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      1. 激光清洗技術發展與應用深度解析!

        來源 : www.ohsnapmusic.com   發布時間 : 2022/2/10 15:56:00

        世界上第1臺激光器誕生于1960年由美國科學家西奧多哈羅德梅曼教授利用紅寶石研發,從此開啟了激光造福人類的大門。在接下來的時間里應用于各種領域的激光器相繼誕生。激光技術的推廣使得醫療、裝備制造、精準測量和再制造工程等領域科技飛速發展加快了社會進步的步伐。

        在清洗領域中激光的應用更是取得了重要成果。與傳統的清洗方法相比如機械摩擦、化學腐蝕和高頻超聲等激光清洗可以實現全自動化運行其具有工作效率高、成本低、對環境無污染、對基材無損傷和材料的適用范圍廣等優點完全符合綠色、環保的加工理念是目前最可靠、有效的清洗方式。

        清洗是對廢舊機械零部件檢測和加工的前提采用激光清洗技術可以有效地控制基體表面形貌和表面粗糙度實現基材清洗后性能的提升也可應用于大型零部件制造、表面處理或者再制造領域。雖然目前激光清洗還沒有完全取代傳統的清洗方式但隨著國家對制造業節能、減排等環保意識的增強激光清洗將以它獨特的優點逐漸走進人們的生活。

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        激光清洗的原理

        在20世紀80年代中期,Beklemyshev、Allrn等科學家針對實際工作需要將激光技術與清洗技術結合起來并進行了相關研究自此激光清洗(Laser Cleanning)這一技術理念誕生.眾所周知污染物與基體之間的結合力分為共價鍵、雙偶極子、毛細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達到脫污的效果。

        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等特性,使污染物與基體之間的結合力受到破壞或者使污染物直接氣化等方式進行脫污,降低污染物與基體的結合強度,進而達到清洗工件表面的作用。激光清洗原理圖如圖1所示。當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,污染物粒子進行振動后而從基體表面脫落。

        整個激光清洗過程大致分為4個階段,即激光氣化分解、激光剝離、污染物粒子熱膨脹、基體表面振動和污染物脫離。當然,在應用激光清洗技術時還要注意被清洗對象的激光清洗閾值,選擇合適的激光波長,進而達到最佳的清洗效果。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構和取向改變,并且還能夠對基體表面粗糙度進行控制,從而增強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和污物對光束能量的吸收能力等因素影響。

        目前,激光清洗技術包括干式激光清洗技術、濕式激光清洗技術和激光等離子體沖擊波技術等3種清洗方式。

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        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,產生熱膨脹或基底熱振動,進而使二者分離。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生熱振動。

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        濕式激光清洗是在脈沖激光照射待洗工件前,先進行表面預涂液膜,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生反應,故限制了應用材料的范圍。

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        激光等離子體沖擊波是在激光照射過程中擊穿空氣介質而產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,因此對基體不產生傷害。激光等離子體沖擊波清洗技術現已可以清洗幾十納米粒徑的顆粒污染物,并且對激光波長沒有限制。

        在實際生產中,應根據需要具體選擇不同的試驗方法和相關參數,來獲得優質的清洗工件。在激光清洗過程中,表面清洗效率與質量評定是確定激光清洗技術好壞的重要衡量標準。

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        激光清洗的發展現狀

        自20世紀80年代中期激光清洗技術理念誕生后,激光清洗一直伴隨著激光技術的進步而發展。20世紀70年代美國科學家J.Asums率先提出用激光清洗技術清洗雕塑、壁畫等文物的觀點,并且在實踐中驗證了激光清洗對保護文物具有重要作用。

        國外從事激光清洗設備生產的企業主要有美國的Adapt Laser和Laser clean all公司、意大利的El En goup公司以及德國的Rofin公司等,其激光設備大多為大功率、高重復頻率的激光器。如E.Y.Assendel'ft等1988年首次利用短波高脈沖能量的CO2激光器進行濕式清洗試驗,脈寬100ns、單脈能量300mJ,當時在世界上占有領先地位。

        國外激光技術的發展以1998年作為歷史分界,主要分為2個階段:1998年以前激光清洗剛剛興起,相對來說投入的人力物力有限、發展較慢;從1998年至今,激光在清洗領域的發展突飛猛進。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。還有學者將飛秒激光器應用到對歷史文獻、文件的清理和保存領域中,且具有高的清洗效率、小的變色效果和對纖維無任何損傷等優點。

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

        還有2017年陸軍裝甲兵學院的學者們率先研制出國內首臺“新型500W高重頻高能量激光清洗工程化設備”,打破了我國大功率激光清洗設備依賴進口的局面。我國學者王曼曼等研究了激光清洗與傳統清洗方式的差異性,自主研發了手持式激光清洗系統,并應用Ezcad軟件,結果發現,手持式激光清洗系統使用更便捷,不受工作環境的限制,對于一些比較大型的工件進行除銹會比臺式的更加方便,應用領域更廣闊。目前,我國雖然在激光清洗領域取得了一些進展,但激光器制造的核心零件還需進口,部分核心技術仍處于國際落后階段;因此,加強開發我國激光清洗技術、在核心技術層面上革新是任重道遠的,也是迫在眉睫的。

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        激光清洗的應用

        激光清洗在工業生產中作為加工的第1道工序,不僅可以有效除銹、除污,還可以使基體表面發生化學反應,生成一層保護層防止基體重新生銹,提高其抗蝕能力。目前,激光清洗技術已應用到軍工、工業生產、微電子、文物保護和醫療等各個領域。

        3.1

        在軍工領域中的應用

        在軍工領域中,最早美國科學家提出利用激光對軍用飛機進行脫漆,并作了相關研究,但由于當時激光器設備昂貴且大而笨重,故只停留在實驗室研究階段,此后隨著激光設備的進步與完善,為激光清洗提供了便利。

        我國羅紅心等利用連續CO2激光器對飛機蒙皮模擬試樣進行脫漆,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,且對基體無損傷。鄭光等在前人的基礎上對TEA CO2激光飛機蒙皮脫漆后進行一系列性能測試,結果表明,脫漆后的飛機蒙皮抗拉強度、疲勞強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內完全脫掉,在48h內可完成1架波音 737飛機的蒙皮脫漆。以上足以說明,激光清洗技術在飛機蒙皮脫漆處理上的應用具有里程碑式意義。

        在其他軍用裝備上激光清洗也發揮了巨大的作用。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備,有效地防止了霉菌對武器裝備的腐蝕和氧化,消除了菌絲形成的生物電橋對設備電路的影響,大大減少了武器裝備清洗的人力、物力。宋桂飛等針對彈藥修理面臨的除銹除漆技術難題,利用20W光纖激光器對彈藥開展了除銹除漆試驗,結果表明, 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,不會因熱效應而發生燃爆,只需要處理好激光特征參數與表面處理質量、作業效率的關系。

        在軍用裝備的維護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、軍隊戰斗力提供有力保障。

        3.2

        在工業領域的應用

        在工業生產領域,機械設備長時間服役,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激光器清洗工業設備上長期服役的鐵釘后,利用SEM檢驗分析發現,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 Nd:YAG 激光器(為1064nm)對柴油機活塞的碳質沉淀物進行了清洗,后經 XPS 和 SEM/EDX 等檢測發現,柴油機基體表面的 Fe3C被完全清除,羧酸鹽也顯著減少。羅雅等根據焊接工藝需要,對焊前 TC11鈦合金進行激光清洗的前處理,并研究激光清洗對焊接性能的影響,試驗采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,對清洗試件和未清洗試件分別進行真空電子束焊接并分析測試,結果表明,激光清洗后可以完全清除鈦合金表面的氧化膜和污染物,且焊縫質量為一級,內部無焊接缺陷產生,可見激光清洗技術相對于傳統的焊前試樣處理方法,可以有效地改善焊接質量。

        N.Maharjan等學者利用波長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,經測試分析發現,清洗后表面氧含量顯著下降,在適當的激光參數下,將飛秒激光應用于清洗技術中可提高清洗效率。倪加明等利用激光清洗技術對鋁合金陽極氧化膜進行局部激光清洗,并將清洗后的焊接試板進行對接焊接,通過X射線檢測以評定焊縫質量,采用金相組織進行觀察和分析,通過常溫拉伸試驗測試去除氧化膜對焊縫性能的影響,結果表明,陽極氧化膜被徹底清洗干凈,經激光清洗的鋁合金接頭抗拉強度為298~303MPa,拉伸斷裂延伸率為6.2%~6.5%,激光清理焊縫與機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、雜質等內部缺陷,大大提升了鋁合金的焊接性。

        S.Genna等利用激光清洗技術對碳纖維增強塑料(CFRP)表面進行清洗,探究了碳纖維布的激光輔助連接(LAJ)的預處理工藝,利用 Yb:YAG 纖維激光器,功率為30W,結果表明,激光清洗作為預處理使接頭強度顯著增加,其他參數最優情況下,強度是樣本的2倍;激光清洗可從層壓板中去除第1個環氧基層,這對改善連接形態極為有利。喬玉林等利用波長為1064nm的高重頻高能量激光對鈦合金表面積碳進行了激光清洗試驗,并分析了清洗速度對激光清洗鈦合金積碳表面的形貌和組成的影響,結果表明,當激光功率為500W、脈沖寬度為20ns、頻率為18kHz、掃描寬度為5cm時,清洗速度為7cm2/s的清洗效果最佳,質量最好;若清洗速度過小,鈦合金表面會出現光斑痕跡,光斑中心會有部分微熔。

        激光清洗技術在橡膠生產行業同樣有著不可替代的作用,輪胎模具由于長時間的服役,表面沉積了大量污染物,對生產精度產生了巨大影響,利用激光技術可以對輪胎模具表面(見圖2)進行“綠色”清洗。

        激光清洗技術在工業上的應用,使除積碳效果和焊接工藝質量得到大幅度的提升,可對不同的基材表面進行高效積碳清洗,減少焊接缺陷,提升材料的焊接性;同時還可節約企業的生產成本,提升企業的生產效率。

        3.3

        在其他領域的應用

        在微電子加工、文物保護和醫療等其他領域,激光清洗技術的應用也取得了很大進展。聚酰亞胺是電子元器件封裝薄膜內部連接結構的介質材料,利用波長為248和193nm的準分子激光可以有效地剝離有機聚合物,防止Pd和TiCrW等對聚酰亞胺的污染。在電路板清洗方面,被廣泛應用的是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用已經非常廣泛,在歐洲人們已經清洗了各種建筑,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,且對文物本身無損害。雖然激光清洗技術應用效果十分可靠,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,由于不同的顏色對激光吸收色譜不同,導致吸收能量大小不一,故能量吸收高的部分會受到損傷。

        在醫療上,激光清洗已被應用在清洗紋身、紋眉領域中。以往利用化學藥物清洗或者進行近一步紋涂掩蓋,不但不能完全清洗掉色素,還會留下疤痕,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,通過皮膚退皮以及細胞吞噬等代謝方式去除紋身色素,且激光清洗效果良好,并對患者的皮膚無傷害。

        還有學者將激光清洗技術與食品工業相結合,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食品用具進行清洗,獲得了17%的清潔面積,通過GC/MS/SIM技術定量分析了激光清洗前后的16種多環芳烴(PAHs)煙熏腌泡汁中產生的煙霧。試驗表明,在激光排氣中,測試發現2-3環的多環芳烴約占全部多環芳烴的86%,總的PAH濃度數值遠遠高于世衛組織中所規定的1ng/m3多環芳烴含量,因此在激光清洗時要安裝一個適當的抽吸系統,以防止食品的二次多環芳烴污染。激光清洗食品用具過程可以縮短清洗時間,減少有毒廢物的使用,并在此過程中降低操作人員的職業風險。

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        結語

        目前,我國制造業大而不強,缺乏核心技術,在表面處理工藝領域尤為突出,F代智能制造的發展,需要表面處理技術作為基石,需要先進的工藝方法實現填補和替代,這是我國制造業由大轉強過程中面臨的一個重要挑戰。

        激光清洗技術作為現代綠色清洗技術,是新時代工業發展的產物,具有省時、省力、對基材無損害以及對環境無污染等優點。

        據統計,2018年全球清洗市場總額已達到5.89億美元,預計到2023年,這一數值將攀升至7.24億美元,可見引入激光清洗技術將會帶來極其可觀的經濟效益。

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