激光表面清洗的原理和實(shí)際應(yīng)用

1.前言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，激光技術(shù)已越來(lái)越多地應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。從超市的條形碼、激光打印機(jī)到激光美容、治療近視，并已為人們所熟悉。激光設(shè)備用于工業(yè)生產(chǎn)的切割、鉆孔以及焊接也為許多人所了解。但激光設(shè)備在清洗行業(yè)的應(yīng)用，人們還不夠熟悉和了解。激光清洗技術(shù)是近10年來(lái)飛速發(fā)展的一種新型清洗技術(shù)，它以自身的優(yōu)勢(shì)和不可替代性在許多領(lǐng)域中逐步取代了傳統(tǒng)清洗工藝。下面對(duì)激光設(shè)備為什么能夠進(jìn)行清洗？可用于清洗什么？清洗的效率效果如何？作一簡(jiǎn)單介紹。

　　2.激光與清洗

　　傳統(tǒng)清洗工業(yè)有各種各樣的清洗方式，多是利用化學(xué)藥劑和機(jī)械方法進(jìn)行清洗。在我國(guó)環(huán)境保護(hù)法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)格、人們環(huán)保和安全意識(shí)日益增強(qiáng)的今天，工業(yè)生產(chǎn)清洗中可以使用的化學(xué)藥品種類(lèi)將變得越來(lái)越少。如何尋找更清潔，且不具損傷性的清洗方式是我們不得不考慮的問(wèn)題。而激光清洗具有無(wú)研磨、非接觸、無(wú)熱效應(yīng)和適用于各種材質(zhì)的物體等清洗特點(diǎn)，被認(rèn)為是最可靠、最有效的解決辦法。同時(shí)，激光清洗可以解決采用傳統(tǒng)清洗方式無(wú)法解決的問(wèn)題。例如，工件表面粘有亞微米級(jí)的污染顆粒時(shí)，這些顆粒往往粘得很緊，常規(guī)的清洗辦法不能夠?qū)⑺コ?，而用納米激光輻射工件表面進(jìn)行清洗則非常有效。還由于激光對(duì)工件是無(wú)接觸清洗，對(duì)精密工件或其精細(xì)部位清洗十分安全，可以確保其精度。所以激光清洗在清洗行業(yè)中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。

　　激光為什么能夠用來(lái)清洗？為什么對(duì)被清洗物體不會(huì)造成損害呢？首先了解一下激光的本質(zhì)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，激光和在我們身邊的如影隨形般的光線(xiàn)(可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光)沒(méi)有什么不同，只不過(guò)激光是利用諧振腔把光聚集在同一個(gè)方向上，并且有較單純的波長(zhǎng)，協(xié)調(diào)性等性能更好，因此理論上所有波長(zhǎng)的光都可以用來(lái)形成激光，但實(shí)際上受限于能夠激發(fā)的介質(zhì)不多，因此能夠產(chǎn)生穩(wěn)定且適合工業(yè)生產(chǎn)的激光光源相當(dāng)有限。被廣泛使用的大概也就是Nd:YAG激光、二氧化碳激光和準(zhǔn)分子激光。由于Nd：YAG激光可以通過(guò)光纖傳輸更適合工業(yè)應(yīng)用，因此在激光清洗中也多被采用。

　　3.激光表面清洗的優(yōu)點(diǎn)

　　與機(jī)械摩擦清洗、化學(xué)腐蝕清洗、液體固體強(qiáng)力沖擊清洗、高頻超聲清洗等傳統(tǒng)清洗方法相比，激光清洗具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

　　3.1激光清洗是一種”綠色”的清洗方法，不需使用任何化學(xué)藥劑和清洗液，清洗下來(lái)的廢料基本上都是固體粉末，體積小，易于存放，可回收，可以輕易解決化學(xué)清洗帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題；

　　3.2傳統(tǒng)的清洗方法往往是接觸式清洗，對(duì)清洗物體表面有機(jī)械作用力，損傷物體的表面或者清洗的介質(zhì)附著于被清洗物體的表面，無(wú)法去除，產(chǎn)生二次污染，激光清洗的無(wú)研磨和非接觸性使這些問(wèn)題迎刃而解；

　　3.3激光可以通過(guò)光纖傳輸，與機(jī)器手和機(jī)器人相配合，方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，能清洗傳統(tǒng)方法不易達(dá)到的部位，這在一些危險(xiǎn)的場(chǎng)所使用可以確保人員的安全；

　　3.4激光清洗能夠清除各種材料表面的各種類(lèi)型的污染物，達(dá)到常規(guī)清洗無(wú)法達(dá)到的清潔度。而且還可以在不損傷材料表面的情況下有選擇性地清洗材料表面的污染物；

　　3.5激光清洗效率高，節(jié)省時(shí)間；

　　3.6購(gòu)買(mǎi)激光清洗系統(tǒng)雖然前期一次性投入較高，但清洗系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定使用，運(yùn)行成本低，以Quantel公司的LASERLASTE為例，每小時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用僅為1歐元左右，更重要的是可以方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

　　4.激光表面清洗的原理

　　脈沖式的Nd:YAG激光清洗的過(guò)程依賴(lài)于激光器所產(chǎn)生的光脈沖的特性，基于由高強(qiáng)度的光束、短脈沖激光及污染層之間的相互作用所導(dǎo)致的光物理反應(yīng)。其物理原理可概括如下：

　　a)激光器發(fā)射的光束被需處理表面上的污染層所吸收。

　　b)大能量的吸收形成急劇膨脹的等離子體(高度電離的不穩(wěn)定氣體)，產(chǎn)生沖擊波。

　　c)沖擊波使污染物變成碎片并被剔除。

　　d)光脈沖寬度必須足夠短，以避免使被處理表面遭到破壞的熱積累。

　　e)實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)金屬表面上有氧化物時(shí)，等離子體產(chǎn)生于金屬表面。

　　等離子體只在能量密度高于閾值的情況下產(chǎn)生，這個(gè)閾值取決于被去除的污染層或氧化層。這個(gè)閾值效應(yīng)對(duì)在保證基底材料安全的情況下進(jìn)行有效清潔非常重要。等離子體的出現(xiàn)還存在第二個(gè)閾值。如果能量密度超過(guò)這一閾值，則基底材料將被破壞。為在保證基底材料安全的前提下進(jìn)行有效的清潔，必須根據(jù)情況調(diào)整激光參數(shù)，使光脈沖的能量密度嚴(yán)格處于兩個(gè)閾值之間。

　　每個(gè)激光脈沖去除一定厚度的污染層。如果污染層比較厚，則需要多個(gè)脈沖進(jìn)行清洗。將表面清洗干凈所需要的脈沖數(shù)量取決于表面污染程度。由兩個(gè)閾值產(chǎn)生的一個(gè)重要結(jié)果是清洗的自控性。能量密度高于第一閾值的光脈沖將一直剔除污染物，直到達(dá)到基底材料為止。然而，因?yàn)槠淠芰棵芏鹊陀诨撞牧系钠茐拈撝?，所以基底不?huì)受到破壞。

　　5.激光清洗的實(shí)際應(yīng)用

　　激光清洗不但可以用來(lái)清洗有機(jī)的污染物，也可以用來(lái)清洗無(wú)機(jī)物，包括金屬的銹蝕、金屬微粒、灰塵等。下面介紹一些實(shí)際應(yīng)用情況，這些技術(shù)已非常成熟，已被廣泛應(yīng)用。

　　5.1模具的清洗：

　　每年全世界的輪胎生產(chǎn)企業(yè)制造數(shù)億個(gè)輪胎，生產(chǎn)過(guò)程中輪胎模具的清洗必須迅速可靠，以節(jié)省停機(jī)的時(shí)間。傳統(tǒng)的清洗方法包括噴沙、超聲波或二氧化碳清洗等，但這些方法通常必須在高熱的模具經(jīng)數(shù)小時(shí)冷卻后，再移往清洗設(shè)備進(jìn)行清潔，清潔所需的時(shí)間長(zhǎng)，并容易損害模具的精度，化學(xué)溶劑及噪聲還會(huì)產(chǎn)生安全和環(huán)保等問(wèn)題。利用激光清洗方式，由于激光可利用光纖來(lái)傳輸，因此在使用上深具彈性；由于激光清洗方式可用光纖連接而將光導(dǎo)至模具的死角或不易清除的部位進(jìn)行清洗，因此使用方便；由于橡膠并無(wú)氣化，因此不會(huì)產(chǎn)生有毒害的氣體，影響工作環(huán)境的安全。激光清洗輪胎模具的技術(shù)已經(jīng)大量在歐美的輪胎工業(yè)中被采用，雖然初期投資成本較高，但可在節(jié)省待機(jī)時(shí)間、避免模具損壞、工作安全及節(jié)省原材料上所獲得的收益迅速得到回收。根據(jù)Quantel公司的LASERLASTE激光清洗系在上海雙錢(qián)載重輪胎公司生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行的清洗試驗(yàn)表明，僅需2個(gè)小時(shí)就可以在線(xiàn)清洗一套大型載重輪胎的模具。和常規(guī)清洗方法相比，經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見(jiàn)的。

　　食品工業(yè)模具上防粘的彈性膜層需要定期更換以保證衛(wèi)生，不用化學(xué)試劑而使用激光清洗也特別適合這種應(yīng)用。

　　5.2武器裝備的清洗：

　　激光清洗技術(shù)在武器維護(hù)保養(yǎng)上廣泛應(yīng)用。采用激光清洗系統(tǒng)，可以高效、快捷地清除銹蝕、污染物，并可以對(duì)清除部位進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)清洗的自動(dòng)化。采用激光清洗，不但清潔度高于化學(xué)清洗工藝，而且對(duì)于物體表面幾乎無(wú)損害。Quantel公司的LASERLASTE通過(guò)設(shè)定不同參數(shù)，還可以在金屬物體表面形成一層致密的氧化物保護(hù)膜或金屬熔融層，提高表面強(qiáng)度和耐腐蝕性。激光清除的廢料對(duì)環(huán)境基本上不構(gòu)成污染，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作，有效減少了對(duì)操作人員的健康損害。

　　5.3飛機(jī)舊漆的清除：

　　在歐洲激光清洗系統(tǒng)早已應(yīng)用在航空工業(yè)中。飛機(jī)的表面過(guò)一定時(shí)間后要重新噴漆，但是噴漆之前需要將原來(lái)的舊漆完全除去。傳統(tǒng)的機(jī)械清除油漆法容易對(duì)飛機(jī)的金屬表面造成損傷，給安全飛行帶來(lái)隱患。如采用多個(gè)激光清洗系統(tǒng)，可在兩天之內(nèi)將一架A320空中客車(chē)表面的漆層完全除掉，且不會(huì)損傷到金屬表面。

　　5.4樓宇外墻的清洗：

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的摩天大樓被建立起來(lái)，大樓外墻的清潔問(wèn)題日益凸現(xiàn)，LASERLASTE激光清洗系統(tǒng)通過(guò)最長(zhǎng)70米的光纖對(duì)建筑物外墻的清洗提供了很好的解決方法，它可以對(duì)各種石材、金屬、玻璃上的各種污染物進(jìn)行有效清洗，且比常規(guī)清洗效率高很多倍。還可以對(duì)建筑物的各種石材上的黑斑、色斑進(jìn)行清除。LASERLASTE激光清洗系統(tǒng)在嵩山少林寺對(duì)建筑物、石碑進(jìn)行的清洗試驗(yàn)表明，采用激光清洗對(duì)保護(hù)古建筑恢復(fù)外觀(guān)效果非常好。

　　5.5電子工業(yè)中的清洗

　　電子工業(yè)使用激光去除氧化物：電子工業(yè)需要高精度地去污，特別適合采用激光去氧化物。在電路板焊接前，元件針腳必須徹底去氧化物以保證最佳的電接觸，在去污過(guò)程中還不能損壞針腳。激光清洗可以滿(mǎn)足使用要求，且效率很高，一個(gè)針腳只需照射一次激光。

　　5.6精密機(jī)械工業(yè)中的精確去酯清洗：

　　精密機(jī)械工業(yè)常常需對(duì)零件上用來(lái)潤(rùn)滑和抗腐蝕的酯類(lèi)及礦物油加以清除，通常是用化學(xué)方法，而化學(xué)清洗往往仍有殘留物。激光去酯可以將酯類(lèi)及礦物油完全去除，不損傷零件表面。其污染物去除是由沖擊波完成，零件表面氧化物薄層爆炸性氣化形成了沖擊波，導(dǎo)致污物去除，而非機(jī)械互作用。材料徹底去酯用于航天工業(yè)機(jī)械零件的清理。機(jī)械零件加工中的油酯去除同樣可采用激光清洗。

　　5.7核電站反應(yīng)堆內(nèi)管道清洗：

　　激光清洗系統(tǒng)還應(yīng)用于核電站反應(yīng)堆內(nèi)管道的清洗。它采用光導(dǎo)纖維，將高功率激光束引入反應(yīng)堆內(nèi)部，直接清除放射性粉塵，清洗下來(lái)的物質(zhì)清理方便。而且由于是遠(yuǎn)距離操作，可以確保工作人員的安全。

　　綜上所述，激光清洗在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，并且在汽車(chē)制造、半導(dǎo)體晶圓片清洗、精密零件加工制造、軍事裝備清洗、建筑物外墻清洗、文物保護(hù)、電路板清洗、精密零件加工制造、液晶顯示器清洗、口香糖殘跡去除等領(lǐng)域均可發(fā)揮重要作用。