Ablacja laserowa i jej wykorzystanie w procesie czyszczenia laserowego

W poniższym artykule postaram się omówić czym właściwie jest ablacja laserowa i w jaki sposób wykorzystywana jest ona podczas procesów czyszczenia laserowego. Ablacja jest terminem, który często można spotkać w kontekście operacji medycznych, inżynierii materiałowej czy chociażby medycyny estetycznej. Zacznijmy od definicji encyklopedycznej: „Ablacja (łac. ablatio = odjęcie) w geologii oznacza stopniowe niszczenie, kruszenie się powierzchni lądu, także lodowca, na skutek działania wody, wiatru i temperatury. W technice lotniczej jest to sposób chłodzenia powierzchni bardzo szybkich statków powietrznych podczas lotu w gęstych warstwach atmosfery przez odparowanie, lub inaczej odsublimowanie (sublimacja oznacza bezpośrednie przejście materiału ze stanu stałego w stan gazowy) niektórych metali lub tworzyw sztucznych stanowiących zewnętrzną warstwę pokrywy tych statków”1. Więc ablacja laserowa nie jest niczym innym jak po prostu odparowaniem cząstek materiału, które pochłonęły padające na nie światło lasera. Jednak aby sama ablacja mogła dojść do skutku musi wpłynąć na to szereg zdarzeń.

Wyobraźmy sobie wiązkę lasera w postaci tysięcy fotonów, które padają na obrabianą powierzchnię. Każdy foton zderza się z powierzchnią materiału powoduje pobudzanie pojedynczych atomów, które zderzając się ze swoimi sąsiadami zwiększając temperaturę, a tym samym energię. W pewnym momencie wytworzona w ten sposób energia przekracza wartość krytyczną zwaną progiem ablacyjnym, dochodzi wtedy do rozerwania połączeń pomiędzy atomami materiału i tym samym oderwania ich z jego powierzchni.

Podczas całego tego procesu dochodzi do rozpylania na powierzchni materiału dużej ilości najróżniejszych elementów jakimi są pojedyncze atomów, elektrony, molekuły itp. Tworzą one „chmurę” elementów na powierzchni materiału, w której powstaje plazma, która przenosi dodatkowe ciepło w głąb materiału. Plazma zawsze pojawia się w miejscach gdzie działają dwa czynniki, duże ilości gazu (w tym przypadku „chmura” powstałych elementów) i wyładowania energii, można ją zauważyć chociażby podczas procesu spawania. Grubość usuniętego materiału w procesie ablacji, skala w jakiej się nagrzeje i stopień zmian jakie zajdą w jego strukturze chemicznej zależy od kilku czynników. Są to:

MOC urządzenia laserowego przy jakiej będziemy przeprowadzać proces ablacji,

CZĘSTOTLIWOŚĆ emitowanych impulsów promieniowania laserowego.

Te dwa parametry bezpośrednio będą kształtować nam tzw. strefę wpływu ciepła w materiale. Jest to wielkość obszaru, w którym będą widoczne zmiany w składzie chemicznym spowodowane wzrostem temperatury w materiale. W zależności od obrabianego materiału ważne jest odpowiednie ustawienie tych dwóch parametrów.

DŁUGOŚĆ FALI jaką charakteryzuję się użytkowane przez nas urządzenie laserowe.

W naszej firmie pracujemy na laserze włóknowym, nazywanym czasem fibrowym (ang. fiber = włókno), który emituję wiązkę promieniowania laserowego o długości 1064 nanometrów. Długość ta należy do spektrum światła podczerwonego, fale w tym zakresie są bardzo słabo pochłaniane przez materiały metalowe. Wynika to z tego, że energia pojedynczej cząsteczki światła, tj. fotonu jest zbyt mała by rozerwać wiązanie pomiędzy pojedynczymi cząstkami materiału. Skutkuję to jedynie tym, że przy dłuższym naświetlaniu jednego miejsca takim laserem możemy doprowadzić do jego znacznego nagrzania, a czasami do przetopienia jego powierzchni.

Rys.1 Absorbcja śwatła laserowego dla wybranych metali

Skoro mamy już obraz tego jak przebiega ablacja laserowa przejdźmy do jej praktycznego wykorzystania w procesie czyszczenia. Wiemy już, że podczas czyszczenia laserowego używamy odpowiedniej długości fali, która jest bardzo słabo pochłaniania przez materiały metalowe, a całkiem dobrze absorbują ją zanieczyszczenia na obrabianej powierzchni. Proces czyszczenia laserowego sprowadza się więc do odpowiedniego sparametryzowania urządzenia w taki sposób aby jak największa część światła, które wydostaje się z lasera zostało pochłonięte przez nawarstwienia znajdujące się na czyszczonej powierzchni.

Czyszczenie laserowe wykorzystuję właśnie te różnicę pochłanialności, która jest zupełnie inna dla metali i zanieczyszczeń składających się najczęściej z powłok lakierniczych, rdzy, tłuszczu, pyłów i wielu innych drobnych cząstek. Proces czyszczenia składa się więc z następujących etapów:

  1. Światło lasera trafia na czyszczoną powierzchnie powodując zwiększanie się energii w nawarstwieniach, dochodzi do przekroczenia progu ablacji w wyniku czego część materiału zostaje odparowana.
  2.  Generowana jest plazma, która przenosi część powstającego ciepła w głąb zanieczyszczeń.
  3. W wyniku nagłego oderwania zanieczyszczeń dochodzi do powstania fali akustycznej, która porusza się w stronę podłoża. Fala akustyczna odbija się od materiału podłoża i zaczyna poruszać się w przeciwną stronę, powoduję przy tym powstawanie dodatkowych sił w nawarstwieniach, które pomagają szybciej rozbijać kolejne warstwy zanieczyszczenia.
  4. Na koniec fala akustyczna wspomaga „wyrzucanie” oderwanych zniszczeń w powietrze, efekt ten można zauważyć oraz usłyszeć podczas każdego procesu czyszczenia laserowego. Drobinki zanieczyszczeń są z dużą prędkością wyrzucane w powietrze i towarzyszy temu „świszczenie”, które niektórzy wykorzystują podczas czyszczenia laserowego. Im głośniejsze „świszczenie” tym lepiej światło lasera jest pochłaniane przez zanieczyszczenia.
Rys.2 Schemat przebiegu czyszczenia laserowego z wykorzystaniem ablacji laserowej

Odpowiednie dobranie parametrów procesu czyszczenia laserowego charakteryzuję się tym, że po usunięciu zanieczyszczeń z powierzchni materiału światło nagle przestaje być pochłaniane, „świszczenie” ucicha, a w powietrze przestają być wybijane cząsteczki. Zupełnie inne parametry będą dobierane dla czyszczenia powierzchni z materiałem podłoża ze stali konstrukcyjnej, inne dla podłoża żeliwnego, a jeszcze inne dla podłoża aluminiowego czy miedzianego. Do tego jeszcze dochodzi rodzaj zabrudzenia i jego grubość. W ECL Tech Polska cały czas badamy nowe sposoby wykorzystania światła do czyszczenia powierzchni starając się stworzyć przy tym schemat doboru optymalnych parametrów dla każdej napotkanej powierzchni.

 Mam nadzieję, że powyższy artykuł chociaż trochę rozjaśnił Wam na czym polega czyszczenie laserowe i pokazał, że w gruncie rzeczy ablacja laserowa brzmi tylko tak poważnie a w rezultacie jest dość prostym procesem, na który składa się kila równie prostych zjawisk. W następnym tygodniu na stronie pojawi się kolejny artykuł jeszcze bardziej przybliżający Was do świata laserów.

1. Encyklopedia fizyki, PWN, Warszawa 1974.

-Karol Woźniak-