Các ứng dụng làm sạch và loại bỏ sơn bằng laser đã nhận được nhiều sự chú ý trong những năm gần đây, vì các phương pháp loại bỏ sơn truyền thống như phun cát và tẩy sơn bằng hóa chất gây ra nhiều ô nhiễm môi trường. Đã đến lúc tận dụng các giải pháp tẩy sơn xanh. Bằng cách kiểm soát chính xác các thông số như độ rộng xung, mật độ năng lượng, tốc độ lặp lại và kích thước chùm tia, tia laser có thể được sử dụng để thực hiện công việc chất lượng cao và loại bỏ lớp phủ [Tham khảo 1] Những ưu điểm của việc loại bỏ sơn bằng laser có thể được tóm tắt như sau:
● Ít vật tư tiêu hao hơn
● Giảm chất thải thứ cấp
● Không có hư hỏng cơ học đối với chất nền do sử dụng các thông số laser được kiểm soát
● Độ bám dính tốt hơn do độ nhám bề mặt giảm
● Nhanh hơn các phương pháp truyền thống
● Hiệu quả hơn các phương pháp truyền thống
Có hai cách để đạt được hiệu quả làm sạch bằng laser. Đầu tiên là quá trình cắt bỏ bằng laser, trong đó một xung năng lượng cao hoặc chùm sóng liên tục cường độ cao sẽ tạo ra plasma trong lớp phủ và sóng xung kích do plasma tạo ra sẽ làm nổ lớp phủ thành các hạt. Thứ hai là phân hủy nhiệt, trong đó chùm sóng liên tục năng lượng thấp hơn hoặc xung dài có thể làm nóng bề mặt và cuối cùng làm bay hơi lớp phủ.
Dù là cơ chế nào, các thông số laser không được kiểm soát đều có thể làm hỏng chất nền và gây ra vấn đề. Cả laser liên tục và xung đều có thể được sử dụng để làm sạch bằng laser, nhưng cần phải hiểu những tác động khác nhau mà các tia laser này tạo ra trên các chất nền khác nhau. Sự hấp thụ của tia laser liên tục bởi chất nền phụ thuộc vào bước sóng của nó, với bước sóng ngắn hơn thường dẫn đến sự hấp thụ lớn hơn. Mặt khác, đối với laser xung cổ điển, độ sâu thâm nhập LT vào chất nền không phụ thuộc vào bước sóng và thay vào đó phụ thuộc vào độ rộng xung τp của laser và hệ số khuếch tán D của chất nền, như trong Công thức 1.
Đối với laser xung cổ điển, việc tăng độ rộng xung sẽ làm tăng ngưỡng cắt bỏ, được định nghĩa là năng lượng tối thiểu cần thiết để loại bỏ một đơn vị thể tích vật liệu theo phương trình sau:
trong đó ρ là mật độ và Hv là nhiệt hóa hơi (lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi một đơn vị khối lượng vật liệu tính bằng Joules trên gam). Vì vậy, xung dài hơn làm giảm hiệu quả cắt bỏ. Laser xung cổ điển cũng phụ thuộc vào tốc độ lặp lại xung, trong đó hiệu suất cắt bỏ tăng khi tốc độ lặp lại tăng.
Một nghiên cứu đã được thực hiện để nghiên cứu chế độ hoạt động xung và CW của laser sử dụng laser sợi quang 1,07 μm [Ref 2]. Trong nghiên cứu này, tia laser CW tương tự đã được bật và tắt để tạo ra các xung có chiều rộng dài. Nghiên cứu này cho thấy ở chế độ CW, năng lượng riêng (được định nghĩa là năng lượng cần thiết để loại bỏ một đơn vị thể tích vật liệu (mm3) tính bằng Joules và tỷ lệ nghịch với hiệu suất cắt bỏ) giảm khi tăng tốc độ quét và công suất laser. Đối với chế độ xung, hiệu suất cắt bỏ phụ thuộc vào chu kỳ hoạt động (tỷ lệ giữa độ rộng xung và khoảng thời gian giữa hai xung). Tăng chu kỳ nhiệm vụ, hiệu quả cắt bỏ tăng lên. Điều này trái ngược với các laser xung cổ điển, ở đó, ở tốc độ lặp lại cố định, việc tăng độ rộng xung (và do đó là chu kỳ hoạt động) sẽ làm giảm hiệu suất cắt bỏ. Hình 3 so sánh năng lượng riêng với công suất và tốc độ quét của laser CW 1 kHz và laser xung (tức là bật và tắt laser CW) trên đế thép không gỉ.
Laser xung (tức là bật và tắt laser CW) có công suất cực đại là 1800 W và công suất trung bình gần bằng laser CW, nhưng như có thể thấy từ hình, năng lượng riêng thấp hơn gần 2 lần . Chế độ xung so với chế độ CW. Chế độ CW dường như có nhiều tổn thất hơn chế độ xung vì công suất laser luôn ở giá trị cực đại.
Tuy nhiên, chế độ vận hành tia laser không phải là yếu tố duy nhất cần cân nhắc khi quyết định nên sử dụng tia laser xung (tức là bật và tắt sóng liên tục) hay tia laser sóng liên tục để làm sạch bằng tia laser. Mẫu quét là một cân nhắc quan trọng khác. Điều quan trọng là thời gian tương tác giữa chùm tia laser và lớp phủ phải ngắn để ảnh hưởng của tổn hại nhiệt là tối thiểu. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các xung ngắn với cường độ cực đại cao hoặc bằng cách sử dụng tia laser liên tục và tốc độ quét nhanh.
Xét rằng công suất laser liên tục thường mạnh hơn, rẻ hơn và chắc chắn hơn so với laser xung, nên đây không phải là một lựa chọn tồi để làm sạch bằng laser. Thật không may, các máy quét điện kế truyền thống được sử dụng để làm sạch bằng laser không thể xử lý được các tia laser nhiều kilowatt. Máy quét điện kế dùng cho tia laser công suất cao cũng khá nặng và không thể chạy ở tốc độ quét cao. Do đó, một loại máy quét mới gọi là máy quét đa giác đã được đề xuất chỉ có một bộ phận chuyển động là đa giác [Tài liệu tham khảo 3]. Những máy quét đa giác này có thể xử lý công suất laser cao hơn và được chứng minh là nhanh hơn ba lần so với máy quét điện kế. Sử dụng tốc độ quay khiêm tốn, máy quét đa giác có thể tạo ra tốc độ quét bề mặt vượt quá 50 mét mỗi giây. Tốc độ quét cao này cho phép thời gian tương tác ngắn của chùm tia với bề mặt làm việc và cho phép sử dụng công suất laser rất cao. Hình 4 cho thấy thiết kế của một máy quét đa giác.
Tóm lại, việc lựa chọn sử dụng laser CW hoặc laser xung (tức là CW hoặc laser xung ngắn cổ điển được bật và tắt) để làm sạch bằng laser phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như loại chất nền, độ hấp thụ của lớp phủ, và chi phí của tia laser. Sự kết hợp giữa máy quét đa giác và tia laser liên tục có thể tạo ra tốc độ quét nhanh và là một lựa chọn đầy hứa hẹn có thể được xem xét khi không có tia laser xung cổ điển.
