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激光清洗技術的現狀和發展趨勢
上傳時間:2019/5/15  點擊數:
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激光清洗技術的現狀和發展趨勢

摘要 本文就激光清洗技術的特點、激光器的選擇和激光清洗機理進行了討論,分析了國內 外激光清洗技術近兩年的狀況和發展趨勢。

1 引 言   

在工業生產、古文物和藝術品保護以及牙齒疾病的治療中,常常需要用到清洗技術。 工業制品的電鍍、磷化、噴涂、焊接、包裝以及集成線路裝配過程中,必須除去表面上的油脂、灰塵、銹垢及殘留的溶劑、粘結劑等污物,以確保下道工序的質量。由于環境污染和保 護不善等原因,大量文物和珍貴藝術品正逐漸銹蝕和污損,有的已被完全破壞,這就有必要采取措施除掉文物表面的污垢及銹蝕,恢復其舊貌。

傳統的清洗方法包括機械清洗法、化學清洗法和超聲波清洗法,盡管它們在清洗行業中得到廣泛的應用,但在環境保護和高精度要求下其應用受到很大的限制。機械方法無法滿足高清潔度清洗要求,而化學清洗方法容易導致環境污染,獲得的清潔度也很有限;特別是當污垢成分復雜時,必須選用多種清洗劑反復清洗才可能滿足表面清潔度的要求。超聲波清洗法盡管清洗效果不錯,但對亞微米級污粒的清洗無能為力,清洗槽的尺寸限制了加工零件的范圍和復雜程度,而且清洗后對工件的干燥亦是一大難題。激光清洗技術是近十年來飛速發展起來的新型清洗技術,它因自身的許多優點在許多領域中正逐步取代傳統清洗工藝。它能適應各種表面污物的清洗,對環境污染極小,也可以做到不損傷基體。目前該方法已成為傳統清洗方法的補充和延伸,并因其固有的許多優點而展示了廣闊的應用前景。

2 激光清洗技術的分類和特點

激光清洗技術是指采用高能激光束照射工件表面,使表面的污物、銹斑或涂層發生瞬間蒸發或剝離,從而達到潔凈化的工藝過程。

與傳統清洗工藝相比,激光清洗技術具有以下特點:(1)它是一種“干式”清洗,不需要清潔液或其他化學溶液,且清潔度遠遠高于化學清洗工藝;(2)清除污物的范圍和適用的基材范圍十分廣泛;(3)通過調控激光工藝參數,可以在不損傷基材表面的基礎上,有效去除污染物,使表面復舊如新;(4)激光清洗可以方便地實現自動化操作;(5)激光去污設備可以長期使用,運行成本低;(6)激光清洗技術是一種“綠色”清洗工藝,消除的廢料是固體粉末狀,體積小,易于存放,基本上不污染環境。

激光清洗的方法一般有四種:(1)激光干洗法,即采用脈沖激光直接輻射去污;(2 )激光+液膜的方法,即首先沉積一層液膜于基體表面,然后用激光使液膜發生爆炸去污; (3 )激光+惰性氣體的方法,即激光輻射的同時,用惰性氣體吹向工件表面,當污物從表 面剝離后,就被氣體遠遠吹離表面,避免清潔表面再次污染和氧化;(4)用激光使污物 松散后,再用非腐蝕性的化學方法去污。目前在工業生產中主要采用前面三種清洗方法,其 中激光干洗法取激光+液膜清洗方法用得最多;第四種方法僅見于藝術品的清洗保護中。

3 激光器的選擇   

利用激光進行清洗時,激光器的選擇關系著后續的 清洗工作,所以激光器的選擇極為重要。目前激光器的種類比較多,如CO2激光器、NdYAG 激光器和準分子激光器等,這幾種激光器都可以實現激光清洗,但激光器的選擇還是有規律可循,一般來說,在高精度的要求高于大體積清除或成本的要求時,準分子激光器是較為合適的工具;在其他情況下則以CO2和固體激光器為佳。對于微電子工業來說,一般選用準分子激光器,如KrF準分子;對于模具的清洗則采用CO2YAG激光器比較好;而對于激光敷層的清除,CO2激光器的效果最好,特別是TEA CO2激光器在這一領域極具發展前途;由于CO2激光器不能用光纖傳送,遠程清洗應用受到很大限制,這為YAG激光器的應用提供了廣闊的空間。另外,如果事先知道表面污染物的成分,則可以根據污染物最佳吸收波長來選擇激光器的種類。

4 激光清洗的機理  

激光清洗機理主要是基于物體表面污染物吸收激光能量后,或汽化揮發,或瞬間受熱膨脹而克服表面對粒子的吸附力,使其脫離物體表面,進而達到清洗的目的。目前對激光清洗的機理存在著一些分歧,但大多數機理都能對激光清洗實驗中的一些現象進行合理的解釋,歸納起來大致包括激光汽化分解、激光剝離、污物粒子熱膨脹、基體表面振動和粒于振動四個方面;而且激光清洗常常是多種機理同時作用的結果。

而本文作者根據大量的實驗結果分析認為,激光清洗機理根據表面附著物和基體熱物理參數差別大小而有所不同。當表面附著物與基體材料的熱物理參數差別較大時,激光清洗機理包括:燒蝕汽化、熱振動與熱沖擊機理和聲波振碎機理,如激光清洗漆層和橡膠層。當表面附著物與基體材料的熱物理參數差別不大時,主要是燒蝕汽化機理在起作用,如激光除銹。

5 激光清洗的機理

1)國外現狀

近兩年國外在激光清洗技術方面的研究情況見表1。從表1所顯示的情況可知:激光清 洗技術參數和機理方面的研究正逐漸減少,有關應用的研究占了主導地位,并在實際應用中 展示了該技術的優越性;同時,激光清洗的配套設備也比過去更加完善。從表1還可以看出 ,激光清洗技術在文物和藝術品保護方面的應用明顯多于在其他方面的應用,而且多用YAG 激光器。

2)國內現狀

2為目前國內激光清洗技術的發展狀況。從表中可以看到,國內關于激光清洗技術的研究仍然處于參數和機理研究階段,在應用方面還是一片空白。作者在實驗的基礎上就激光清洗模具的實際應用進行了有益的嘗試,但因為激光器的硬件和成本限制,使得該技術在實際應用中的推行沒有多大的進展。值得一提的是,在激光清洗實驗中我們采用的是激光束連續掃描的方式,即面清洗技術,國外也多數采用這樣的工作方式,清洗效率比較高;但國內其他研究單位一般都采用定點多脈沖清洗方式,清洗效率低,只能滿足實驗的要求。

6 激光清洗實例  

(1)激光清洗圣壇上的圣像

意大利的Albertino圣壇建于14世紀中葉,由于經歷的時間很長,圣壇上的圣像表面 覆蓋了一層幾毫米厚的碳黑和灰泥層,嚴重影響了文物的外觀。為了恢復圣像的古色,必須采用清洗手段去除表面的硬殼層,文物單位最后確定由意大利和奧地利兩國專家采用激光清 洗技術來實現。他們采用的激光器的波長為1064nm,脈沖寬度小于10ns,激光光斑的直徑大 于2.5mm,能量為1200mJ,激光采用光纖傳輸,實現了圖像的遠程大面積清洗,清洗效率達到11.5m2/天,清洗后恢復了圖像的古色舊貌。

2)激光清洗模具

我們采用Q開關NdYAG脈沖激光器,波長為1064nm,脈沖寬度為200ns,激光光斑的直徑為0.09mm,能量密度為085.0Jcm2,激光掃描速度范圍為02000mms,對輪胎印字模具和汽車輪胎模具表面覆蓋的橡膠層進行了激光清洗,橡膠層的厚度為16μm。實驗中采用的掃描速度為300mms,在71.2Jcm2的能量密度下實現了對模具表面橡膠層的完全清洗,而對模具基材表面無任何損傷,清洗效率為0.4m2/h。

7 激光清洗技術的展望   

激光清洗技術近兩年發展很快,不論是對激光清洗的工藝參數和清洗機理、清洗對象的研究或是應用方面的研究都取得了很大的進展。然而激光清洗技術在經過大量理論方面的研究后,其研究重心正不斷偏向于應用方面的研究,并在應用方面取得了可喜的成果。由于激光器及其配套硬件的費用較高,使激光清洗技術的應用范圍受到極大的限制,特別在低成本對象的清洗中還難以承受。今后激光清洗技術在文物和藝術品的保護方面將得到更廣泛的應用,其市場前景非常廣闊。隨著科學技術的發展,如果激光器及其硬件的成本不斷下降,該項技術在工業中的應用也將成為現實,其應用范圍也會隨之拓寬。

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