激光清洗技术的入门知识

发表时间:2022-05-11 17:53

在清洗领域中的应用,与传统的清洗方法相比如机械摩擦、化学腐蚀和高频超声等,使用激光清洗可以实现全自动化运行其具有工作效率高、成本低、对环境无污染、对基材无损伤和材料的适用范围广等优点完全符合绿色、环保的加工理念是目前最可靠、有效的清洗方式。

清洗是对废旧机械零部件检测和加工的前提,采用激光清洗技术可以有效地控制基体表面形貌和表面粗糙度实现基材清洗后性能的提升,也可应用于大型零部件制造、表面处理或者再制造领域。虽然目前激光清洗还没有完全取代传统的清洗方式,但随着国家对制造业节能、减排等环保意识的增强,激光清洗已在以它独特的优点逐渐走进人们的生活。

激光清洗是利用激光光束具有大的能量密度、方向可控和汇聚能力强等特性,使污染物与基体之间的结合力受到破坏或者使污染物直接气化等方式进行脱污,降低污染物与基体的结合强度,进而达到清洗工件表面的作用。当工件表面污染物吸收激光的能量后,其快速气化或瞬间受热膨胀后克服污染物与基体表面之间的作用力,由于受热能量升高,污染物粒子进行振动后而从基体表面脱落。


整个激光清洗过程大致分为激光气化分解、激光剥离、污染物粒子热膨胀、基体表面振动和污染物脱离。当然,在应用激光清洗技术时还要注意被清洗对象的激光清洗阈值,选择合适的激光波长,进而达到最佳的清洗效果。激光清洗能够在不损伤基体表面的前提下,使基材表面的晶粒结构和取向改变,并且还能够对基体表面粗糙度进行控制,从而增强基体表面的综合性能。清洗效果主要受光束特性、基底与污物材料的物性参数和污物对光束能量的吸收能力等因素影响。目前,激光清洗技术包括干式激光清洗技术、湿式激光清洗技术和激光等离子体冲击波技术等3种清洗方式:

1.干式激光清洗即脉冲激光直接照射清洗工件,使基底或表面污染物吸收能量温度升高,产生热膨胀或基底热振动,进而使二者分离。该方法大致分为2种情况:一种是表面污染物吸收激光膨胀;另一种是基底吸收激光产生热振动。

2.   湿式激光清洗是在脉冲激光照射待洗工件前,先进行表面预涂液膜,在激光的作用下液膜温度快速升高而气化,气化的瞬间产生冲击波,作用在污染物颗粒中,使其从基体上脱落。此方法要求基体与液膜不能发生反应,故限制了应用材料的范围。

3.激光等离子体冲击波是在激光照射过程中击穿空气介质而产生球状等离子体冲击波,冲击波作用在待洗基体表面并且释放能量将污染物去除;激光未作用于基体,因此对基体不产生伤害。激光等离子体冲击波清洗技术现已可以清洗几十纳米粒径的颗粒污染物,并且对激光波长没有限制。

在实际生产中,应根据需要具体选择不同的试验方法和相关参数,来获得优质的清洗工件。在激光清洗过程中,表面清洗效率与质量评定是确定激光清洗技术好坏的重要衡量标准。

国外激光技术的发展以 1998 年作为历史分界,主要分为 2 个阶段:1998 年以前激光清洗刚刚兴起,相对来说投入的人力物力有限、发展较慢;从 1998 年至今,激光在清洗领域的发展突飞猛进。R.Rechner 等利用激光清洗铝合金表面的氧化层,使用扫描电镜、能谱仪、紅外光谱和 X 射线光电子能谱分析等方法观察清洗前后的元素种类与含量的变化。还有学者将飞秒激光器应用到对历史文献、文件的清理和保存领域中,且具有高的清洗效率、小的变色效果和对纤维无任何损伤等优点。
我国激光清洗的研究起步相对较晚,早期也只有部分高校开展研究。目前,我国虽然在激光清洗领域取得了一些进展,但激光器制造的核心零件还需进口,部分核心技术仍处于国际落后阶段;因此,加强开发我国激光清洗技术、在核心技术层面上革新是任重道远的,也是迫在眉睫的。

激光清洗的应用
激光清洗在工业生产中可以作为加工的第 1 道工序,不仅可以有效除锈、除污, 还可以使基体表面发生化学反应,生成一层保护层防止基体重新生锈,提高其抗蚀能力。目前,激光清洗技术已应用到军工、工业生产、微电子、文物保护和医疗等各个领域。
还有学者将激光清洗技术与食品工业相结合,利用 YAG 纳秒脉冲激光器, 在不同的加工条件下,将 304 不锈钢板上的食品加工残留物清洗干净。通过使用合适功率的激光,可以在不损坏底物表面的情况下对食品用具进行清洗, 获得了 17% 的清洁面积, 通过GC/MS/SIM 技术定量分析了激光清洗前后的 16 种多环芳烃(PAHs)烟熏腌泡汁中产生的烟雾。试验表明,在激光排气中,测试发现 2-3 环的多环芳烃约占全部多环芳烃的 86%,总的 PAH 浓度数值远远高于世卫组织中所规定的1ng/m3 多环芳烃含量,因此在激光清洗时要安装一个适当的抽吸系统,以防止食品的二次多环芳烃污染。激光清洗食品用具过程可以缩短清洗时间,减少有毒废物的使用,并在此过程中降低操作人员的职业风险。


结语
目前,我国制造业大而不强,缺乏核心技术,在表面处理工艺领域尤为突出。现代智能制造的发展,需要表面处理技术作为基石,需要先进的工艺方法实现填补和替代,这是我国制造业由大转强过程中面临的一个重要挑战。激光清洗技术作为现代绿色清洗技术,是新时代工业发展的产物,具有省时、省力、对基材无损害以及对环境无污染等优点。