制造業(yè)迅猛發(fā)展的今天,不論是機械還是電子產(chǎn)品在加工或者裝配之前以及設(shè)備運轉(zhuǎn)一段時間之后的維修維護,基本都需要對部分材料或者部件進行清洗處理。而激光清洗是基于激光與物質(zhì)相互作用發(fā)展而來,與機械摩擦清洗、化學(xué)腐蝕清洗、液體固體強力沖擊清洗和高頻超聲清洗等傳統(tǒng)清洗方法相比,激光清洗具有環(huán)境友好、非接觸、可精準(zhǔn)控制、可實時監(jiān)控反饋和對基材無損微損等優(yōu)點,有望部分替代傳統(tǒng)清洗方法,成為目前具有很大發(fā)展?jié)摿Φ那逑醇夹g(shù)。
激光清洗研究現(xiàn)狀分析
目前,典型的激光清洗方法主要有三種:激光燒蝕清洗、液膜輔助激光清洗和激光沖擊波式清洗方法。在以上三種方法中,激光燒蝕清洗方法的操作條件簡單,使用最為廣泛,選擇合適的激光器類型、采用優(yōu)化的工藝參數(shù)可去除各種涂層、油漆、顆?;蛭畚?。其余兩種方法雖然也具有各自的優(yōu)點,但目前應(yīng)用仍處于研究階段,沒有大規(guī)模推廣。
對于激光清洗機理的研究,基于激光燒蝕理論,江蘇大學(xué)佟艷群研究了激光作用下金屬和金屬氧化物的溫升規(guī)律,分析激光能量、激光脈寬等參數(shù)的影響。結(jié)合形貌分析,提出金屬氧化物的激光去除機理是激光燒蝕的物理化學(xué)效應(yīng)和彈性振動效應(yīng)共同作用的結(jié)果,為激光工藝參數(shù)的選取和在線監(jiān)測技術(shù)提供了依據(jù)。
南開大學(xué)李偉匯總了激光清洗的物理機制。他認(rèn)為激光清洗的對象可分為微粒和膜層兩種,對于微粒的去除有三種作用在里面,分別為熱彈性膨脹、激光燒蝕、間隙液膜爆發(fā)性沸騰等,其中以熱彈性膨脹機制為主。通過分析激光加熱引起的溫度分布和位移分布,建立激光引起的脫離應(yīng)力與粘附力之間的比較關(guān)系,或熱彈性能與粘附勢能之間的比較關(guān)系,進而確定清洗條件,最終得到激光參數(shù)、材料參數(shù)和環(huán)境參數(shù)與清洗效果、效率之間的決定關(guān)系。
南開大學(xué)施曙東提出一種三層吸收界面燒蝕振動模型,并利用模型對激光清洗漆涂覆層的機制、清洗閾值等模擬與實際工作密切相關(guān)的因素進行了比較分析。用數(shù)學(xué)方法確定清洗模型中的各層吸收的激光和熱轉(zhuǎn)化,并使用有限元方法對其進行了數(shù)值求解,給出了清洗過程中的溫度分布、應(yīng)力分布和位移值的數(shù)值計算解。
激光清洗對象包括基材與清洗物,基體材料現(xiàn)已涵蓋鋼材、鋁合金、鈦合金、樹脂基復(fù)合材料等,清洗物囊括漆層、銹蝕、氧化層、硫化層和各種有機物等。
表 近年來部分激光清洗的研究進展分類介紹
鈦合金清洗 樹脂基復(fù)合材料清洗
我國的激光清洗技術(shù)研究和設(shè)備開發(fā)基本上是跟蹤國外的發(fā)展,但是在短時間內(nèi)也取得了一些成果,近年學(xué)術(shù)界激光清洗的研究文章逐漸增多,清洗材料種類和應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大。2010年中國工程物理研究院激光聚變研究中心在國內(nèi)最早嘗試了激光清洗設(shè)備的開發(fā),并成功應(yīng)用到文物清洗領(lǐng)域,目前已經(jīng)形成小批量生產(chǎn)和銷售。自此以后,尤其2016年下半年至今,從事激光清洗設(shè)備研發(fā)的企事業(yè)單位層出不窮,激光清洗技術(shù)也逐漸露出廬山真面目,顯現(xiàn)在人們眼前,為更多的人所認(rèn)知。
2017“江門智博會”,可以說云集了國內(nèi)絕大部分激光清洗設(shè)備。
最早的激光清洗設(shè)備都是手持式操作,具有較大的應(yīng)用局限性。目前激光清洗正在向自動化控制方向發(fā)展,銘鐳激光、中國工程物理研究院、嘉信激光等實現(xiàn)了自動化清洗,提高了清洗效率,尤其是提高了安全性。
經(jīng)過多年發(fā)展,激光清洗在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域開辟了許多新的機遇,但是對于激光清洗技術(shù)的發(fā)展,作者持謹(jǐn)慎態(tài)度,認(rèn)為還有以下工作需要深入推進。
首先,作者認(rèn)為激光清洗只是(至少目前)現(xiàn)有清洗技術(shù)的有益補充,而不是革命性的新技術(shù);其次,以下原因是激光清洗沒有大規(guī)模推廣的主要因素:
1、激光清洗的基礎(chǔ)理論與工藝研究仍然欠缺
激光清洗基礎(chǔ)研究相對薄弱和至今仍沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)制定。
2、激光清洗的環(huán)保性有待“商榷”
如果幾十臺清洗機同時作業(yè),會產(chǎn)生大量的廢棄物,處理是一個大問題,尤其是除漆作業(yè),會產(chǎn)生強烈的刺激性氣味,目前現(xiàn)在任何一家激光清洗研究單位都沒有明確的解決措施。
3、激光清洗的效率有待提高
與噴砂清洗和化學(xué)清洗相比,激光清洗的效率還比較低,尤其是除漆作業(yè)。
4、與公眾的預(yù)期有差距
激光在公眾看來屬于高科技,清洗界人士對激光清洗的期望值很高,但效果目前沒有很驚艷,一次性投入又較大,因此產(chǎn)生觀望心理。
基于以上分析,作者認(rèn)為,激光清洗未來的發(fā)展應(yīng)該是精細(xì)化方向,即立足激光清洗是現(xiàn)有清洗技術(shù)的有益補充這一事實,科研和生產(chǎn)單位應(yīng)該加強基礎(chǔ)研究,尋找真正適用激光清洗的領(lǐng)域。
結(jié) 語
作為激光應(yīng)用的新領(lǐng)域——激光清洗技術(shù),有著誘人的應(yīng)用前景。隨著激光器技術(shù)和性能的不斷發(fā)展和提高,激光清洗的機理研究不斷深入,科學(xué)儀器對材料表面質(zhì)量的監(jiān)測能力逐漸提高,表征方法與手段也日趨完善,激光清洗材料表面的質(zhì)量得到提升,清洗精度和效率也逐漸增加。