, воздушное пространство над очищаемой поверхностью содержит высокую концентрацию продуктов очистки, способных дополнительно поглощать лазерное излучение, что также снижает эффективность очистки. При высокой концентрации в помещении, где находится установка очистки поверхности лазерным излучением, технического углерода и других пылеобразных веществ, возможно, их оседание на оптико-механических частях системы и блокирование прохождения лазерного луча, поэтому необходимо воздушный поток подавать предварительно очищенным. При относительно невысокой концентрации технического углерода и пылеобразных веществ воздушный поток подают неочищенным.
При очистке поверхности со сложным рельефом необходимо попадание лазерного луча на все ее участки. Для этого блок генерирования импульсного лазерного луча или блоки перемещают как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости любыми известными техническими средствами, при этом стол 2 перемещают в горизонтальной плоскости, а импульсы перемещают по поверхности тем, что изменяют положение зеркала 4, передающего импульсы непосредственно на поверхность. При этом перемещают или стол 2 с закрепленной на нем очищаемой поверхностью, или блок генерирования излучения, или одновременно и то и другое. Так как размер очищаемой поверхности в каждый конкретный момент равен величине проекции луча на данной поверхности, то для исключения пропусков неочищенной поверхности из-за затененности ее участков задают в пространстве несколько точек подачи лазерного луча, а сам луч необходимо перемещать с некоторым перекрытием очищенных участков.
После завершения одного оборота стола 2 на поверхности полуформы 1 образуется очищенная полоска размером, равным величине луча на поверхности, далее луч лазера перемещают по поверхности до тех пор, пока не будет достигнута желаемая степень очистки.
В способе частоту следования импульсов и их длительность устанавливают, исходя из вида загрязнений и степени износа и материала очищаемой поверхности, посредством блока программного управления (на чертеже не показан), в состав которого входят блоки управления частотой импульсов и их длительностью и который снабжен соответствующими компьютерными программами. Это позволяет автоматизировать процесс и дополнительно повышает его эффективность.
При воздействии на очищаемую поверхность 1 импульсами менее 5 Гц и длительностью менее 1 нс происходит замедление процесса очистки, а при воздействии импульсами более 100 Гц и длительностью более 20 нс не обеспечивается требуемое разложение продуктов загрязнений - процесс также замедляется.
Экспериментально было установлено, что частоту следования импульсов следует формировать в пределах 5-100 Гц и длительностью 1-20 нс, так как только в этих пределах обеспечиваются качественная очистка и повышение производительности.
Так время очистки полуформы для покрышек диаметром 13, 14, 15, 16 дюймов в указанных диапазонах составляет 30-60 минут.
При износе поверхности 1 мощный лазерный луч (пиковая мощность - 100 МВт) твердотельного блока 3 генерирования излучения направляют на нее с частотой следования импульсов и их длительностью, которые изменяют молекулярно-кристаллическую структуру поверхности и являются подходящими для образования желательной структуры
На чертеже схематично изображено устройство для очистки поверхностей, преимущественно со сложным рельефом, согласно изобретению.
Устройство используют, например, для очистки полуформы 1 и оно состоит из стола 2 для закрепления на ней очищаемой поверхности 1 (полуформы), выполненного с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости и поворота на 360 градусов, из, по меньшей мере, одного блока 3 импульсного генерирования лазерного луча с оптико-механической системой, включающей, по меньшей мере, одну фокусирующую линзу, устанавливаемого непосредственно над очищаемой поверхностью и выполненного с возможностью перемещения в горизонтальном и вертикальном направлениях любыми известными техническими средствами.
Оптико-механическая система помещена в кожух (на чертеже не показан) с элементами для подачи в него газового потока и законцовкой в виде сопла, направленного на поверхность 1.
Для передачи импульсов лазерного луча образована система зеркал 4, одно из которых, непосредственно передающее импульсы на очищаемую поверхность 1, выполнено с возможностью поворота на 360 градусов и установлено сбоку от блока 3. В состав последнего входят блоки управления частотой следования импульсами и их длительностью, а также блок 3 снабжен соответствующими компьютерными программами.
Работа устройства полностью раскрыта выше при описании осуществления способа.
1. Способ очистки поверхности, преимущественно со сложным рельефом, путем сканирования ее лазерным лучом, подаваемым расположенным в закрытой и безопасной зоне с возможностью перемещения, по меньшей мере, одним блоком импульсного генерирования лазерного луча с оптико-механической системой, включающей, по меньшей мере, одну фокусирующую линзу, при относительном перемещении располагаемой непосредственно под блоком поверхности и/или блока, в котором формирование требуемых частоты следования импульсов и их длительности осуществляют соответственно в диапазоне 5-100 Гц, 1-20 нс посредством блока программного управления, при этом в кожух оптико-механической системы подают газовый поток под давлением выше атмосферного, а импульсы перемещают по поверхности, изменяя положение зеркала, непосредственно передающего импульсы на поверхность.
2. Способ по п.1, в котором в качестве газового потока используют очищенный, неочищенный воздух или инертный газ.
3. Устройство для очистки поверхности, преимущественно со сложным рельефом, содержащее, по меньшей мере, один блок для импульсного генерирования лазерного луча, с оптико-механической системой, включающей, по меньшей мере, одну фокусирующую линзу, который расположен в закрытой и безопасной зоне и выполнен с возможностью перемещения, при этом для осуществления способа по п.1 поверхность закреплена на опоре, выполненной с возможностью поворота и перемещения в горизонтальном направлении, блок выполнен с возможностью перемещения в горизонтальном и вертикальном направлениях, оптико-механическая система помещена в кожух с элементом для подачи газового потока и законцовкой в виде сопла, направленного на поверхность, в состав блока программного управления входят блок управления частотой следования импульсов и блок управления их длительностью, а зеркало, непосредственно передающее импульсы на поверхность, расположено сбоку от блока импульсного генерирования лазерного луча и выполнено с возможностью поворота на 360°.
4. Устройство по п.3, в котором в качестве опоры использован стол, заводимый по рельсам вместе с закрепляемой на нем очищаемой поверхностью в закрытую безопасную зону.
