The Effect of Pulse Parameters on Intensity of Removal of Organic Layers from Carbon Steel and Other Materials During Pyrolysis Using Nanosecond Industrial Lasers

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Как показано во многих работах, ЛО (лазерная очистка, т. е. удаление) органических слоев и покрытий — это сложный быстропротекающий процесс, ход которого определяется физическими параметрами многофазной среды, возникающей в зоне лазерного воздействия (характеризующейся энергетическим вкладом до 1–3 МДж/м² и выше), и может изменяться за счет управления входными режимными параметрами ЛО. Для ЛО часто применяются импульсные лазеры с диапазоном длительности импульса (t_p) от миллисекунд до наносекунд [1–12]. При этом удаление органических слоев может идти двумя основными способами: (а) прямое удаление материала с поверхности, если длина волны лазера достаточно хорошо поглощается материалом слоя/покрытия, или (б) непрямое удаление, когда лазерное излучение (ЛИ) поглощается металлической подложкой на границе раздела покрытие/металл [1], где нагрев вызывает термоупругие напряжения или другие эффекты, приводящие к отслаиванию и диспергированию материала покрытия. В ряде исследований по ЛО признается, что ключевой момент для эффективного процесса — это выбор оптимальных входных параметров. В частности, в работах [1, 3–5, 12–15] показано, что режимные параметры ЛО, в т. ч. t_p (варьировалась в диапазоне 1–2000 нс), частота импульсов ЛИ f (варьировалась от 10 Гц до 30 МГц), их энергия E_p (в диапазоне от 10^–3 до 100 мДж), лазерный флюенс F и некоторые другие могут существенно влиять на уровень выходных параметров обработки. При эффективном лазерном процессе по теоретическим и экспериментальным данным возможно повышение эффективности удаления слоя за счет снижения энергозатрат на единицу его площади поверхности (S) и единицу объема. В целом, следует отметить, что опубликованные данные в области ЛО органических слоев, в т. ч. лакокрасочных покрытий (ЛКП) с применением импульсных наносекундных лазеров (высокоперспективных для промышленных целей, как наиболее используемых пока в технологиях очистки поверхностей сталей и сплавов) [1–13, 15] носят несколько противоречивый характер и не содержат достаточного объема детальных данных по влиянию входных технологических параметров лазерной системы на такие важные выходные параметры процессов ЛО, как удельная производительность по очищаемой площади и энергозатраты на ЛО.

В связи с этим нами была поставлена, а также некоторыми физическими характеристиками процесса, — на примере ЛО стальных образцов с полимерсодержащими слоями на них.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проведения эксперимента использовался аппарат лазерной очистки HS-LC200 (КНР) с параметрами: средняя выходная мощность — 205 Вт, длина волны лазера λ = 1,070 мкм, максимальная энергия импульса ЛИ — 5,0 мДж, диапазон регулирования частоты f — 1–3000 кГц, диапазон регулирования длительности импульса t_p — 13–500 нс. Форма импульса излучения в различных режимах работы лазера приведена на рис. 1. На рис. 2 показан пример вида очищаемой поверхности в ходе экспериментальной серии по ЛО от органических слоев. В табл. 1 нами приведены выражения для определения некоторых важных режимных параметров, задаваемых как входные в экспериментах с использованием импульсных лазеров [13].

 

Рис. 1. Форма импульса лазерного излучения (т. е. изменение выходной мощности (приведена в кВт) во времени (оно обозначено в наносекундах)) при различной его длительности (для шести вариантов в интервале t_p от 13 до 80 нс) для использованной нами системы импульсной лазерной очистки HS-LC200 (КНР) со средней по времени тепловой мощностью излучения N ≥ 200 Вт и с длительностью импульса t_p ≤ 500 нс. Зависимости для формы импульса приведены по данным фирмы-производителя лазерной системы.

Fig. 1. Laser pulse waveform (i.e. the change in output power [kW] over time [nanoseconds]) with different durations (for six variants in the range t_p from 13 to 80 ns) for the HS-LC200 pulse laser cleaning system (China); time-average thermal radiation power N ≥ 200 W, pulse duration t_p ≤ 500 ns. Dependencies for the pulse waveform are taken from the laser system's manufacturer data.

 

Рис. 2. Фотографии поверхности со слоем остаточных органических продуктов от нагрева эластомерного материала на вулканизационной форме из стали 40Х с диаметром 556 мм (применяемой в шинном производстве на ОАО «Белшина») в ходе проведения нами лазерной очистки и после нее: a — вид изделия в ходе эксперимента по лазерной очистке; b — очищенная после лазерной очистки поверхность, в верхней части снимка на изделии оставлен неочищенный от исходных органических веществ конусный сектор (он виден по резкой границе серой окраски).

Fig. 2. Photos of a surface with a residual organic layer produced by heating the elastomer on a 40X steel mould with a diameter of 556 mm (used in tire production at Belshina JSC) during and after laser cleaning: a, view of the product during the laser cleaning experiment; b, clean surface after laser cleaning. The top view shows a conical sector of the product with the original organic substance (visible as the sharp gray boundary).

 

Таблица 1. Выражения для некоторых входных режимных параметров импульсной лазерной очистки

Table 1. Expressions for some input processing parameters of pulsed laser cleaning

Обозначение	Величина	Единицы измерения	Базовое выражение
tp	Длительность импульса ЛИ	с	tp = DC / f
f	Частота импульсов ЛИ	Гц	f = DC / τp
DC	Коэффициент заполнения (обратная скважность)	безразмерный	DC = f ∙ tp
N	Мощность	Вт	Npeak = Ep / tp; Navg = Npeak ∙ DC = Ep ∙ f
Ep	Энергия единичного импульса	Дж	Ep = Npeak ∙ tp = Navg / f
P	Удельная мощность на единицу очищаемой поверхности	Вт/см2	P = N / S; Ppeak = F / tp; Pavg = Ppeak ∙ DC = F ∙ f

 

Интенсивность газификации (испарения) органического слоя (например, ЛКП) с металлической подложки при лазерной абляции (в кг/(м² ∙ с)) приближенно можно найти с помощью уравнения Герца–Кнудсена (в известной форме [8, 16]) — как скорость адсорбции/десорбции на границе пар/поверхность, что является функцией давления насыщенных паров p_sat у плоской поверхности (с температурой T) и других параметров пара и конденсированной фазы (в т.ч. ее коэффициента испарения-конденсации):

$G_{V }\approx \mathrm{0,82}{\left(\frac{m}{ 2\pi k_{B}T}\right)}^{1/2}{p}_{sat}\left(T\right)$, (1)

где $p_{sat}\left(T\right)=P_0\exp \left[\frac{m \Delta H_{v }}{ k_{B }}\left(\frac{1}{ T_{v }}-\frac{1}{ T}\right)\right]$, P₀ — стандартное атмосферное давление, m — масса молекулы испаряющегося вещества (в случае ЛО смеси СО, Н₂, СН₄, Н₂О), k_B — постоянная Больцмана, ΔH_v — энтальпия и T_v — температура испарения, соответственно.

К числу пригодных для оценки производительности и интенсивности процессов ЛО от органических слоев или пленок относится и такой параметр, как приближенная скорость удаления органической пленки с металла при импульсной ЛО G_ts (в м³/с) [7] (в режиме с преобладанием динамического механизма очистки (генерация термоупругих напряжений для разрушения слоя (без его испарения) или отслоения его от основы)):

$G_{ts }={\left(\frac{E}{ \rho }\right)}^{1/2}\left(\frac{\alpha \cdot E_p}{\rho \cdot c_p\cdot \delta }\right)$. (2)

В выражении (2) использованы физические свойства удаляемого слоя: E (в Па) — модуль упругости (модуль Юнга), α (в К^–1) — коэффициент линейного термического расширения, и ρ и c_p — плотность слоя и его удельная теплоемкость, соответственно. Также в выражении (2) учтены параметры режима лазерной обработки, в т. ч. энергия импульса ЛИ (ε) в Дж и исходная толщина удаляемого органического слоя (δ) в метрах.

Амплитуда давления (в Па) фронта квазисферической ударной волны (УВ) в лазерной плазме в процессе ЛО может быть оценена, например, по варианту из [17]):

$P\approx \Delta P=\frac{8 }{25}\left(\frac{1}{\gamma +1}\right)\left(\frac{E_p}{R_s^3}\right){Y^4}^{ }$, (3)

где γ — показатель адиабаты газа в зоне УВ (воздуха в нашем случае, γ = c_p / c_v = 1,40 (при 293 К и 0,101 МПа)), Y = f (γ) = 1,03 по данным [17]. Использовано также выражение [17] для определения радиуса УВ (в метрах), индуцируемой импульсом ЛИ:

$R_s={t_p}^{2/5}\cdot {\left(\frac{E_p}{{\rho }_1}\right)}^{1/5}\cdot Y\left(\gamma \right)$, (4)

где t_p, E_p — длительность и энергия импульса, ρ₁ — плотность газа (нагретого в УВ) [18].

РЕЗУЛЬТАТЫ, ИХ АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ

Нами была выполнена серия опытов в режимах лазерного удаления со стальных образцов пленки ЛКП (алкидного типа) и слоя резиносодержащих загрязнений (образующихся на технологической оснастке в шинном производстве ОАО «Белшина», Бобруйск), с варьированием набора параметров импульсов лазера с длиной волны λ ≈ 1064 нм и с определением уровня удельной производительности процесса очистки и энергозатрат в различных режимах, а также некоторых существенных физических характеристик (удельной мощности импульса излучения P_p и размера облака лазерно-индуцируемой приповерхностной плазмы R_sw), по-видимому, влияющих на механизм разрушения органического слоя. Параллельно с экспериментами по ЛО (результаты их приведены в табл. 2) мы провели систематизацию и анализ некоторых современных опубликованных данных по характеристикам выходных параметров ЛО органических слоев на нескольких видах металлов при варьировании режимных параметров ЛО-процесса с импульсными ОКГ, определяющих специфику их импульсов, в частности, коэффициент заполнения (обратную скважность) [2] и энергию единичного импульса ЛИ E_p. Их результаты представлены в табл. 3. Далее на рис. 3 и 4 показана морфология некоторых образцов со слоем ЛКП до и после удаления нами этих слоев.

 

Таблица 2. Сравнение измеренных экспериментальных характеристик (и производных от них параметров) для различных режимов удаления органических слоев со стальных поверхностей (марок Ст3 и 40Х), с использованием импульсных наносекундных лазеров

Table 2. Comparison of measured experimental characteristics (and parameters derived from them) for different parameters of organic layer removal from steel surfaces (St3 and 40X) using pulsed nanosecond lasers

№	tp, нс	f, кГц	DC, с/с	Ep, мДж	DC ∙ tp, нс	E’, МДж/дм3	Gi, см2/c	Rsw, мм	Pp, (Вт/см2) ∙ 10–6
1 — очистка синего ЛКП (алкидного с δ = 120±20 мкм) на углеродистой стали Ст3, с лазерной системой HS-LC200	13	700	0,0091	0,29	0,1183	59,94	0,95 (при α ≈ 0,30)	0,14	31,9
2 — то же	13	700	0,0091	0,30	0,1183	52,63	0,95 (при α ≈ 0,35)	0,14	32,65
3 — то же	80	164	0,0131	1,25	1,048	18,93	0,95 (при α ≈ 0,95)	0,38	22,1
4 — то же	200	64	0,0128	3,20	2,56	17,98	0,95 (при α = 1)	0,66	22,7
5 — очистка пресс-формы для шин от резино-содержащих загрязнений (с δ ≈ 70 мкм) на поверхности стали 40Х	200	165	0,0330	1,24	6,6	22,88	1,28 (при α ≈ 1)	0,54	8,79
6 — то же	500	165	0,0825	1,24	41,25	12,70	2,30 (при α = 1)	0,79	3,52
7 — то же	80	165	0,0132	1,24	1,056	22,88	1,28 (при α = 1)	0,38	22,0
8 — то же	200	600	0,1200	0,342	24,0	12,70	2,30 (при α = 1)	0,42	2,42
9 — то же	80	180	0,0140	1,14	1,12	22,88	1,28 (при α = 1)	0,37	20,1

Обозначения в таблицах 2 и 3: DC — «Duty cycle» (коэффициент заполнения) при ЛО (DC = 1 / S_p, где S_p — скважность при импульсной ЛО (S_p = t₀ / t_p – отношение длительности межимпульсной паузы (точнее, интервала между амплитудными моментами двух соседних импульсов) к длительности импульса ЛИ в ходе технологического цикла ЛО)); E’ — удельные энергозатраты на единицу облучаемой поверхности, определяемые по удельному времени цикла при ЛО единицы поверхности tcycle и по N (в соответствии с [1]); G_i — интегральная поверхностная скорость ЛО («выходная», т. е. с учетом повторных проходов луча по поверхности, если они были); * — пятно ЛИ квадратной формы; α — степень удаления объема органического слоя с поверхности металла в данном режиме ЛО (в %/%); E_p — амплитудная энергия импульса ЛИ; R_sw — приближенный радиус квазисферической ударной волны в лазерной плазме, возможной при ЛО; P_p — удельная мощность (на единицу площади пятна излучения на поверхности материала) в момент действия импульса ЛИ.

 

Таблица 3. Сравнение экспериментальных характеристик (и производных от них параметров) для некоторых режимов удаления органических слоев с металлических поверхностей, опубликованных в современных (2020–2024 гг.) зарубежных исследованиях [1, 10–12], с использованием импульсных наносекундных технологических лазеров

Table 3. Comparison of measured experimental characteristics (and parameters derived from them) for some parameters of organic layer removal from metal surfaces using pulsed industrial nanosecond lasers published in contemporary (2020–2024) foreign studies [1, 10–12]

№	tp, нс	f, кГц	DC, с/с	Ep, мДж	DC ∙ tp, нс	E’, МДж/дм3	Gi, см2/c	Rsw, мм	Pp, (Вт/см2) ∙ 10–6
1 — ЛО от ЛКП (уретановой грунтовки) толщиной δ ≈ 50 мкм) на стали [12] (лазер LXQ-500-2D, одномодовый режим, λ = 1,064 мкм)	100	500	0,050	1,00	5,0	7,46	13,40 (при α ≈ 1)	0,40	88,4
2 — тоже, что и в № 1	100	100	0,010	1,00	1,0	8,064	2,48 (α ≈ 1)	0,40	198,9
3 — тоже для ЛО от ЛКП (из полиэфирной краски (жидкой)) толщиной δ ≈ 25 мкм) [12]	100	500	0,050	1,00	5,0	16,08	12,44 (α ≈ 1)	0,40	88,4
4 — тоже, что и в № 3	100	100	0,010	1,00	1,0	20,00	2,00 (α ≈ 1)	0,40	198,9
5 — тоже для ЛО от ЛКП (из полиэфирной краски (порошок)) толщиной δ ≈ 75 мкм) [12]	100	500	0,050		5,0	22,52	2,96 (α ≈ 1)	0,40	88,4
6 — тоже, что и в № 5	100	100	0,010		1,0	23,26	0,573 (α ≈ 1)	0,40	198,9
7 — ЛО эмалевого покрытия (двухслойного (полиэфир-амид-имид + полиамидимид (PAI)) с общей толщиной δ = 95 мкм) на медных обмотках электродвигателей [1] (с лазерной системой NIR-типа, при λ = 1,064 мкм)	100	50	0,005	1,00	0,5	4,80	1,10 (α ≈ 1)	0,40	837,1
8 — тоже, что и в № 7, при λ = 1,030 мкм (лазерная система NIR-BS-типа) [1]	30	20	6,0 ∙ 10–4	50,0	0,018	10,11	10,42 (α ≈ 1)	0,50	638,3
9 — тоже, что и в № 7, при λ = 0,532 мкм (лазерная система VIS-типа) [1]	1,2	3 ∙ 104	0,036	0,0033	0,0432	5,31	1,98 (α ≈ 1)	0,022	2,33
10 — тоже, что и в № 7, при λ = 0,355 мкм (лазерная система UV-типа) [1]	25	60	0,0015	0,433	0,0375	10,94	0,25 (α ≈ 1)	0,19	17,03
11 — тоже, что и в № 7, при λ = 10,60 мкм (лазерная система IR10-типа) [1]	2000	27	0,054	11,11	108,0	9,60	3,29 (α ≈ 1)	2,12	2,83
12 — ЛО (с оптоволоконным лазером (Q-switching), многомодовый режим с N = 1 кВт) от четырехслойного ЛКП (в т. ч. два слоя (100 + 130 мкм) эпоксидной краски) с общей δ = 0,34 мм на углеродистой стали, λ ≈ 1,07 мкм [10-11]	100	17	0,0017	58,8	0,17	12,98	2,27 (α ≈ 1)	0,89	40,8
13 — тоже, что и в № 12	100	15	0,0015	71,4	0,15	14,01	2,10 (α ≈ 1)	0,93	49,6
14 — тоже, что и в № 12	100	12	0,0012	83,3	0,12	14,30	2,06 (α ≈ 1)	0,96	57,9
15 — тоже, что и в № 12	100	12	0,0012	83,3	0,12	16,34	1,80 (α ≈ 1)	0,96	57,9
16 — ЛО того же покрытия, что и в № 12 (с использованием сходного ОКГ в одномодовом (N = 0,2 кВт) режиме) с λ ≈ 1,07 мкм [10–11]	60	200	0,0120	1,0	0,72	7,35	0,80 (α ≈ 1)	0,32	129,5

 

Рис. 3. Макроморфология участков (площадью по 4 см²) с лакокрасочного покрытия алкидного типа (со средней толщиной 120 мкм), сфотографированных до и после лазерной очистки в режимах с разными параметрами: а — поверхность лакокрасочного покрытия до лазерной очистки; b — частично очищенная поверхность после лазерной очистки в режиме 2 по табл. 2; c — полностью очищенная часть поверхности после лазерной очистки в режиме 4 по табл. 2.

Fig. 3. Macroscopic morphology of sections (4 cm² each) of an alkyd paint coating (average thickness: 120 μm) before and after laser cleaning with different parameters: а, paint coating surface before laser cleaning; b, partially cleaned surface after laser cleaning in regime 2 according to Table 2; c, completely cleaned part of the surface after laser cleaning in regime 4 according to Table 2.

 

Рис. 4. Микроморфология участков стальных образцов, подвергавшихся лазерной очистке в наших экспериментах: а — вид частично очищенной от лакокрасочного покрытия поверхности в режиме № 2 по табл. 2 (при степени удаления слоя лакокрасочного покрытия α ≈ 0,30), репер на фото (слева внизу) — 125 мкм; b — вид полностью очищенной от лакокрасочного покрытия поверхности в режиме № 4 по табл. 2 (при степени удаления слоя ЛКП α ≈ 1,0), репер на фото (слева внизу) — 250 мкм.

Fig. 4. Microscopic morphology of sections of steel samples subjected to laser cleaning in our experiments: а, view of the surface partially cleaned of paint coating in regime 2 according to Table 2 (coating removal rate: α ≈ 0.30), the reference bar in the photo (bottom left) is 125 μm; b, view of the surface cleaned of paint coating in regime 4 according to Table 2 (coating removal rate: α ≈ 1.0), the reference bar in the photo (bottom left) is 250 μm.

 

С использованием экспериментальных измерений по методике [19] нами найдено, что поверхность стальных образцов (на примере пластин из Ст3 с покрытием из краски алкидного сорта) при удалении с них покрытия в оптимальном режиме не подвергается существенной эрозии и степень шероховатости поверхности по данным оптической микроскопии является умеренной, а микротвердость (показатель по Виккерсу HV = 155–180 единиц) находится на уровне, незначительно превышающем этот показатель для исходной углеродистой стали под неудаленным покрытием, для которой мы зарегистрировали микротвердость в интервале 140–170 HV. Отметим также, что сравнение морфологии поверхности стали в наших образцах после лазерного удаления указанных слоев показывает сходный ее характер (см. пример на рис. 4b) с морфологией поверхности некоторых образцов после импульсной лазерной очистки в работе В.П. Вейко с соавторами, где был найден побочный эффект частичной модификации поверхности углеродистой стали [6].

Анализ полученных нами в экспериментальной серии данных (в табл. 2) в сочетании с результатами аналогичных работ в данном направлении (с применением ОКГ с наносекундными импульсами — см. табл. 3 и рис. 5 и 6) показал наличие сложного многопараметрического характера связи между входными режимными параметрами и выходными характеристиками, а также то, что одними из наиболее явно (и прямо пропорционально) влияющих на интенсивность (т. е. обратные энергозатраты) процесса удаления органических слоев (различного состава) входных параметров являются коэффициент заполнения и длительность импульса излучения. Причем для случая небольшой группы режимов в нашей экспериментальной серии по ЛО зависимость для удельных энергозатрат (как показано на рис. 7) в однофакторном приближении может быть аппроксимирована в виде: ~ (const + (1 / lg (DC ∙ t_p))), т.е. как обратно пропорциональная зависимость (параболического типа) параметра E’ от логарифма произведения DC ∙ t_p = f ∙ t_p². При этом в оптимальных режимах по нашим данным эти энергозатраты на ЛО находятся на уровне 12,7 МДж на 1 дм³ вещества слоя (для случая режимов с удалением эластомерсодержащих загрязняющих веществ с поверхности из стали 40Х).

 

Рис. 5. Параметрическая зависимость для набора данных из трех экспериментальных серий по лазерной очистке различных видов слоев лакокрасочного покрытия-типа (16 точек (6 + 5 + 5)) по данным авторов публикаций [1, 10–12], — зависимость удельных энергозатрат E’ (на единицу площади удаляемого слоя) от двух входных параметров (коэффициента заполнения DC и длительности импульса лазерного излучения t_p).

Fig. 5. Parametric dependence for a data set from three experimental laser cleaning series of different types of reference coating layers (16 points [6 + 5 + 5]) according to the authors of publications [1, 10–12]; dependence of specific energy consumption E’ (per unit area of the removed layer) on two input parameters (duty cycle DC and laser pulse duration t_p).

 

Рис. 6. Параметрические зависимости для наших экспериментов по лазерной очистке от алкидного лакокрасочного покрытия и от слоя резиносодержащих загрязнений: a — зависимость выходного параметра G_i (удельная производительность лазерной очистки) от двух входных параметров (коэффициент заполнения DC и длительность импульса лазерного излучения t_p); b — зависимость выходного параметра E’ (энергозатраты на дм³ объема удаляемого слоя) от двух входных параметров (от коэффициента заполнения DC и от t_p).

Fig. 6. Parametric dependencies for our experiments on laser cleaning from alkyd coating and a layer of rubber-containing contaminants: a, dependence of the output parameter G_i (specific performance of laser cleaning) vs. two input parameters (duty cycle DC and laser pulse duration t_p); b, dependence of the output parameter E’ (energy consumption per dm³ of the removed layer volume) vs. two input parameters (duty cycle DC and t_p).

 

Рис. 7. Зависимость выходного параметра — удельных энергозатрат E’ в однофакторном приближении от DC · t_p для нашей серии опытов в режимах (9 штук) очистки стали от алкидного лакокрасочного покрытия и слоя резиносодержащих загрязнений.

Fig. 7. Dependence of the output parameter (specific energy consumption E’) in a single-factor approximation vs. DC · t_p for our series of experimental cleaning (9 regimes) of steel from alkyd coating and a layer of rubber-containing contaminants.

 

Физические свойства слоев, удаляемых при ЛО, могут отличаться (на десятки процентов, а иногда, еще сильнее) в зависимости от их химического состава и это может быть дополнительной причиной некоторого разброса данных (помимо влияния двух рассмотренных режимных параметров лазера — длительности и частоты импульсов ЛИ), наблюдаемых, в частности на рис. 5 и 6. Так, на примере двух сортов ЛКП из полимерных красок по данным работ [8] и [9] можно видеть, что значения свойств находятся в диапазонах (см. обозначения в уравнении (2)): ρ = 1700–1300 кг/м³, c_p = 1,80–2,51 кДж/(кг ∙ К), E = (0,416–1,0) ∙ 10¹⁰ Па, α = (60,0–1,0) ∙ 10^–6 К^–1. Кроме того, для этих двух ЛКП такие важные свойства (влияющие на теплоперенос в материале при ЛО), как коэффициенты их теплопроводности κ и температуропроводности a, находятся в интервалах 0,2–0,3 Вт/(м ∙ К) и (6,5–9,2) ∙ 10^–8 м²/с соответственно.

Важно также отметить, что с учетом рассмотренных экспериментальных данных будет целесообразно в дальнейших разработках технологий изучаемого типа (т. е. ЛО-процессов) проводить выбор режимных параметров для реализации таких технологий с учетом специфики возможных механизмов удаления органических слоев, которое по данным нашего предварительного анализа экспериментальных результатов в большинстве режимов с невысокими энергозатратами [19] проходит при сочетании как наиболее изученного энергоемкого термоабляционного механизма (т.е. пиролиз с активным выходом летучих компонентов из слоя в виде смеси простых газов – СО, Н₂, СН₄, Н₂О и иных), так и механизма отслоения фрагментов слоя/покрытия, реализующегося за счет действия индуцируемых лазерным излучением термоупругих напряжений на границе покрытие — металлическая основа и в объеме покрытия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При исследовании режимов импульсной лазерной очистки (ЛО) слоев краски и резиносодержащих загрязнений (на оснастке шинных производств) с конструкционных сталей определены параметры производительности ЛО и удельных энергозатрат. Эти результаты в сочетании с данными современных работ по ЛО (с наносекундными лазерами) показали, что, несмотря на сложный многофакторный характер связи режимных параметров с указанными выходными параметрами ЛО, можно в первом приближении считать длину импульса ЛИ t_p и коэффициент заполнения DC (обратную скважность при ЛИ) одними из сильно влияющих на интенсивность очистки металлов параметров.

В оптимальных режимах энергозатраты на ЛО близки к 13 МДж на 1 дм³ удаляемого слоя при очистке от резиносодержащих веществ. Для режимов в проведенных экспериментах по ЛО зависимость для удельных энергозатрат в однофакторном приближении имеет вид: E’ ~ (const + (1 / lg (DC ∙ t_p))). На примере образцов из Ст3 в ходе ЛО показано, что поверхность почти не подвергается эрозии. В целом, полученные нами результаты могут быть полезны как основа для дальнейших технологических работ по подбору, оптимизированных с точки зрения энергоэффективности, режимов ЛО органических слоев и покрытий.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. О.Г. Девойно — научная идея исследования, интерпретация полученных результатов; Д.А. Шпакевич — подготовка оборудования для эксперимента, получение экспериментальных данных; А.В. Горбунов — техническая реализации идеи исследования, участие в получении экспериментальных данных, анализ и интерпретация полученных результатов; А.С. Лапковский — подготовка и наладка оборудования для эксперимента, участие в интерпретации полученных результатов; Л.И. Пилецкая — участие в получении экспериментальных данных, подготовка рукописи статьи; А.Ю. Рудницкий — подготовка и наладка оборудования для эксперимента. Все авторы статьи одобрили ее рукопись (версию для публикации).

Источники финансирования. Подпрограмма «Фотоника и ее применения» государственной программы научных исследований Республики Беларусь «Фотоника и электроника для инноваций» на 2021– 2025 гг., задание 1.4.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали один рецензент, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: Oleg G. Devoino: conceptualization, formal analysis, validation; D.A. Shpakevich: resources, investigation; A.V. Gorbunov: investigation, data curation, formal analysis, validation; A.S. Lapkovsky: resources, formal analysis; L.I. Piletskaya: investigation, writing—original draft; A.Yu. Rudnitsky: resources. All the authors approved the version of the manuscript to be published.

Funding sources: Photonics and Its Applications Subprogram of the State Scientific Research Program of the Republic of Belarus Photonics and Electronics for Innovations for 2021–2025, Assignment 1.4.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously obtained or published material (text, images, or data) was used in this study or article.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review process involved one reviewer, a member of the editorial board, and the in-house scientific editor.

About the authors

Oleg G. Devoino

Research Polytechnic Institute of the Belarusian National Technical University

Email: devoino-o@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7088-0435
SPIN-code: 3663-9748

Dr. Sci. (Engineering), Professor, Head of the Plasma and Laser Technology Laboratory

Belarus, 65, Nezavisimost Ave., Minsk, 220013

Dmitry A. Shpakevich

Research Polytechnic Institute of the Belarusian National Technical University

Author for correspondence.
Email: dimaschpakevitch@gmail.com

Engineer at the Plasma and Laser Technology Laboratory

Belarus, 65, Nezavisimost Ave., Minsk, 220013

Andrey V. Gorbunov

Research Polytechnic Institute of the Belarusian National Technical University

Email: gorbunov_hmti@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-4800-3724
SPIN-code: 6517-2035

Cand. Sci. (Engineering), Senior Researcher at the Plasma and Laser Technology Laboratory

Belarus, 65, Nezavisimost Ave., Minsk, 220013

Alexander S. Lapkovsky

Research Polytechnic Institute of the Belarusian National Technical University

Email: alapkovskii@gmail.com
SPIN-code: 2439-3009

Researcher at the Plasma and Laser Technology Laboratory

Belarus, 65, Nezavisimost Ave., Minsk, 220013

Lyudmila I. Piletskaya

Research Polytechnic Institute of the Belarusian National Technical University

Email: pileckayli@bntu.by
SPIN-code: 5133-8078

Researcher at the Plasma and Laser Technology Laboratory

Belarus, 65, Nezavisimost Ave., Minsk, 220013

Andrey Yu. Rudnitsky

Research Polytechnic Institute of the Belarusian National Technical University

Email: rud5001@mail.ru
SPIN-code: 8913-3014

Junior Researcher at the Plasma and Laser Technology Laboratory

Belarus, 65, Nezavisimost Ave., Minsk, 220013

References

Supplementary files