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激光表面清洗的原理和实际应用

信息来源:eooaoo.com  时间:2008-10-25  浏览次数:356

  1.前言
  随着科学技术高速发展,激光技术已越来越多地应用于人们生产生活各个领域。从超市条形码、激光打印机到激光美容、治疗近视,并已为人们所熟悉。激光设备用于工业生产切割、钻孔以及焊接也为许多人所了解。但激光设备清洗行业应用,人们还不够熟悉了解。激光清洗技术近10年来飞速发展一种新型清洗技术,它以自身优势不可替代性许多领域逐步取代了传统清洗工艺。下面对激光设备为什么能够进行清洗?可用于清洗什么?清洗效率效果如何?作一简单介绍。
  2.激光与清洗
  传统清洗工业有各种各样清洗方式,多利用化学药剂机械方法进行清洗。我国环境保护法规要求越来越严格、人们环保安全意识日益增强今天,工业生产清洗可以使用化学药品种类将变得越来越少。如何寻找更清洁,且不具损伤性清洗方式我们不得不考虑问题。而激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应适用于各种材质物体等清洗特点,被认为最可靠、最有效解决办法。同时,激光清洗可以解决采用传统清洗方式无法解决问题。例如,工件表面粘有亚微米级污染颗粒时,这些颗粒往往粘得很紧,常规清洗办法不能够将它去除,而用纳米激光辐射工件表面进行清洗则非常有效。还由于激光对工件无接触清洗,对精密工件或其精细部位清洗十分安全,可以确保其精度。所以激光清洗清洗行业独具优势。
  激光为什么能够用来清洗?为什么对被清洗物体不会造成损害呢?首先了解一下激光本质。简单来说,激光我们身边如影随形般光线(可见光不可见光)没有什么不同,只不过激光利用谐振腔把光聚集同一个方向上,并且有较单纯波长,协调性等性能更好,因此理论上所有波长光都可以用来形成激光,但实际上受限于能够激发介质不多,因此能够产生稳定且适合工业生产激光光源相当有限。被广泛使用大概也就Nd:YAG激光、二氧化碳激光准分子激光。由于Nd:YAG激光可以通过光纤传输更适合工业应用,因此激光清洗也多被采用。
  3.激光表面清洗优点
  与机械摩擦清洗、化学腐蚀清洗、液体固体强力冲击清洗、高频超声清洗等传统清洗方法相比,激光清洗具有明显优点。
  3.1 激光清洗一种”绿色”清洗方法,不需使用任何化学药剂清洗液,清洗下来废料基本上都固体粉末,体积小,易于存放,可回收,可以轻易解决化学清洗带来环境污染问题;
  3.2 传统清洗方法往往接触式清洗,对清洗物体表面有机械作用力,损伤物体表面或者清洗介质附着于被清洗物体表面,无法去除,产生二次污染,激光清洗无研磨非接触性使这些问题迎刃而解;
  3.3 激光可以通过光纤传输,与机器手机器人相配合,方便地实现远距离操作,能清洗传统方法不易达到部位,这一些危险场所使用可以确保人员安全;
  3.4 激光清洗能够清除各种材料表面各种类型污染物,达到常规清洗无法达到清洁度。而且还可以不损伤材料表面情况下有选择性地清洗材料表面污染物;
  3.5 激光清洗效率高,节省时间;
  3.6 购买激光清洗系统虽然前期一次性投入较高,但清洗系统可以长期稳定使用,运行成本低,以Quantel公司LASERLASTE为例,每小时运行费用仅为1欧元左右,更重要可以方便地实现自动化操作。
  4.激光表面清洗原理
  脉冲式Nd:YAG激光清洗过程依赖于激光器所产生光脉冲特性,基于由高强度光束、短脉冲激光及污染层之间相互作用所导致光物理反应。其物理原理可概括如下:
  a)激光器发射光束被需处理表面上污染层所吸收。
  b)大能量吸收形成急剧膨胀等离子体(高度电离不稳定气体),产生冲击波。
  c)冲击波使污染物变成碎片并被剔除。
  d)光脉冲宽度必须足够短,以避免使被处理表面遭到破坏热积累。
  e)实验表明当金属表面上有氧化物时,等离子体产生于金属表面。
  等离子体只能量密度高于阈值情况下产生,这个阈值取决于被去除污染层或氧化层。这个阈值效应对保证基底材料安全情况下进行有效清洁非常重要。等离子体出现还存第二个阈值。如果能量密度超过这一阈值,则基底材料将被破坏。为保证基底材料安全前提下进行有效清洁,必须根据情况调整激光参数,使光脉冲能量密度严格处于两个阈值之间。
  每个激光脉冲去除一定厚度污染层。如果污染层比较厚,则需要多个脉冲进行清洗。将表面清洗干净所需要脉冲数量取决于表面污染程度。由两个阈值产生一个重要结果清洗自控性。能量密度高于第一阈值光脉冲将一直剔除污染物,直到达到基底材料为止。然而,因为其能量密度低于基底材料破坏阈值,所以基底不会受到破坏。
  5.激光清洗实际应用
  激光清洗不但可以用来清洗有机污染物,也可以用来清洗无机物,包括金属锈蚀、金属微粒、灰尘等。下面介绍一些实际应用情况,这些技术已非常成熟,已被广泛应用。
  5.1 模具清洗:
  每年全世界轮胎生产企业制造数亿个轮胎,生产过程轮胎模具清洗必须迅速可靠,以节省停机时间。传统清洗方法包括喷沙、超声波或二氧化碳清洗等,但这些方法通常必须高热模具经数小时冷却后,再移往清洗设备进行清洁,清洁所需时间长,并容易损害模具精度,化学溶剂及噪声还会产生安全环保等问题。利用激光清洗方式,由于激光可利用光纤来传输,因此使用上深具弹性;由于激光清洗方式可用光纤连接而将光导至模具死角或不易清除部位进行清洗,因此使用方便;由于橡胶并无气化,因此不会产生有毒害气体,影响工作环境安全。激光清洗轮胎模具技术已经大量欧美轮胎工业被采用,虽然初期投资成本较高,但可节省待机时间、避免模具损坏、工作安全及节省原材料上所获得收益迅速得到回收。根据Quantel公司LASERLASTE 激光清洗系上海双钱载重轮胎公司生产线上进行清洗试验表明,仅需2个小时就可以线清洗一套大型载重轮胎模具。常规清洗方法相比,经济效益显而易见。
  食品工业模具上防粘弹性膜层需要定期更换以保证卫生,不用化学试剂而使用激光清洗也特别适合这种应用。
  5.2武器装备清洗:
  激光清洗技术武器维护保养上广泛应用。采用激光清洗系统,可以高效、快捷地清除锈蚀、污染物,并可以对清除部位进行选择,实现清洗自动化。采用激光清洗,不但清洁度高于化学清洗工艺,而且对于物体表面几乎无损害。Quantel公司LASERLASTE通过设定不同参数,还可以金属物体表面形成一层致密氧化物保护膜或金属熔融层,提高表面强度耐腐蚀性。激光清除废料对环境基本上不构成污染,还可以进行远距离操作,有效减少了对操作人员健康损害。
  5.3飞机旧漆清除:
  欧洲激光清洗系统早已应用航空工业。飞机表面过一定时间后要重新喷漆,但喷漆之前需要将原来旧漆完全除去。传统机械清除油漆法容易对飞机金属表面造成损伤,给安全飞行带来隐患。如采用多个激光清洗系统,可两天之内将一架A320空客车表面漆层完全除掉,且不会损伤到金属表面。
  5.4楼宇外墙清洗:
  随着我国经济飞速发展,越来越多摩天大楼被建立起来,大楼外墙清洁问题日益凸现,LASERLASTE激光清洗系统通过最长70米光纤对建筑物外墙清洗提供了很好解决方法,它可以对各种石材、金属、玻璃上各种污染物进行有效清洗,且比常规清洗效率高很多倍。还可以对建筑物各种石材上黑斑、色斑进行清除。LASERLASTE激光清洗系统嵩山少林寺对建筑物、石碑进行清洗试验表明,采用激光清洗对保护古建筑恢复外观效果非常好。
  5.5电子工业清洗
  电子工业使用激光去除氧化物:电子工业需要高精度地去污,特别适合采用激光去氧化物。电路板焊接前,元件针脚必须彻底去氧化物以保证最佳电接触,去污过程还不能损坏针脚。激光清洗可以满足使用要求,且效率很高,一个针脚只需照射一次激光。
  5.6精密机械工业精确去酯清洗:
  精密机械工业常常需对零件上用来润滑抗腐蚀酯类及矿物油加以清除,通常用化学方法,而化学清洗往往仍有残留物。激光去酯可以将酯类及矿物油完全去除,不损伤零件表面。其污染物去除由冲击波完成,零件表面氧化物薄层爆炸性气化形成了冲击波,导致污物去除,而非机械互作用。材料彻底去酯用于航天工业机械零件清理。机械零件加工油酯去除同样可采用激光清洗。
  5.7核电站反应堆内管道清洗:
  激光清洗系统还应用于核电站反应堆内管道清洗。它采用光导纤维,将高功率激光束引入反应堆内部,直接清除放射性粉尘,清洗下来物质清理方便。而且由于远距离操作,可以确保工作人员安全。
  综上所述,激光清洗很多领域发挥着重要作用,并且汽车制造、半导体晶圆片清洗、精密零件加工制造、军事装备清洗、建筑物外墙清洗、文物保护、电路板清洗、精密零件加工制造、液晶显示器清洗、口香糖残迹去除等领域均可发挥重要作用。

  1.前言
  随着科学技术高速发展,激光技术已越来越多地应用于人们生产生活各个领域。从超市条形码、激光打印机到激光美容、治疗近视,并已为人们所熟悉。激光设备用于工业生产切割、钻孔以及焊接也为许多人所了解。但激光设备清洗行业应用,人们还不够熟悉了解。激光清洗技术近10年来飞速发展一种新型清洗技术,它以自身优势不可替代性许多领域逐步取代了传统清洗工艺。下面对激光设备为什么能够进行清洗?可用于清洗什么?清洗效率效果如何?作一简单介绍。
  2.激光与清洗
  传统清洗工业有各种各样清洗方式,多利用化学药剂机械方法进行清洗。我国环境保护法规要求越来越严格、人们环保安全意识日益增强今天,工业生产清洗可以使用化学药品种类将变得越来越少。如何寻找更清洁,且不具损伤性清洗方式我们不得不考虑问题。而激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应适用于各种材质物体等清洗特点,被认为最可靠、最有效解决办法。同时,激光清洗可以解决采用传统清洗方式无法解决问题。例如,工件表面粘有亚微米级污染颗粒时,这些颗粒往往粘得很紧,常规清洗办法不能够将它去除,而用纳米激光辐射工件表面进行清洗则非常有效。还由于激光对工件无接触清洗,对精密工件或其精细部位清洗十分安全,可以确保其精度。所以激光清洗清洗行业独具优势。
  激光为什么能够用来清洗?为什么对被清洗物体不会造成损害呢?首先了解一下激光本质。简单来说,激光我们身边如影随形般光线(可见光不可见光)没有什么不同,只不过激光利用谐振腔把光聚集同一个方向上,并且有较单纯波长,协调性等性能更好,因此理论上所有波长光都可以用来形成激光,但实际上受限于能够激发介质不多,因此能够产生稳定且适合工业生产激光光源相当有限。被广泛使用大概也就Nd:YAG激光、二氧化碳激光准分子激光。由于Nd:YAG激光可以通过光纤传输更适合工业应用,因此激光清洗也多被采用。
  3.激光表面清洗优点
  与机械摩擦清洗、化学腐蚀清洗、液体固体强力冲击清洗、高频超声清洗等传统清洗方法相比,激光清洗具有明显优点。
  3.1 激光清洗一种”绿色”清洗方法,不需使用任何化学药剂清洗液,清洗下来废料基本上都固体粉末,体积小,易于存放,可回收,可以轻易解决化学清洗带来环境污染问题;
  3.2 传统清洗方法往往接触式清洗,对清洗物体表面有机械作用力,损伤物体表面或者清洗介质附着于被清洗物体表面,无法去除,产生二次污染,激光清洗无研磨非接触性使这些问题迎刃而解;
  3.3 激光可以通过光纤传输,与机器手机器人相配合,方便地实现远距离操作,能清洗传统方法不易达到部位,这一些危险场所使用可以确保人员安全;
  3.4 激光清洗能够清除各种材料表面各种类型污染物,达到常规清洗无法达到清洁度。而且还可以不损伤材料表面情况下有选择性地清洗材料表面污染物;
  3.5 激光清洗效率高,节省时间;
  3.6 购买激光清洗系统虽然前期一次性投入较高,但清洗系统可以长期稳定使用,运行成本低,以Quantel公司LASERLASTE为例,每小时运行费用仅为1欧元左右,更重要可以方便地实现自动化操作。
  4.激光表面清洗原理
  脉冲式Nd:YAG激光清洗过程依赖于激光器所产生光脉冲特性,基于由高强度光束、短脉冲激光及污染层之间相互作用所导致光物理反应。其物理原理可概括如下:
  a)激光器发射光束被需处理表面上污染层所吸收。
  b)大能量吸收形成急剧膨胀等离子体(高度电离不稳定气体),产生冲击波。
  c)冲击波使污染物变成碎片并被剔除。
  d)光脉冲宽度必须足够短,以避免使被处理表面遭到破坏热积累。
  e)实验表明当金属表面上有氧化物时,等离子体产生于金属表面。
  等离子体只能量密度高于阈值情况下产生,这个阈值取决于被去除污染层或氧化层。这个阈值效应对保证基底材料安全情况下进行有效清洁非常重要。等离子体出现还存第二个阈值。如果能量密度超过这一阈值,则基底材料将被破坏。为保证基底材料安全前提下进行有效清洁,必须根据情况调整激光参数,使光脉冲能量密度严格处于两个阈值之间。
  每个激光脉冲去除一定厚度污染层。如果污染层比较厚,则需要多个脉冲进行清洗。将表面清洗干净所需要脉冲数量取决于表面污染程度。由两个阈值产生一个重要结果清洗自控性。能量密度高于第一阈值光脉冲将一直剔除污染物,直到达到基底材料为止。然而,因为其能量密度低于基底材料破坏阈值,所以基底不会受到破坏。
  5.激光清洗实际应用
  激光清洗不但可以用来清洗有机污染物,也可以用来清洗无机物,包括金属锈蚀、金属微粒、灰尘等。下面介绍一些实际应用情况,这些技术已非常成熟,已被广泛应用。
  5.1 模具清洗:
  每年全世界轮胎生产企业制造数亿个轮胎,生产过程轮胎模具清洗必须迅速可靠,以节省停机时间。传统清洗方法包括喷沙、超声波或二氧化碳清洗等,但这些方法通常必须高热模具经数小时冷却后,再移往清洗设备进行清洁,清洁所需时间长,并容易损害模具精度,化学溶剂及噪声还会产生安全环保等问题。利用激光清洗方式,由于激光可利用光纤来传输,因此使用上深具弹性;由于激光清洗方式可用光纤连接而将光导至模具死角或不易清除部位进行清洗,因此使用方便;由于橡胶并无气化,因此不会产生有毒害气体,影响工作环境安全。激光清洗轮胎模具技术已经大量欧美轮胎工业被采用,虽然初期投资成本较高,但可节省待机时间、避免模具损坏、工作安全及节省原材料上所获得收益迅速得到回收。根据Quantel公司LASERLASTE 激光清洗系上海双钱载重轮胎公司生产线上进行清洗试验表明,仅需2个小时就可以线清洗一套大型载重轮胎模具。常规清洗方法相比,经济效益显而易见。
  食品工业模具上防粘弹性膜层需要定期更换以保证卫生,不用化学试剂而使用激光清洗也特别适合这种应用。
  5.2武器装备清洗:
  激光清洗技术武器维护保养上广泛应用。采用激光清洗系统,可以高效、快捷地清除锈蚀、污染物,并可以对清除部位进行选择,实现清洗自动化。采用激光清洗,不但清洁度高于化学清洗工艺,而且对于物体表面几乎无损害。Quantel公司LASERLASTE通过设定不同参数,还可以金属物体表面形成一层致密氧化物保护膜或金属熔融层,提高表面强度耐腐蚀性。激光清除废料对环境基本上不构成污染,还可以进行远距离操作,有效减少了对操作人员健康损害。
  5.3飞机旧漆清除:
  欧洲激光清洗系统早已应用航空工业。飞机表面过一定时间后要重新喷漆,但喷漆之前需要将原来旧漆完全除去。传统机械清除油漆法容易对飞机金属表面造成损伤,给安全飞行带来隐患。如采用多个激光清洗系统,可两天之内将一架A320空客车表面漆层完全除掉,且不会损伤到金属表面。
  5.4楼宇外墙清洗:
  随着我国经济飞速发展,越来越多摩天大楼被建立起来,大楼外墙清洁问题日益凸现,LASERLASTE激光清洗系统通过最长70米光纤对建筑物外墙清洗提供了很好解决方法,它可以对各种石材、金属、玻璃上各种污染物进行有效清洗,且比常规清洗效率高很多倍。还可以对建筑物各种石材上黑斑、色斑进行清除。LASERLASTE激光清洗系统嵩山少林寺对建筑物、石碑进行清洗试验表明,采用激光清洗对保护古建筑恢复外观效果非常好。
  5.5电子工业清洗
  电子工业使用激光去除氧化物:电子工业需要高精度地去污,特别适合采用激光去氧化物。电路板焊接前,元件针脚必须彻底去氧化物以保证最佳电接触,去污过程还不能损坏针脚。激光清洗可以满足使用要求,且效率很高,一个针脚只需照射一次激光。
  5.6精密机械工业精确去酯清洗:
  精密机械工业常常需对零件上用来润滑抗腐蚀酯类及矿物油加以清除,通常用化学方法,而化学清洗往往仍有残留物。激光去酯可以将酯类及矿物油完全去除,不损伤零件表面。其污染物去除由冲击波完成,零件表面氧化物薄层爆炸性气化形成了冲击波,导致污物去除,而非机械互作用。材料彻底去酯用于航天工业机械零件清理。机械零件加工油酯去除同样可采用激光清洗。
  5.7核电站反应堆内管道清洗:
  激光清洗系统还应用于核电站反应堆内管道清洗。它采用光导纤维,将高功率激光束引入反应堆内部,直接清除放射性粉尘,清洗下来物质清理方便。而且由于远距离操作,可以确保工作人员安全。
  综上所述,激光清洗很多领域发挥着重要作用,并且汽车制造、半导体晶圆片清洗、精密零件加工制造、军事装备清洗、建筑物外墙清洗、文物保护、电路板清洗、精密零件加工制造、液晶显示器清洗、口香糖残迹去除等领域均可发挥重要作用。

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