On Energy Efficiency Characteristics of Laser Erosion on Oxidic Surfaces of Carbon Steels, Cast Iron and Low-alloy Non-ferrous Alloys During Deoxidizing Cleaning. Part II

О характеристиках энергоэффективности лазерной эрозии при очистке от оксидов поверхностей углеродистых сталей, чугуна и низколегированных сплавов металлов. Часть 2

Bibliographic entry

On Energy Efficiency Characteristics of Laser Erosion on Oxidic Surfaces of Carbon Steels, Cast Iron and Low-alloy Non-ferrous Alloys During Deoxidizing Cleaning. Part II = О характеристиках энергоэффективности лазерной эрозии при очистке от оксидов поверхностей углеродистых сталей, чугуна и низколегированных сплавов металлов. Часть 2 / O. G. Devoino, A. V. Gorbunov, D. A. Shpackevitch [et al.] // Наука и техника. – 2025. – № 4. – С. 261-269.

Abstract

An analysis of the energy efficiency characteristics was performed for laser erosion cleaning (LC) processes developed last period for the application in metalworking sector for the wide group of carbon steels, cast iron and non-ferrous metal alloys to remove surface oxidic layers. The consideration of some characteristics of the LC-processes (energy consumption, energy criterion Ken1s et al.) gives the opportunity for the evaluation of the effects of different mechanisms of the surface deoxidizing during the pulsed laser cleaning of MeOx-layers. Analysis of LC-processes taking into account the efficiency characteristics was based on the massive of parameters of typical (in the field of LC of oxides) regimes of processing of samp-les of carbon steels with surface oxide layers (including using data from our experiments) with use of various pulsed lasers, as well as some samples of aluminum, copper and titanium alloys and cast iron with surface oxides. Our comparison of estimated values of the parameters for a number of recent LC-variants demonstrates that it can be supposed with a sufficient reliability that for the most typical LC-processing cases (preliminary studied in our experiments with cleaning steel samples from mill scale and also described for LC-processes with removal of oxides from some non-ferrous alloys), the first, i.e. the most energy-consuming (thermal ablation with heating to the melting temperature or even higher) of the cleaning mechanisms is more probable. For this processing group the level of the energy criterion values achieved in our experimental series with the LC of FeOx-scale (Ken1s ≈ 4.4 and corresponding approximate value can, according to our kinetic estimates, be considered close to the threshold level, below which not only the LC thermal ablation will be realized in parallel, but also partially the other two deoxidizing mechanisms (not so high energy consumed ones). At the same time active realization of other, i.e. non-ablative mechanisms is feasible in a rarer group of LC-operating cases (e.g. in the laser removal of TiOx-film from the titanium alloy, and also, possibly, in the regime of alumina removal from aluminium alloy for which the Ken1s level is probably equivalent to the “transition zone” with substantial contribution of both non-ablative mechanisms and thermal ablation).

Abstract in another language

Проведен анализ показателей энергоэффективности процессов лазерной эрозионной очистки (ЛО), разрабатываемых в последнее время для применения в технологиях металлообработки многих углеродистых сталей, чугунов и сплавов цветных металлов, с целью удаления с них поверхностных оксидных слоев. Учет некоторых характеристик данных ЛО-процессов (энергозатраты, энергетический критерий Ken1s, и др.) дает возможность оценить влияние различных механизмов поверхностного деоксидирования при импульсной лазерной очистке MeOx-слоев. Анализ LC-процессов с учетом характеристик эффективности проводился на основе массива параметров типичных (в области ЛО от оксидов) режимов обработки образцов углеродистых сталей с поверхностными оксидными слоями (в том числе с использованием данных наших экспериментов) с применением различных импульсных лазеров, а также некоторых образцов алюминиевых, медных и титановых сплавов и чугуна с поверхностными оксидами. Проведенное нами сравнение расчетных значений параметров для ряда современных вариантов ЛО показывает, что с достаточной степенью надежности можно предположить, что для наиболее типичных случаев ЛО-обработки (предварительно изученных в наших экспериментах по очистке стальных образцов от прокатной окалины, а также описанных для ЛО-процессов по удалению оксидов с поверхности некоторых сплавов цветных сплавов) более вероятен первый, т.е. наиболее энергозатратный (термическая абляция с нагревом до температуры плавления и даже выше) из механизмов очистки. Для этой группы процессов уровень значений энергетического критерия, достигнутый в нашей серии экспериментов с ЛО FeOx-окалины со стали (Ken1s ≈ 4,4) и соответствующее ему приближенное значение можно, согласно нашим кинетическим оценкам, считать близким к пороговому уровню, ниже которого будет параллельно реализовываться не только ЛО-термоабляция, но и частично два других (менее энергозатратных) механизма деоксидирования. В то же время в более редкой группе случаев процессов ЛО (например, при лазерном удалении пленки TiOx с титанового сплава, а также, возможно, в режиме удаления оксида алюминия с алюминиевого сплава, для которого уровень Ken1s, вероятно, эквивалентен «переходной зоне» с существенным вкладом как неабляционных механизмов, так и термоабляции) возможна активная реализация иных, т. е. не термоабляционных механизмов.