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激光清洗技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用深度解析!

發(fā)布時(shí)間:2020-04-07 來源:元祿光電

世界上第1臺(tái)激光器誕生于1960年由美國科學(xué)家西奧多哈羅德梅曼教授利用紅寶石研發(fā),從此開啟了激光造福人類的大門。在接下來的時(shí)間里應(yīng)用于各種領(lǐng)域的激光器相繼誕生。激光技術(shù)的推廣使得醫(yī)療、裝備制造、精準(zhǔn)測量和再制造工程等領(lǐng)域科技飛速發(fā)展加快了社會(huì)進(jìn)步的步伐。

 

在清洗領(lǐng)域中激光的應(yīng)用更是取得了重要成果。與傳統(tǒng)的清洗方法相比如機(jī)械摩擦、化學(xué)腐蝕和高頻超聲等激光清洗可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化運(yùn)行其具有工作效率高、成本低、對(duì)環(huán)境無污染、對(duì)基材無損傷和材料的適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)完全符合綠色、環(huán)保的加工理念是目前最可靠、有效的清洗方式。

 

清洗是對(duì)廢舊機(jī)械零部件檢測和加工的前提采用激光清洗技術(shù)可以有效地控制基體表面形貌和表面粗糙度實(shí)現(xiàn)基材清洗后性能的提升也可應(yīng)用于大型零部件制造、表面處理或者再制造領(lǐng)域。雖然目前激光清洗還沒有完全取代傳統(tǒng)的清洗方式但隨著國家對(duì)制造業(yè)節(jié)能、減排等環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)激光清洗將以它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)逐漸走進(jìn)人們的生活。

 

01激光清洗的原理

20世紀(jì)80年代中期,BeklemyshevAllrn等科學(xué)家針對(duì)實(shí)際工作需要將激光技術(shù)與清洗技術(shù)結(jié)合起來并進(jìn)行了相關(guān)研究自此激光清洗(Laser Cleanning)這一技術(shù)理念誕生.眾所周知污染物與基體之間的結(jié)合力分為共價(jià)鍵、雙偶極子、毛細(xì)作用以及范德華力等作用力如能將此作用力克服或破壞那么就會(huì)達(dá)到脫污的效果。

 

激光清洗是利用激光光束具有大的能量密度、方向可控和匯聚能力強(qiáng)等特性,使污染物與基體之間的結(jié)合力受到破壞或者使污染物直接氣化等方式進(jìn)行脫污,降低污染物與基體的結(jié)合強(qiáng)度,進(jìn)而達(dá)到清洗工件表面的作用。激光清洗原理圖如圖1所示。當(dāng)工件表面污染物吸收激光的能量后,其快速氣化或瞬間受熱膨脹后克服污染物與基體表面之間的作用力,由于受熱能量升高,污染物粒子進(jìn)行振動(dòng)后而從基體表面脫落。

 

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整個(gè)激光清洗過程大致分為4個(gè)階段,即激光氣化分解、激光剝離、污染物粒子熱膨脹、基體表面振動(dòng)和污染物脫離。當(dāng)然,在應(yīng)用激光清洗技術(shù)時(shí)還要注意被清洗對(duì)象的激光清洗閾值,選擇合適的激光波長,進(jìn)而達(dá)到最佳的清洗效果。激光清洗能夠在不損傷基體表面的前提下,使基材表面的晶粒結(jié)構(gòu)和取向改變,并且還能夠?qū)w表面粗糙度進(jìn)行控制,從而增強(qiáng)基體表面的綜合性能。清洗效果主要受光束特性、基底與污物材料的物性參數(shù)和污物對(duì)光束能量的吸收能力等因素影響。

 

目前,激光清洗技術(shù)包括干式激光清洗技術(shù)、濕式激光清洗技術(shù)和激光等離子體沖擊波技術(shù)等3種清洗方式。

 

1干式激光清洗即脈沖激光直接照射清洗工件,使基底或表面污染物吸收能量溫度升高,產(chǎn)生熱膨脹或基底熱振動(dòng),進(jìn)而使二者分離。該方法大致分為2種情況:一種是表面污染物吸收激光膨脹;另一種是基底吸收激光產(chǎn)生熱振動(dòng)。2濕式激光清洗是在脈沖激光照射待洗工件前,先進(jìn)行表面預(yù)涂液膜,在激光的作用下液膜溫度快速升高而氣化,氣化的瞬間產(chǎn)生沖擊波,作用在污染物顆粒中,使其從基體上脫落。此方法要求基體與液膜不能發(fā)生反應(yīng),故限制了應(yīng)用材料的范圍。3激光等離子體沖擊波是在激光照射過程中擊穿空氣介質(zhì)而產(chǎn)生球狀等離子體沖擊波,沖擊波作用在待洗基體表面并且釋放能量將污染物去除;激光未作用于基體,因此對(duì)基體不產(chǎn)生傷害。激光等離子體沖擊波清洗技術(shù)現(xiàn)已可以清洗幾十納米粒徑的顆粒污染物,并且對(duì)激光波長沒有限制。

 

在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)根據(jù)需要具體選擇不同的試驗(yàn)方法和相關(guān)參數(shù),來獲得優(yōu)質(zhì)的清洗工件。在激光清洗過程中,表面清洗效率與質(zhì)量評(píng)定是確定激光清洗技術(shù)好壞的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。

 

02激光清洗的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代中期激光清洗技術(shù)理念誕生后,激光清洗一直伴隨著激光技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。20世紀(jì)70年代美國科學(xué)家JAsums率先提出用激光清洗技術(shù)清洗雕塑、壁畫等文物的觀點(diǎn),并且在實(shí)踐中驗(yàn)證了激光清洗對(duì)保護(hù)文物具有重要作用。

 

國外從事激光清洗設(shè)備生產(chǎn)的企業(yè)主要有美國的Adapt LaserLaser clean all公司、意大利的El En goup公司以及德國的Rofin公司等,其激光設(shè)備大多為大功率、高重復(fù)頻率的激光器。如E.Y.Assendel'ft1988年首次利用短波高脈沖能量的CO2激光器進(jìn)行濕式清洗試驗(yàn),脈寬100ns、單脈能量300mJ,當(dāng)時(shí)在世界上占有領(lǐng)先地位。

 

國外激光技術(shù)的發(fā)展以1998年作為歷史分界,主要分為2個(gè)階段:1998年以前激光清洗剛剛興起,相對(duì)來說投入的人力物力有限、發(fā)展較慢;從1998年至今,激光在清洗領(lǐng)域的發(fā)展突飛猛進(jìn)。R.Rechner等利用激光清洗鋁合金表面的氧化層,使用掃描電鏡、能譜儀、紅外光譜和X射線光電子能譜分析等方法觀察清洗前后的元素種類與含量的變化。還有學(xué)者將飛秒激光器應(yīng)用到對(duì)歷史文獻(xiàn)、文件的清理和保存領(lǐng)域中,且具有高的清洗效率、小的變色效果和對(duì)纖維無任何損傷等優(yōu)點(diǎn)。

 

我國激光清洗的研究起步相對(duì)較晚,早期也只有部分高校(如西安交通大學(xué)、大連理工大學(xué)和南開大學(xué)等)開展研究。2005年華中科技大學(xué)和中科院的相關(guān)學(xué)者就軍用裝備表面清洗做了研究,利用TEA CO2激光器對(duì)飛機(jī)表面進(jìn)行脫漆。2007年南開大學(xué)的宋峰等開展調(diào)Q短脈沖激光除漆的理論研究。2008年青島科技大學(xué)的周桂蓮等開展了激光對(duì)模具表面清洗的溫度場研究。南京理工大學(xué)的張平等利用激光等離子體沖擊波對(duì)硅片表面進(jìn)行了清洗。

 

還有2017年陸軍裝甲兵學(xué)院的學(xué)者們率先研制出國內(nèi)首臺(tái)“新型500W高重頻高能量激光清洗工程化設(shè)備”,打破了我國大功率激光清洗設(shè)備依賴進(jìn)口的局面。我國學(xué)者王曼曼等研究了激光清洗與傳統(tǒng)清洗方式的差異性,自主研發(fā)了手持式激光清洗系統(tǒng),并應(yīng)用Ezcad軟件,結(jié)果發(fā)現(xiàn),手持式激光清洗系統(tǒng)使用更便捷,不受工作環(huán)境的限制,對(duì)于一些比較大型的工件進(jìn)行除銹會(huì)比臺(tái)式的更加方便,應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。目前,我國雖然在激光清洗領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展,但激光器制造的核心零件還需進(jìn)口,部分核心技術(shù)仍處于國際落后階段;因此,加強(qiáng)開發(fā)我國激光清洗技術(shù)、在核心技術(shù)層面上革新是任重道遠(yuǎn)的,也是迫在眉睫的。

 

03激光清洗的應(yīng)用

激光清洗在工業(yè)生產(chǎn)中作為加工的第1道工序,不僅可以有效除銹、除污,還可以使基體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成一層保護(hù)層防止基體重新生銹,提高其抗蝕能力。目前,激光清洗技術(shù)已應(yīng)用到軍工、工業(yè)生產(chǎn)、微電子、文物保護(hù)和醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。

 

3.1在軍工領(lǐng)域中的應(yīng)用

在軍工領(lǐng)域中,最早美國科學(xué)家提出利用激光對(duì)軍用飛機(jī)進(jìn)行脫漆,并作了相關(guān)研究,但由于當(dāng)時(shí)激光器設(shè)備昂貴且大而笨重,故只停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段,此后隨著激光設(shè)備的進(jìn)步與完善,為激光清洗提供了便利。

 

我國羅紅心等利用連續(xù)CO2激光器對(duì)飛機(jī)蒙皮模擬試樣進(jìn)行脫漆,激光功率為30W/mm2以400mm/min的掃描速度可一次將蒙皮舊漆除掉,且對(duì)基體無損傷。鄭光等在前人的基礎(chǔ)上對(duì)TEA CO2激光飛機(jī)蒙皮脫漆后進(jìn)行一系列性能測試,結(jié)果表明,脫漆后的飛機(jī)蒙皮抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度以及維氏硬度等與基體相比均無變化,耐蝕性能有所上升;在不引起靶面氣體擊穿的前提下,激光的能量密度越高,脈寬越窄,越有利于脫漆。目前,厚度為1mm、面積為36m2的舊漆層利用激光清洗可在1h內(nèi)完全脫掉,在48h內(nèi)可完成1架波音 737飛機(jī)的蒙皮脫漆。以上足以說明,激光清洗技術(shù)在飛機(jī)蒙皮脫漆處理上的應(yīng)用具有里程碑式意義。

 

在其他軍用裝備上激光清洗也發(fā)揮了巨大的作用。侯素霞等利用CO2激光器清洗軍用裝備表面霉菌,根據(jù)激光照射過程中使菌體燃燒或微量爆炸而氣化分解的原理,研制出了軍用小型激光清洗設(shè)備,有效地防止了霉菌對(duì)武器裝備的腐蝕和氧化,消除了菌絲形成的生物電橋?qū)υO(shè)備電路的影響,大大減少了武器裝備清洗的人力、物力。宋桂飛等針對(duì)彈藥修理面臨的除銹除漆技術(shù)難題,利用20W光纖激光器對(duì)彈藥開展了除銹除漆試驗(yàn),結(jié)果表明, 激光輻照掃描的部位銹蝕、殘余油漆均被清除,并露出基體材料的金屬光澤,且基體組織均勻、無損傷; 材料的表面溫度幾乎沒有變化,表明激光用于危爆裝置表面處理,不會(huì)因熱效應(yīng)而發(fā)生燃爆,只需要處理好激光特征參數(shù)與表面處理質(zhì)量、作業(yè)效率的關(guān)系。

 

在軍用裝備的維護(hù)與制造中激光清洗可提升裝備維修的效率,減少武器彈藥表面的氧化,為軍用裝備、軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力提供有力保障。

 

3.2在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,機(jī)械設(shè)備長時(shí)間服役,零部件表面積累了大量油污、廢舊漆層、銹蝕和積碳等污染層。利用TEA CO2激光器清洗工業(yè)設(shè)備上長期服役的鐵釘后,利用SEM檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),鐵釘上原有的鍍鋅鍍層完好無損,只是將表面的油污等污染層清除。

 

Y.C.Guan等采用脈沖 NdYAG 激光器(為1064nm)對(duì)柴油機(jī)活塞的碳質(zhì)沉淀物進(jìn)行了清洗,后經(jīng) XPS SEM/EDX 等檢測發(fā)現(xiàn),柴油機(jī)基體表面的 Fe3C被完全清除,羧酸鹽也顯著減少。羅雅等根據(jù)焊接工藝需要,對(duì)焊前 TC11鈦合金進(jìn)行激光清洗的前處理,并研究激光清洗對(duì)焊接性能的影響,試驗(yàn)采POWERLASE Rigel i400的納秒脈沖固體激光器,清洗功率為150W,線光斑長25mm,掃描速率為10mm/s,并使用氬氣保護(hù),對(duì)清洗試件和未清洗試件分別進(jìn)行真空電子束焊接并分析測試,結(jié)果表明,激光清洗后可以完全清除鈦合金表面的氧化膜和污染物,且焊縫質(zhì)量為一級(jí),內(nèi)部無焊接缺陷產(chǎn)生,可見激光清洗技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的焊前試樣處理方法,可以有效地改善焊接質(zhì)量。

 

N.Maharjan等學(xué)者利用波長790nm、130fs脈沖、功率1.5W的飛秒激光器清洗航空零部件,可有效地去除表面污染物,經(jīng)測試分析發(fā)現(xiàn),清洗后表面氧含量顯著下降,在適當(dāng)?shù)募す鈪?shù)下,將飛秒激光應(yīng)用于清洗技術(shù)中可提高清洗效率。倪加明等利用激光清洗技術(shù)對(duì)鋁合金陽極氧化膜進(jìn)行局部激光清洗,并將清洗后的焊接試板進(jìn)行對(duì)接焊接,通過X射線檢測以評(píng)定焊縫質(zhì)量,采用金相組織進(jìn)行觀察和分析,通過常溫拉伸試驗(yàn)測試去除氧化膜對(duì)焊縫性能的影響,結(jié)果表明,陽極氧化膜被徹底清洗干凈,經(jīng)激光清洗的鋁合金接頭抗拉強(qiáng)度為298~303MPa,拉伸斷裂延伸率為6.2%~6.5%,激光清理焊縫與機(jī)械刮削焊縫的性能范圍一致,焊接過程中焊接熔池干凈,焊縫無聚集狀氣孔、雜質(zhì)等內(nèi)部缺陷,大大提升了鋁合金的焊接性。

 

S.Genna等利用激光清洗技術(shù)對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)表面進(jìn)行清洗,探究了碳纖維布的激光輔助連接(LAJ)的預(yù)處理工藝,利用 YbYAG 纖維激光器,功率為30W,結(jié)果表明,激光清洗作為預(yù)處理使接頭強(qiáng)度顯著增加,其他參數(shù)最優(yōu)情況下,強(qiáng)度是樣本的2倍;激光清洗可從層壓板中去除第1個(gè)環(huán)氧基層,這對(duì)改善連接形態(tài)極為有利。喬玉林等利用波長為1064nm的高重頻高能量激光對(duì)鈦合金表面積碳進(jìn)行了激光清洗試驗(yàn),并分析了清洗速度對(duì)激光清洗鈦合金積碳表面的形貌和組成的影響,結(jié)果表明,當(dāng)激光功率為500W、脈沖寬度為20ns、頻率為18kHz、掃描寬度為5cm時(shí),清洗速度為7cm2/s的清洗效果最佳,質(zhì)量最好;若清洗速度過小,鈦合金表面會(huì)出現(xiàn)光斑痕跡,光斑中心會(huì)有部分微熔。

 

激光清洗技術(shù)在橡膠生產(chǎn)行業(yè)同樣有著不可替代的作用,輪胎模具由于長時(shí)間的服役,表面沉積了大量污染物,對(duì)生產(chǎn)精度產(chǎn)生了巨大影響,利用激光技術(shù)可以對(duì)輪胎模具表面(見圖2)進(jìn)行“綠色”清洗。

 

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激光清洗技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用,使除積碳效果和焊接工藝質(zhì)量得到大幅度的提升,可對(duì)不同的基材表面進(jìn)行高效積碳清洗,減少焊接缺陷,提升材料的焊接性;同時(shí)還可節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)成本,提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。

 

3.3在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

在微電子加工、文物保護(hù)和醫(yī)療等其他領(lǐng)域,激光清洗技術(shù)的應(yīng)用也取得了很大進(jìn)展。聚酰亞胺是電子元器件封裝薄膜內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料,利用波長為248193nm的準(zhǔn)分子激光可以有效地剝離有機(jī)聚合物,防止PdTiCrW等對(duì)聚酰亞胺的污染。在電路板清洗方面,被廣泛應(yīng)用的是KrF激光器,其脈沖能量為300mJ、脈寬為20ns、頻率為1Hz,可清洗電路板表面的鈍化膜。

 

激光清洗文物、工藝品以及建筑物的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛,在歐洲人們已經(jīng)清洗了各種建筑,如波蘭的烈士墓、倫敦的西行政宮等。采用KrF準(zhǔn)分子激光器,用波長為1.06nm的激光可以有效地將石雕等工藝品(如石灰石、大理石和骨頭)的污垢清洗干凈,且對(duì)文物本身無損害。雖然激光清洗技術(shù)應(yīng)用效果十分可靠,但激光并不是所有文物都可以清洗的,如彩色多樣的工藝品,由于不同的顏色對(duì)激光吸收色譜不同,導(dǎo)致吸收能量大小不一,故能量吸收高的部分會(huì)受到損傷。

 

在醫(yī)療上,激光清洗已被應(yīng)用在清洗紋身、紋眉領(lǐng)域中。以往利用化學(xué)藥物清洗或者進(jìn)行近一步紋涂掩蓋,不但不能完全清洗掉色素,還會(huì)留下疤痕,甚至危害健康;將激光作用于患處,利用激光傳遞的能量將色素顆??焖贀羲椋ㄟ^皮膚退皮以及細(xì)胞吞噬等代謝方式去除紋身色素,且激光清洗效果良好,并對(duì)患者的皮膚無傷害。

 

還有學(xué)者將激光清洗技術(shù)與食品工業(yè)相結(jié)合,利用YAG納秒脈沖激光器,在不同的加工條件下,將304不銹鋼板上的食品加工殘留物清洗干凈。

 

T.Uthaijunyawong等通過使用合適功率(12W)的激光,可以在不損壞底物表面的情況下對(duì)食品用具進(jìn)行清洗,獲得了17%的清潔面積,通過GC/MS/SIM技術(shù)定量分析了激光清洗前后的16種多環(huán)芳烴(PAHs)煙熏腌泡汁中產(chǎn)生的煙霧。試驗(yàn)表明,在激光排氣中,測試發(fā)現(xiàn)2-3環(huán)的多環(huán)芳烴約占全部多環(huán)芳烴的86%,總的PAH濃度數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世衛(wèi)組織中所規(guī)定的1ng/m3多環(huán)芳烴含量,因此在激光清洗時(shí)要安裝一個(gè)適當(dāng)?shù)某槲到y(tǒng),以防止食品的二次多環(huán)芳烴污染。激光清洗食品用具過程可以縮短清洗時(shí)間,減少有毒廢物的使用,并在此過程中降低操作人員的職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

 

04結(jié)語

目前,我國制造業(yè)大而不強(qiáng),缺乏核心技術(shù),在表面處理工藝領(lǐng)域尤為突出?,F(xiàn)代智能制造的發(fā)展,需要表面處理技術(shù)作為基石,需要先進(jìn)的工藝方法實(shí)現(xiàn)填補(bǔ)和替代,這是我國制造業(yè)由大轉(zhuǎn)強(qiáng)過程中面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

 

激光清洗技術(shù)作為現(xiàn)代綠色清洗技術(shù),是新時(shí)代工業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物,具有省時(shí)、省力、對(duì)基材無損害以及對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)。

 

據(jù)統(tǒng)計(jì),2018年全球清洗市場總額已達(dá)到5.89億美元,預(yù)計(jì)到2023年,這一數(shù)值將攀升至7.24億美元,可見引入激光清洗技術(shù)將會(huì)帶來極其可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

 

來源激光制造網(wǎng)


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