Исследование аэрозольных частиц, образующихся при лазерном воздействии на различные металлы

Постановка проблемы. На сегодняшний день лазерные технологии обработки материалов успешно внедряются практически во всех отраслях промышленности. Независимо от цели обработки, в процессе взаимодействия лазерного излучения с веществом происходит его частичное испарение или ионизация, что, с последующей конденсацией, приводит к образованию мелкодисперсных аэрозольных частиц, представляющих угрозу здоровью окружающих. Особое внимание стоит уделять образованию нанодисперсных частиц аэрозолей, которые сложней всего детектировать и улавливать, а эффект от попадания их в дыхательные органы непредсказуем. Цель. Провести исследования аэрозольных частиц, образующихся при взаимодействии лазерного излучения с различными металлами. Результаты. Проведены исследования на примере лазерного воздействия на мишени из Al марки А99, Bi, сплава Э110 и сталей Ст3 и 08Х18Н10Т методом осаждения образующихся аэрозолей на образец-свидетель с последующим анализом его сканирующей электронной микроскопии, а также изучены физические размеры образующихся аэрозолей. Показано, что все аэрозоли имеют общую тенденцию к осаждению на образец-свидетель и представляют собой микронные и субмикронные агломераты из наноразмерных частиц, способных распространяться на достаточно большие расстояния от места взаимодействия лазерного излучения с металлом. Практическая значимость. Результаты работы могут позволить более детально взглянуть на проблему образования аэрозольных частиц при лазерной обработке для формирования более корректных требований к воздухоочистительным системам при их эксплуатации.

Laser technologies are widely used in modern industry for cutting, welding, surface cleaning, drilling, and more, including in the nuclear industry for processing radioactively contaminated structures. These processes often lead to the formation of aerosol particles, including toxic nanoparticles, primarily oxides, which can penetrate cellular membranes and accumulate in the body. Understanding these particle formation processes is crucial for improving gas purification systems and personal protective equipment. This study utilized a ytterbium fiber pulsed-periodic laser (1.064 µm wavelength, 20 W power, 40 kHz pulse repetition rate, 200 ns pulse duration) to process various metals: aluminum (Al), bismuth (Bi), E110 alloy (Zr-based), carbon steel (St3), and stainless steel (08X18H10T). Aerosols were analyzed using a silicon monocrystalline substrate placed near the laser impact site, cleaned thoroughly to remove any contaminants. A 3D-printed model held the substrate at a 15-degree angle in the laser processing zone. Experiments were conducted in a closed box with local exhaust, positioning the substrate to capture the finest aerosol particles. Samples were analyzed using scanning electron microscopy (SEM) on a JEOL JSM-6480LV microscope. Results showed that aerosols formed consist of submicron agglomerates of particles smaller than 100 nm, with uneven deposition indicating air-borne agglomeration. Repeated scanning formed branched structures of interconnected nanoparticle agglomerates. In conclusion, laser processing with a 1.064 µm ytterbium fiber laser produces submicron aerosols of nanoparticles, presumably oxides. The deposition pattern suggests air-borne agglomeration, independent of the target material. These findings underscore the need for enhanced air purification and protective equipment to mitigate nanoparticle accumulation risks in respiratory organs and on skin during laser equipment operation.