激光表面清洗的原理和實際應用

1.前言

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

　　2.激光與清洗

　　傳統(tǒng)清洗工業(yè)有各種各樣的清洗方式，多是利用化學藥劑和機械方法進行清洗。在我國環(huán)境保護法規(guī)要求越來越嚴格、人們環(huán)保和安全意識日益增強的今天，工業(yè)生產(chǎn)清洗中可以使用的化學藥品種類將變得越來越少。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題。而激光清洗具有無研磨、非接觸、無熱效應和適用于各種材質的物體等清洗特點，被認為是最可靠、最有效的解決辦法。同時，激光清洗可以解決采用傳統(tǒng)清洗方式無法解決的問題。例如，工件表面粘有亞微米級的污染顆粒時，這些顆粒往往粘得很緊，常規(guī)的清洗辦法不能夠將它去除，而用納米激光輻射工件表面進行清洗則非常有效。還由于激光對工件是無接觸清洗，對精密工件或其精細部位清洗十分安全，可以確保其精度。所以激光清洗在清洗行業(yè)中獨具優(yōu)勢。

　　激光為什么能夠用來清洗？為什么對被清洗物體不會造成損害呢？首先了解一下激光的本質。簡單來說，激光和在我們身邊的如影隨形般的光線(可見光和不可見光)沒有什么不同，只不過激光是利用諧振腔把光聚集在同一個方向上，并且有較單純的波長，協(xié)調(diào)性等性能更好，因此理論上所有波長的光都可以用來形成激光，但實際上受限于能夠激發(fā)的介質不多，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、二氧化碳激光和準分子激光。由于Nd：YAG激光可以通過光纖傳輸更適合工業(yè)應用，因此在激光清洗中也多被采用。

　　3.激光表面清洗的優(yōu)點

　　與機械摩擦清洗、化學腐蝕清洗、液體固體強力沖擊清洗、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。

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

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

　　3.3激光可以通過光纖傳輸，與機器手和機器人相配合，方便地實現(xiàn)遠距離操作，能清洗傳統(tǒng)方法不易達到的部位，這在一些危險的場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型的污染物，達到常規(guī)清洗無法達到的清潔度。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)省時間；

　　3.6購買激光清洗系統(tǒng)雖然前期一次性投入較高，但清洗系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定使用，運行成本低，以Quantel公司的LASERLASTE為例，每小時的運行費用僅為1歐元左右，更重要的是可以方便地實現(xiàn)自動化操作。

　　4.激光表面清洗的原理

　　脈沖式的Nd:YAG激光清洗的過程依賴于激光器所產(chǎn)生的光脈沖的特性，基于由高強度的光束、短脈沖激光及污染層之間的相互作用所導致的光物理反應。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)實驗表明當金屬表面上有氧化物時，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，這個閾值取決于被去除的污染層或氧化層。這個閾值效應對在保證基底材料安全的情況下進行有效清潔非常重要。等離子體的出現(xiàn)還存在第二個閾值。如果能量密度超過這一閾值，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格處于兩個閾值之間。

　　每個激光脈沖去除一定厚度的污染層。如果污染層比較厚，則需要多個脈沖進行清洗。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。由兩個閾值產(chǎn)生的一個重要結果是清洗的自控性。能量密度高于第一閾值的光脈沖將一直剔除污染物，直到達到基底材料為止。然而，因為其能量密度低于基底材料的破壞閾值，所以基底不會受到破壞。

　　5.激光清洗的實際應用

　　激光清洗不但可以用來清洗有機的污染物，也可以用來清洗無機物，包括金屬的銹蝕、金屬微粒、灰塵等。下面介紹一些實際應用情況，這些技術已非常成熟，已被廣泛應用。

　　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)億個輪胎，生產(chǎn)過程中輪胎模具的清洗必須迅速可靠，以節(jié)省停機的時間。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)小時冷卻后，再移往清洗設備進行清潔，清潔所需的時間長，并容易損害模具的精度，化學溶劑及噪聲還會產(chǎn)生安全和環(huán)保等問題。利用激光清洗方式，由于激光可利用光纖來傳輸，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至模具的死角或不易清除的部位進行清洗，因此使用方便；由于橡膠并無氣化，因此不會產(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)省待機時間、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載重輪胎公司生產(chǎn)線上進行的清洗試驗表明，僅需2個小時就可以在線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)濟效益是顯而易見的。

　　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，不用化學試劑而使用激光清洗也特別適合這種應用。

　　5.2武器裝備的清洗：

　　激光清洗技術在武器維護保養(yǎng)上廣泛應用。采用激光清洗系統(tǒng)，可以高效、快捷地清除銹蝕、污染物，并可以對清除部位進行選擇，實現(xiàn)清洗的自動化。采用激光清洗，不但清潔度高于化學清洗工藝，而且對于物體表面幾乎無損害。Quantel公司的LASERLASTE通過設定不同參數(shù)，還可以在金屬物體表面形成一層致密的氧化物保護膜或金屬熔融層，提高表面強度和耐腐蝕性。激光清除的廢料對環(huán)境基本上不構成污染，還可以進行遠距離操作，有效減少了對操作人員的健康損害。

　　5.3飛機舊漆的清除：

　　在歐洲激光清洗系統(tǒng)早已應用在航空工業(yè)中。飛機的表面過一定時間后要重新噴漆，但是噴漆之前需要將原來的舊漆完全除去。傳統(tǒng)的機械清除油漆法容易對飛機的金屬表面造成損傷，給安全飛行帶來隱患。如采用多個激光清洗系統(tǒng)，可在兩天之內(nèi)將一架A320空中客車表面的漆層完全除掉，且不會損傷到金屬表面。

　　5.4樓宇外墻的清洗：

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

　　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，在去污過程中還不能損壞針腳。激光清洗可以滿足使用要求，且效率很高，一個針腳只需照射一次激光。

　　5.6精密機械工業(yè)中的精確去酯清洗：

　　精密機械工業(yè)常常需對零件上用來潤滑和抗腐蝕的酯類及礦物油加以清除，通常是用化學方法，而化學清洗往往仍有殘留物。激光去酯可以將酯類及礦物油完全去除，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，導致污物去除，而非機械互作用。材料徹底去酯用于航天工業(yè)機械零件的清理。機械零件加工中的油酯去除同樣可采用激光清洗。

　　5.7核電站反應堆內(nèi)管道清洗：

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

　　綜上所述，激光清洗在很多領域發(fā)揮著重要作用，并且在汽車制造、半導體晶圓片清洗、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、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域均可發(fā)揮重要作用。