激光清洗技術(shù)概論及應(yīng)用現(xiàn)狀

1、激光清洗技術(shù)概論及應(yīng)用現(xiàn)狀在工業(yè)生產(chǎn)、文物保護(hù)以及牙科疾病的治療中，常常需要用到清洗技術(shù)。例如：工業(yè) 制品在電鍍、磷化、噴涂、焊接、包裝以及集成線路的裝配時(shí)，為保證下道工序中工 件的質(zhì)星,必須除去產(chǎn)品表面上的油脂、灰塵、銹垢或殘留的溶列、粘結(jié)痢等污物。 由于環(huán)境污染和保護(hù)不善等原因，很多的文物和藝術(shù)品正逐漸被銹蝕和污損，為恢復(fù) 舊貌，需對(duì)文物表面的污垢及銹跡進(jìn)行清洗。傳統(tǒng)的清洗方法包括機(jī)械清洗法、化學(xué)清洗法和超聲波清洗法，機(jī)械清洗法即采用刮、 擦、刷、噴砂等機(jī)械手段去除表面污物；濕法化學(xué)清洗法是利用有機(jī)清洗列，通過(guò)噴、 淋、浸泡或高頻振動(dòng)等措施去除表面附著物業(yè)超聲波清洗法是將被處理零件放入清洗

2、 列中，利用超聲波產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)除去污垢。目前這三種清洗方法在我國(guó)清洗市場(chǎng)中仍占主導(dǎo)地位，但在環(huán)境保護(hù)和高精度要求下 其應(yīng)用受到很大的限制。機(jī)械清洗法無(wú)法滿足高清潔度清洗要求，容易損傷被清洗工 件的表面積而化學(xué)清洗方法容易導(dǎo)致壞境污染，獲得的清潔度也很有限，特別是當(dāng)污 垢成分復(fù)雜時(shí)，必須選用多種清洗列反復(fù)清洗才可能滿足表面消潔度的要求。超聲波 清洗法盡管清洗效果不錯(cuò)，但對(duì)亞微米級(jí)污粒的清洗無(wú)能為力，清洗槽的尺寸限制了 加工零件的范圍和復(fù)雜程度,而且清洗后對(duì)工件的干燥亦是一大難題。近年來(lái),隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),給世界范圍內(nèi)清洗業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)， 各種有利于環(huán)境保護(hù)的清洗技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，激

3、光清洗技術(shù)就是其中之一。所謂激光清洗技術(shù)是指利用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、銹斑或涂層發(fā) 生瞬間蒸發(fā)或剝離，高速有效地清除清潔對(duì)象表面附看物或表面涂層,從而達(dá)到潔凈 的工藝過(guò)程。它是基于激光與物質(zhì)相互作用效應(yīng)的一項(xiàng)新技術(shù)，與傳統(tǒng)的機(jī)械清洗法、 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，有明顯 的優(yōu)點(diǎn)。它高效、快捷、成本低，對(duì)基片產(chǎn)生的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷小，清洗為非損傷;廢物可回收，無(wú)壞境污染物安全可靠，不扌員害操作人員健康證可以清除各種不同厚度、 不同成份的涂層次清潔過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控清洗等。激光清洗的原理和方法激光的特點(diǎn)是具有高方向性,單

4、色性，高相干性和高亮度。通過(guò)透鏡的聚焦和Q開 關(guān)，可以把能呈集中到一個(gè)很小的空間范圍和時(shí)間范圍內(nèi)。在激光清洗處理中，主要 利用了激光的以下特性：1、激光可以實(shí)現(xiàn)能星在時(shí)間和空間上的高度集中，聚焦的激光束在焦點(diǎn)附近可產(chǎn)生幾千度甚至幾萬(wàn)度的高溫，使污垢瞬間蒸發(fā)、氣化或分解。2、激光束的發(fā)散角/ ,方向性好,通過(guò)聚光系統(tǒng)可以使激光束聚集成不同直徑的光 斑。在激光能呈相同的條件下，控制不同直徑的激光束光斑可以調(diào)整激光的能呈密度， 使污垢受熱膨脹。當(dāng)污垢的膨脹力大于污垢對(duì)基體的吸附力時(shí)，污垢便會(huì)脫離物體的 表面。3、激光光束可以通過(guò)在固體表面產(chǎn)生超聲波，產(chǎn)生力學(xué)共振，使污垢破碎脫落。激光清洗技術(shù)正是利用

5、了上述激光的特性從而達(dá)到清洗的目的。根據(jù)被清洗基體物質(zhì)與被清除污垢的光學(xué)特性,可以將激光清洗機(jī)理分為兩大類：一類是利用淸洗基片（也稱為母體）與表而附著物（污物）對(duì)某一波長(zhǎng)激光能量的吸收系數(shù) 具有很大的差別。輻射到表而的激光能量大部分被表而附著物所吸收，從而受熱或氣化蒸發(fā), 或瞬間膨脹，并被形成的氣流帶動(dòng)，脫離物體表而，達(dá)到淸洗目的。而基片由于對(duì)該波長(zhǎng)的 激光吸收能量極小，不會(huì)受到損傷。對(duì)此類激光淸洗，選擇合適的波長(zhǎng)和控制好激光能量大 小，是實(shí)現(xiàn)安全高效淸洗的關(guān)鍵。列一類適用于淸潔基片與表而附著物的激光能量吸收系數(shù)差別不大，或基片對(duì)涂層受熱形成 的酸性蒸氣較為敏感，或涂層受熱后會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)等情

6、況的清洗方法。該類方法通常是利 用高功率高重復(fù)率的脈沖激光沖擊被淸洗的表而，使部分光朿轉(zhuǎn)換成聲波。聲波擊中下層硬 表面后，返回的部分與激光產(chǎn)生的入射聲波發(fā)生干涉，產(chǎn)生高能波，使涂層發(fā)生小范圍的爆 炸，涂層被壓成粉末，再被真空泵淸除，而底下的基片卻不會(huì)損傷。從方法上分析，激光清洗方法有4種：1、激光干洗法,即采用脈沖激光直接輻射去污；2、激光+液膜方法，即首先沉積一層液膜于基體表面，然后用激光輻射去污；當(dāng)激光 照射于液膜上時(shí)，液膜急劇受熱，產(chǎn)生爆炸性汽化，爆炸性沖擊波使基體表面的污物 松散。并隨沖擊波飛離加工物體表面，達(dá)到去污的目的。3、激光+惰性氣體的方法，即在激光輻射的同時(shí)，用惰性氣體吹向基

7、體表面，當(dāng)污物 從表面剝離后會(huì)立即被氣體吹離表面，以避免表面再次污染和氧化；4、運(yùn)用激光使污垢松散后,再用非腐蝕性化學(xué)方法清洗。目前，常用的是前3種方法。第4種方法僅應(yīng)用于石質(zhì)文物的清洗中,而一個(gè)完整的 激光清洗系統(tǒng)包括：激光器或YAG激光器）、試樣加工臺(tái)、導(dǎo)光系統(tǒng)、控制臺(tái)、輔助 系統(tǒng)（如呈熱計(jì)、光束輪廓儀及其附件）。對(duì)于激光+液膜的清洗方法，還有液膜沉 積系統(tǒng)。當(dāng)采用激光+惰性氣體的清洗方法時(shí),還應(yīng)該包括惰性氣體的進(jìn)入和排除系 統(tǒng)。激光清洗的應(yīng)用現(xiàn)狀石雕和石刻等年代久遠(yuǎn)的高檔石質(zhì)藝術(shù)品，由于其極精細(xì)和易損的表面結(jié)構(gòu)，成為激 光清洗技術(shù)應(yīng)用最早的領(lǐng)域。人們發(fā)現(xiàn)，用激光清除石質(zhì)文物表面的污垢有其

8、獨(dú)特的 優(yōu)勢(shì)，它能夠十分精確地控制光束在復(fù)雜的表面上移動(dòng)，清除污垢而不損傷文物石材。應(yīng)用范例1.1992年9月聯(lián)合國(guó)教科文組織所屬的世界文化遺產(chǎn)保護(hù)組織為紀(jì)念該組織創(chuàng)建二 十周年，實(shí)施了對(duì)蕃名的英國(guó)亞明大教堂的維修工程。亞明大教堂西側(cè)的圣母門上精 美的大理石雕刻是工程的關(guān)鍵。在為期一年的圣母門維修工程中，維修人員借助于激 光，用激光光束除去了覆蓋在大理石雕刻花紋上幾毫米厚的黑色垢層，大理石表面原 來(lái)的色澤體現(xiàn)出來(lái)，使精美的雕刻重現(xiàn)光彩。2.英國(guó)最重要的石雕收藏處之一的英斯布倫蒂爾的石雕收藏品經(jīng)激光清洗后，也得到了同樣的效果。人們用電子顯微譙觀察激光清洗后的石雕表面，發(fā)現(xiàn)激光清洗后石 頭的結(jié)構(gòu)沒(méi)

9、有變化，被清洗的表面既光滑又平坦，沒(méi)有損傷。這跟用微粒子噴射法（噴 砂法）清洗后的表面完全不同。微粒子噴射法清洗后大理石表面結(jié)構(gòu)的損傷是難以避 免的，特別是對(duì)已有硫酸鹽垢層的大理石表面。電子顯微鏡的觀察還發(fā)現(xiàn)，激光照射 后，表層下巖石材料的各項(xiàng)性質(zhì)既無(wú)退化，也無(wú)改變。目前，用激光清洗石灰石、大理石等高檔石材料表面污垢的工作已成為一項(xiàng)新的很有 前途的業(yè)務(wù)項(xiàng)目。除了對(duì)石材料的清洗外，激光清洗在玻璃、金屬、模具、磁盤以及 各種微電子產(chǎn)品的清洗中都有很好的效果，在汽車輪胎的生產(chǎn)中,輪胎模具的底部及 周邊花紋每隔二至三周需要清洗一次，每隔幾個(gè)月就要將整個(gè)模具徹底清洗一次。傳 統(tǒng)方法是用化學(xué)藥水浸泡或噴砂

10、清洗，不但費(fèi)用昂貴、噪音大、污染嚴(yán)重，而且還影 響到模具的表面質(zhì)呈。另外，這類清洗方法不能實(shí)現(xiàn)在線清洗，清洗前的拆卸模具和清洗后的安裝模具耗時(shí) 長(zhǎng)，影響生產(chǎn)流水線正常運(yùn)轉(zhuǎn)。利用激光技術(shù)清洗模具即可實(shí)現(xiàn)在線清洗作業(yè)。根據(jù) 模具表面有機(jī)附著物的多少和膠料結(jié)構(gòu)的不同，清洗一套模具僅需45-90分鐘（包括 裝卸和清洗模具兩側(cè)的零件）。由于模具表面可以反射激光束，因此模具表面不會(huì)被 激光損傷。激光清洗具有很高的靈活性，用戶完全可以用此技術(shù)替代正在使用的其它 方法。目前國(guó)外已用YAG激光器在輪胎生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)了輪胎模具的在線清洗，并已 應(yīng)用到工業(yè)中。當(dāng)模具需要清洗時(shí)，在硫化結(jié)束的同時(shí)打開硫化機(jī)，將激光模具清

11、洗 系統(tǒng)移到硫化機(jī)前對(duì)模具逬行清洗，無(wú)需等待模具冷卻。注意事項(xiàng)清洗模具的時(shí)間與模具的溫度無(wú)關(guān)。操作者將激光清洗系統(tǒng)的頭部靠緊模具即可開始 清洗。清洗過(guò)程中，激光束掃描模具表面，并從四個(gè)不同角度照射模具表面，這樣能 夠保證各種類型的模具都能被清洗干凈。清洗完一半后，將清洗機(jī)的頭部移向模具的 另一半進(jìn)行清洗。模具完全清洗干凈后，將清洗裝置移向另一臺(tái)需清洗的硫化機(jī)模具。 清洗完的硫化機(jī)可立即投入生產(chǎn)。除清洗模具外,工業(yè)應(yīng)用還包括為輪胎作標(biāo)志，除 去制動(dòng)線等零部件的涂層或扁平導(dǎo)線上電線的剝離。目前國(guó)外已用YAG激光器在輪胎生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)了輪胎模具的在線清洗，并已應(yīng)用到 工業(yè)中。系統(tǒng)若滿負(fù)荷運(yùn)行，以原配輪

12、胎生產(chǎn)廠一年清洗1500副模具計(jì)，可節(jié)省生 產(chǎn)時(shí)間6000h ;輪胎產(chǎn)呈可增加約3萬(wàn)套。不僅環(huán)保,經(jīng)濟(jì)效益也相當(dāng)可觀。激光清洗技術(shù)應(yīng)用在歐洲推廣應(yīng)用至今已數(shù)年了，并且已有產(chǎn)品，而我國(guó)僅剛剛起步, 主要是激光設(shè)備的投資昂貴,普遍應(yīng)用還有一走難度，激光清洗技術(shù)與傳統(tǒng)清洗技術(shù) 相比較，有無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。目前輪胎模具高效率低成本的清洗方法急需推廣，據(jù)不 完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)輪胎及其制品廠家數(shù)千家，年產(chǎn)一百萬(wàn)套以上輪胎的企業(yè)也不下2000 家。年產(chǎn)呈在一百萬(wàn)套輪胎的廠家擁有的模具就有幾萬(wàn)套,且一套模具使用3周左右 就需清洗一次?？梢娡茝V應(yīng)用激光技術(shù)清洗的意義重大。相信在此技術(shù)不斷完善的基 礎(chǔ)上，隨著設(shè)備的批呈

13、生產(chǎn)，激光清洗技術(shù)將在輪胎模具清洗或其他的清洗業(yè)中發(fā)揮 重要的作用，具有很好的發(fā)展前景。激光清洗效益分析下面以激光清洗輪胎模具為例，說(shuō)明激光清洗與脫機(jī)噴砂清洗和干冰清洗設(shè)備相比的 經(jīng)濟(jì)效益。激光清洗技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)：清洗快速，勞動(dòng)強(qiáng)度低，無(wú)磨損,對(duì)操作員 無(wú)危險(xiǎn)。然而，設(shè)備的首期投資較高，達(dá)30-60萬(wàn)美元。因此工廠需要確立一個(gè)合理的投資回 收計(jì)劃。典型的JET激光系統(tǒng)工廠可以在18個(gè)月內(nèi)取得投資回收。硫化停工時(shí)間短， 勞動(dòng)力成本低，模具磨損少以及較低的生產(chǎn)成本是潛在的效益。誓如，一臺(tái)日產(chǎn)20000 條輪胎的設(shè)備，按8臺(tái)硫化機(jī)（16模）每天平均清洗一次的要求，假設(shè)每班清洗3 臺(tái)硫化機(jī)或每天清洗

14、9臺(tái)硫化機(jī)（有的工廠清洗兩次）從硫化機(jī)上拆下兩半模具進(jìn)行 脫機(jī)清洗，大約需要15h的作業(yè)和10h的停機(jī)時(shí)間，如采用激光對(duì)兩半模具進(jìn)行清 洗，則需要0.3h的作和3h的停機(jī)時(shí)間，這樣，清洗完一臺(tái)硫化機(jī)就可以節(jié)約14h 的作業(yè)和7h的停機(jī)時(shí)間。又假設(shè)，只做10次清洗（5臺(tái)硫化機(jī)），5次在模具車間 進(jìn)行脫機(jī)清洗，采用激光清洗將產(chǎn)生巨大的回報(bào)：每天可節(jié)約70小時(shí)的作業(yè)和35小 的的停機(jī)時(shí)間那么按一年320天的工作日算每年可增加22400 /J時(shí)作業(yè)和11200 小時(shí)的上機(jī)時(shí)間。激光清洗設(shè)備的維修和維護(hù)費(fèi)用也應(yīng)該計(jì)算在內(nèi)，為擦干凈激光鏡和清除沉積在過(guò)濾 器上的殘余物,每周需對(duì)裝置進(jìn)行30min的維護(hù),每4周對(duì)主要部件進(jìn)行60min的 檢修。每6個(gè)月按照制造商的要求對(duì)裝置進(jìn)行常規(guī)維護(hù)并運(yùn)行一次激光系統(tǒng)。大部分 機(jī)械部件可以和激光器機(jī)架一樣都有10年以上的使用壽命，一些激光部件在使用大 約300h后要求替換。這些零部件可在常規(guī)預(yù)防維修期間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更換。激光裝置加 上其一年的保修服勢(shì)。包括易損件的更換并提供典型備件，總算起來(lái)操作成本約為第 小時(shí)4-8美元。所有設(shè)備都有安裝有Modem（調(diào)制調(diào)節(jié)器