激光清洗较传统清洗的优势

    在西奥多哈罗德梅曼教授发明世界上第一台红宝石激光器之后的一个世纪，可应用于各种领域的激光器相继出现。激光技术的应用使得医疗、装备制造、精准测量和再制造工程等领域的科技飞速发展，加快了社会进步的步伐。

    20世纪80年代，将激光束照射在一些物品被污染的部位，被照射的物质发生振动、熔化、蒸发和燃烧等一系列的物理化学过程，其表面的污染物质最终脱离物品表面，实现了对污染物的去除。从此人们开始了对激光清洗的研究，经过几十年的发展，激光清洗技术已经从实验室研究走向了制造业的应用，各种激光清洗机逐步进入现代化智能制造设备的行列。

    1.激光清洗与传统清洗方法的比较

    激光清洗技术是指利用高频高能激光脉冲照射工件表面，涂覆层、污染层可以瞬间吸收聚焦的激光能量，使表面的油污、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，高速有效地清除表面附着物或表面涂层的清洁方式。而作用时间很短的激光脉冲，在适当的参数下不会伤害金属基材。

    与传统清洗方式相比，激光清洗拥有一些传统清洗方式无法实现的优势。激光清洗是一种非接触式清洗，对基材的损伤小，有着较高灵活性、稳定性和自动化特点，清洗质量好、精度高，保护环境，是一种“绿色”自动化的清洗设备。表1为不同清洗方式的比较。

表1 激光清洗与传统清洗方法的比较

    2.激光清洗系统组成

    清洗设备虽然有所差异，但主要部件基本上是相似的，包括计算机控制系统、激光器系统、光束调整系统等。除此之外还包括一些配套的设备：如除尘净化系统、机械手、激光诱导击穿光谱仪(LIBS)、视觉定位系统和热成像系统。

    清洗时，计算机系统起到核心通讯作用，它同时控制激光器和光路调整系统。激光光束由光纤进行传输，进入光束调整系统，光束经过聚焦后光斑直径达到极小，规律地作用在金属清洗工件表面。

    3.激光清洗技术应用广泛

    激光清洗在工业生产中作为清洗工序，可以有效除锈、除污、除漆、除积碳、以及清除多种涂层等。目前已广泛应用到航空航天、轨道车辆、微电子、文物保护和医疗等各个领域。

    3.1焊前焊后清理

    激光清洗技术可以广泛应用于铝合金、钛合金、不锈钢、高温合金等金属材料的焊前焊后清洗，可以有效预防夹杂、气孔等缺陷的产生。焊接后也可用于焊后氧化的清理，使得焊接过程中产生的氧化层再次去除，恢复金属光泽。

    用激光清洗技术对铝合金阳极氧化膜进行局部激光清洗，并将清洗后的焊接试板进行对接焊接，通过X射线检测以评定焊缝质量，采用金相组织进行观察和分析，通过常温拉伸试验测试去除氧化膜对焊缝性能的影响。如图4所示，结果表明，阳极氧化膜被彻底清洗干净，经激光清洗的铝合金接头抗拉强度为298~303 MPa，拉伸断裂延伸率为6.2%~6.5%，激光清理焊缝与机械刮削焊缝的性能范围一致，焊接过程中焊接熔池干净，焊缝无聚集状气孔、杂质等内部缺陷，大大提升了铝合金的焊接性。

    对焊前钛合金进行激光焊接前处理，激光清洗后可以完全清除钛合金表面的氧化膜和污染物，且焊缝质量为一级，内部无焊接缺陷产生，可见激光清洗技术相对于传统的焊前试样处理方法，可以有效地改善焊接质量。激光清洗技术在工业上的应用，使除积碳效果和焊接工艺质量得到大幅度的提升，可对不同的基材表面进行高效积碳清洗，减少焊接缺陷，提升材料的焊接性；同时还可节约企业的生产成本，提升企业的生产效率。

    3.2在航空航天、轨道交通领域脱漆中的应用

    在航空航天领域中，美国科学家提出利用激光对军用飞机进行脱漆，并作了相关研究，目前已经成功应用于F16战机的整机除漆。国内企事业单位研究人员近几年也已经开始了激光对飞机蒙皮模拟试样进行脱漆效果以及性能测试。实验表明，在合理的工艺参数下，可以有效去除飞机蒙皮表面的漆层，且对基体无损伤。

    并且研究人员对脱漆后材料进行一系列性能测试，结果表明，脱漆后的飞机蒙皮抗拉强度、疲劳强度以及维氏硬度等与基体相比均无变化，耐蚀性能有所上升，以上事实足以说明，激光清洗技术在飞机蒙皮脱漆处理以及轨道车辆脱漆处理上具有深远意义的应用价值。

    此外，在军用装备的维护与制造中，激光清洗可提升装备维修的效率，减少武器弹药表面的氧化，为军用装备、军队战斗力提供有力保障。

    3.3其他领域的应用

    在其他生产领域，机械设备长时间服役，零部件表面积累了大量油污、废旧漆层、锈蚀和积碳等污染层。利用激光技术清洗工业设备上长期服役的螺栓和轮胎模具后，再用SEM检验分析发现，铁钉上原有的镀锌镀层完好无损，只是将表面的油污等污染层清除，清洗前后的效果明显。

    随着我国近年对于环境的要求日益提高，激光清洗作为近几年刚兴起的关注热点，打破了传统清洗方法的技术壁垒。并且激光清洗在半自动化、全自动化或者人工化之间相互转换，这就形成了广泛的应用空间。激光清洗适用于大部分的制造业。焊后清洗、锁件抛光、杯具清洗、复合材料的毛化和机场除胶清洗是近几年比较热门的研究行业。

    4.小结

    现代智能制造的发展，需要表面处理技术作为基石，需要先进的工艺方法实现填补和替代，这是我国制造业由大转强过程中面临的一个重要挑战。

    激光清洗技术作为现代绿色清洗技术，是新时代工业发展的产物，具有省时、省力、对基材无损害以及对环境无污染等优点。据统计，2018年全球清洗市场总额已达到5.89亿美元，预计到2023年，这一数值将攀升至7.24亿美元，可见引入激光清洗技术将会带来极其可观的经济效益。

    我国激光清洗设备的制造技术、先进程度与西方国家相比仍处于劣势，且我国激光清洗技术的应用覆盖率也比较低，还无法完全取代传统的清洗工艺。开发配套的激光清洗设备，并使其在短时间内实用化、产业化是我国科技工作者需要解决的重要问题，这对推动高新技术产业的发展具有重要意义。

文章来源于：光电汇