激光清洗技术

传统清洗工业有各种各样的清洗方式,多是利用化学药剂和机械方法进行清洗。在我国环境保护法规要求越来越严格、人们环保和安全意识日益增强的今天,工业生产清洗中可以使用的化学药品种类将变得越来越少。而激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应和适用于各种材质的物体等特点,被认为是最可靠、最有效的解决办法。同时,激光清洗可以解决采用传统清洗方式无法解决的问题。例如,工件表面粘有亚微米级的污染颗粒时,这些颗粒往往粘得很紧,常规的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。由于激光对工件是无接触清洗,对精密工件或其精细部位清洗十分安全,还可以确保其精度,所以激光清洗在清洗行业中独具优势。

激光为什么能够用来清洗,而且对被清洗物体不会造成损害呢?首先了解一下激光的本质。简单来说,激光和在我们身边的如影随形般的光线(可见光和不可见光)没有什么不同,只不过激光是利用谐振腔把光聚集在同一个方向上,并且有较单纯的波长,协调性等性能更好,因此理论上所有波长的光都可以用来形成激光。但实际上受限于能够激发的介质不多,因此能够产生稳定且适合工业生产的激光光源相当有限。被广泛使用的大概也就是Nd:YAG激光、二氧化碳激光和准分子激光。由于Nd:YAG激光可以通过光纤传输,更适合工业应用,因此在激光清洗中也多被采用。

激光清洗机理大致可分为两大类:一类是利用清洁基体与污染物对某一特定波长的激光吸收系数差别很大,或者两者溶、沸点温度有一定差距,污物吸收激光能量后,或汽化挥发,或瞬间受热膨胀并被蒸汽带离基体表面,从而达到清洗的目的。对于此类激光清洗,激光波长的选择和激光能量的控制是影响清洗效果的关键。另一类是基体材料与覆着其上的污染层的特性差异不大,多采用高能量密度、高重复频率的脉冲激光。污染层在激光脉冲作用下迅速升温到较高的峰值温度,而基体表面温度较低,在污染层中形成很大的温度梯度,在随后的冷却过程中产生强分裂应力,当这个分裂应力大于污物与基体材料表面的亲和力时,便使得污物与基体材料表面脱离,再被真空泵吸走,而基体不受损伤。根据材料吸收热量与光波长的关系,不同基体材料和污染物,需采用不同波长的激光和激光工艺参数。

激光从激光发生器里发出,经过光学系统传输,再经透镜聚焦到基体表面。由计算机控制激光能量、脉冲频率、作用时间以及工件的移动。监视测试系统可以远距离对清洗效果进行实时监测。如图3.1所示,激光清洗装置针对较小的清洗部件,移动工作台实现部件上不同区域的清洗。对于大的笨重物件或定型的不能移动的大结构物件的激光清洗(如除锈等),可通过激光束逐点平移和小角度往复偏转,在较远距离的待清洗物件上形成激光扫描,实现清洗。

图3.1　激光清洗装置示意图

激光清洗的方法一般有四种:

(1)激光干洗法,即采用脉冲激光直接辐射去污。

(2)激光+液膜的方法,即首先沉积一层液膜于基体表面,然后用激光使液膜发生爆炸去污。

(3)激光+惰性气体的方法,即激光辐射的同时,用惰性气体吹向工件表面,当污物从表面剥离后,就被气体远远吹离表面,避免清洁表面再次污染和氧化。

(4)用激光使污物松散后,再用非腐蚀性的化学方法去污。

目前在工业生产中主要采用前面三种清洗方法,其中激光干洗法取激光+液膜清洗方法用得最多,第四种方法仅见于艺术品的清洗保护中。

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,激光清洗具有明显的优点,主要表现在以下几方面:

(1)激光清洗是一种“绿色”的清洗方法,不需使用任何化学药剂和清洗液,清洗下来的废料基本上都是固体粉末,体积小,易于存放,可回收,可以轻易解决化学清洗带来的环境污染问题。

(2)传统的清洗方法往往是接触式清洗,对清洗物体表面有机械作用力,损伤物体的表面或者清洗的介质附着于被清洗物体的表面,无法去除,产生二次污染,激光清洗的无研磨和非接触性使这些问题迎刃而解。

(3)激光可以通过光纤传输,与机械手和机器人相配合,方便地实现远距离操作,能清洗传统方法不易达到的部位,这在一些危险的场所使用可以确保人员的安全。

(4)激光清洗能够清除各种材料表面的各种类型的污染物,达到常规清洗无法达到的清洁度。而且还可以在不损伤材料表面的情况下有选择性地清洗材料表面的污染物。

(5)激光清洗效率高,节省时间。

(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公司的LASERLASTE为例,每小时的运行费用仅为1欧元左右,更重要的是可以方便地实现自动化操作。

激光清洗不但可以用来清洗有机的污染物,也可以用来清洗无机物,包括金属的锈蚀、金属微粒、灰尘等。下面介绍一些实际应用的情况,这些技术已非常成熟,并被广泛应用,如图3.2所示。

(1)激光清洗的典型应用之一是文物的保护与清洗。锈蚀的古钱币、彩绘在羊皮纸上的古画,甚至砂岩上的陈旧的雕刻画都能用激光清洗,恢复其本来面目。科学家采用激光清洗法国巴黎罗浮宫中的油画,将原来已经因为种种原因保护不善而看不清画面的油画恢复了原貌。该原理同样适用于清洗很大的房屋。近年来,德国人采用激光清洗技术甚至成功地清洗了科隆大教堂这座举世瞩目的大型历史建筑。

图3.2　激光清洗技术的应用

(2)激光清洗技术在工业中同样大有用武之地。飞机的表面过一定时间后要重新喷漆,但是,喷漆之前需要将原来的旧油漆完全除去。传统的机械清除油漆法容易对飞机的金属表面造成损伤,给安全飞行带来隐患。如采用多个激光系统,可以在两天之内将一架波音737飞机表面的漆层完全除掉,而不会损伤到金属表面。科学家还将激光清洗技术应用于核电站反应堆内管道的清洗,用光导纤维将高功率激光束引入反应堆内部,清洗下来的物质呈粉末状态,体积小,易处理。而且,激光清洗可以远距离操作,更是可以确保操作人员的安全,因此备受人们青睐。

(3)电瓷绝缘子的清洗。在各种输电线路中少不了电瓷绝缘子,其表面很容易沾染各种污秽,如尘埃、鸟粪等。这些污染物在环境湿度增加使得绝缘子表面湿润时,其绝缘电阻迅速下降,形成沿绝缘子表面的污秽闪络放电,往往造成电网大面积停电。统计表明,雾天的污闪事故占电力线路事故的21%。目前防污闪的主要措施是带电水清洗、定期清扫、涂覆硅脂甚至更换绝缘子。这些方法的工作量很大,劳动强度也很大。据统计,冲洗和更换绝缘子占线路检修工作量的60%~70%。因此,对电瓷绝缘子的清洗是电力部门一直没有很好解决的问题。由于激光清洗的上述优点,它极有希望在此领域得到广泛应用。

(4)医疗器械的清洗。在医院中,医疗器械的清洗消毒是一项非常重要的工作。一般的清洗消毒过程是先用水或其他溶液清洗之后,再用高温高压消毒灭菌。由于中间环节多,增加了疾病传染的可能性,清洗消毒时间较长,而且产生大量污水污物。而利用脉冲激光在材料表面产生高压高温,不但可以快速地清除医疗器件上的各种污迹,而且也可以杀死各种细菌与病毒,同时达到了清洗和消毒的双重目的,大大减少了中间环节,节约了清洗时间。

(5)模具的清洗。每年全世界的轮胎生产企业制造数亿个轮胎,生产过程中轮胎模具的清洗必须迅速可靠,以节省停机的时间。传统的清洗方法包括喷沙、超声波或二氧化碳清洗等,但这些方法通常必须将高热的模具经数小时冷却后,再移往清洗设备进行清洁,清洁所需的时间长,并容易损害模具的精度,化学溶剂及噪声还会产生安全和环保等问题。而利用激光清洗方式可以避免上述问题。由于激光可利用光纤来传输,因此在使用上深具弹性;由于激光清洗方式可用光纤连接而将光导至模具的死角或不易清除的部位进行清洗,因此使用方便;由于橡胶并无气化,因此不会产生有毒害的气体,也不会影响工作环境的安全。激光清洗轮胎模具的技术已经在欧美的轮胎工业中被大量采用,虽然初期投资成本较高,但可在节省待机时间、避免模具损坏、工作安全及节省原材料上获得收益。根据Quantel公司的LASERLASTE激光清洗系在上海双钱载重轮胎公司生产线上进行的清洗试验表明,仅需2个小时就可以在线清洗一套大型载重轮胎的模具,和常规清洗方法相比,经济效益是显而易见的。

(6)电子工业中的清洗。电子工业需要高精度的去污,特别适合采用激光去氧化物。在电路板焊接前,元件针脚必须彻底去氧化物以保证最佳的电接触,在去污过程中还不能损坏针脚。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。

(7)精密机械工业中的精确去脂清洗。精密机械工业常常需对零件上用来润滑和抗腐蚀的脂类及矿物油加以清除,通常是用化学方法,而化学清洗往往仍有残留物。激光去脂可以将脂类及矿物油完全去除,不损伤零件表面。其污染物去除是由冲击波完成,零件表面氧化物薄层爆炸性气化形成了冲击波,导致污物被去除,而非机械互作用。材料彻底去脂用于航天工业机械零件的清理。机械零件加工中的油脂去除同样可采用激光清洗。

综上所述,激光清洗在很多领域中发挥着重要作用,并且在汽车制造、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、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。