0 引言

表面涂裝行業(yè)作為機(jī)械加工的輔助及協(xié)作工序 , 為機(jī)加產(chǎn)品提供防護(hù)及裝飾性 , 大大提高了產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性及外觀 . 但在產(chǎn)品涂裝前 , 表面的油污及銹蝕需清理干凈 , 否則會(huì)對(duì)涂層的附著力產(chǎn)生很大的影響 , 特別是對(duì)涂層防護(hù)性能要求高的產(chǎn)品 , 表面清潔度更是要求嚴(yán)格 , 傳統(tǒng)的表面清理方法主要有 : 有機(jī)溶劑除油 , 機(jī)械打磨除銹、電化學(xué)除油、噴砂、化學(xué)清洗 , 超聲波清洗等。其中有機(jī)溶劑除油、機(jī)械打磨除銹等工作環(huán)境差、處理質(zhì)量不高 : 電化學(xué)除油、噴砂、化學(xué)清洗 , 超聲波清洗雖然效果好 ,但也存在著廢液處理、噪聲 , 粉塵等問(wèn)題。隨著產(chǎn)品加工質(zhì)量越來(lái)越高 ,環(huán)境保護(hù)日趨嚴(yán)格 , 傳統(tǒng)表面處理手段應(yīng)用也受到越來(lái)越多的限制。亟需新的表面前處理技術(shù) , 激光清洗技術(shù)作為一種另辟蹊徑的表面處理手段 ,顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在表面涂裝中有望發(fā)揮其強(qiáng)大的清洗能力。

1 激光清洗原理

激光清洗技術(shù)是利用激光高能、高重復(fù)頻率、高功率的特性 , 將激光束照射在需清洗表面的較小區(qū)域 , 利用激光瞬間的高能量實(shí)現(xiàn)對(duì)表面的清洗。

激光清洗具有如下特點(diǎn) :

1） 清洗效率高 , 激光直接照射在在待清洗表面 , 清洗參數(shù)調(diào)整好后 ,清洗一步到位 , 無(wú)需進(jìn)行預(yù)先除油或除銹及水洗等工序。

2） 清洗效果好 , 激光清洗可徹底清除物體表面的銹蝕及油污等 , 清洗等級(jí)可達(dá) Sa3 級(jí)。

3） 激光清洗是非接觸式的 , 可清洗其他清洗方法不易處理的部位 ; 采用合適的清洗參數(shù) , 對(duì)表面基體狀態(tài)幾乎無(wú)影響。

4） 不需要化學(xué)溶液 , 無(wú)需處理令人頭疼的廢液排放及污染問(wèn)題。？清除下來(lái)的廢料基本上都是固體粉末、體積小、易于存放及處理 , 使用時(shí)噪聲小 , 對(duì)環(huán)境造成的污染小。

5）設(shè)備簡(jiǎn)潔 , 體積小 , 可移動(dòng) ,可與機(jī)器人或機(jī)床結(jié)合 , 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)及遠(yuǎn)距離操作。

2 激光清洗的發(fā)展概述

20 世紀(jì) 80 年代 , 半導(dǎo)體行業(yè)的高速發(fā)展對(duì)硅晶元掩模表面的污染微粒的清洗技術(shù)提出了更高的要求 , 其關(guān)鍵點(diǎn)在于克服污染微顆粒與基材之間極大的吸附力 , 傳統(tǒng)的化學(xué)清洗、機(jī)械清洗、超聲清洗方法均無(wú)法滿足需求 , 而激光清洗可以解決此類污染問(wèn)題，相關(guān)研究與應(yīng)用得到迅速發(fā)展。1987 年 , 首次出現(xiàn)了關(guān)于激光清洗的專利申請(qǐng)。

20 世紀(jì) 90 年代后 ,Zapka 等成功將激光清洗技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體制造工藝 , 去除了掩模表面的微顆粒 , 實(shí)現(xiàn)了早期激光清洗技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。1995 年 , 研究者使用 2kw 的TEA-CO 2 激光器成功實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)機(jī)身涂層的清洗。

進(jìn)入 21 世紀(jì)后 , 隨著超短脈沖激光器的高速發(fā)展 , 國(guó)內(nèi)外對(duì)激光清洗技術(shù)的研究和應(yīng)用逐步增多 , 重點(diǎn)集中在金屬材料表面 , 國(guó)外的典型應(yīng)用有飛機(jī)機(jī)身脫漆、模具表面除油污、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部除積碳和焊前接頭的表面清理等。美國(guó)愛(ài)迪生焊接研究所用激光清洗了 F-16 戰(zhàn)機(jī)。

值得一提的是 , 先進(jìn)復(fù)合材料部件的激光脫漆研究與應(yīng)用也是一大熱點(diǎn) . 美國(guó)海軍 H-53、H-56 直升機(jī)的螺旋槳葉片和 F16 戰(zhàn)斗機(jī)的平尾等復(fù)合材料表面均已實(shí)現(xiàn)激光脫漆應(yīng)用。

Adaptlaser 公司給奧迪 TT 汽車生產(chǎn)線提供了光纖激光清洗裝備 , 以清洗輕質(zhì)鋁合金車門框表面的氧化膜。英國(guó)Rolls-Royce 公司用激光清洗了鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件表面的氧化膜。此外 ,利用激光清洗技術(shù)對(duì) CFRP 復(fù)合材料膠接前接頭進(jìn)行表面處理以提高接頭強(qiáng)度是當(dāng)前的研究重點(diǎn)之一。“????可以看出 , 激光清洗技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展應(yīng)用中，主要是進(jìn)行表面除油、除銹、退漆、去除污染物及提高表面潔凈度。？激光清洗的這些功能 , 對(duì)于表面涂裝前處理幾近于量身定制 , 將激光清洗技術(shù)與表面涂裝進(jìn)行結(jié)合 ,對(duì)于表面涂裝前處理的技術(shù)進(jìn)步具有很大促進(jìn)作用。

3 激光清洗參數(shù)

激光清洗的主要參數(shù)有激光波長(zhǎng)、能量密度、脈沖次數(shù)以及清洗閥值和損傷閥值等 , 這些參數(shù)都對(duì)清洗效果有著重要影響。

1）激光波長(zhǎng)

波長(zhǎng)越短產(chǎn)生清洗作用所需的最低能量密度（以下稱為閥值能量密度）越小。可見(jiàn)為了獲得徹底的清洗效果 ,激光清洗宜選用較短的波長(zhǎng)。對(duì)于特定激光能量密度 , 波長(zhǎng)越短其清洗力峰值越高，從而可獲得更高的潔凈度。

2） 能量密度

單位面積清洗力峰值隨能量密度線性增加。當(dāng)能量密度過(guò)低 , 單位面積清洗力太小時(shí)，不能產(chǎn)生清洗效果。對(duì)一定波長(zhǎng)的激光束 , 只有當(dāng)能量密度達(dá)到某一定值，才能產(chǎn)生清洗效果。這時(shí)的能量密度就是該波長(zhǎng)激光束開(kāi)始產(chǎn)生清洗效果的閥值。

3） 脈沖次數(shù)

在高于能量密度閥值的脈沖激光束照射下 , 物體表面的潔凈度隨脈沖次數(shù)增加而提高。在同種能量密度下 ,潔凈度隨脈沖次數(shù)增加而提高。為避免損傷被清洗物體表面 , 可采用較低的能量密度 , 增加脈沖次數(shù)來(lái)獲得高的潔凈度。在不損傷表面條件下 , 選用較高的能量密度，可減少脈沖次數(shù)，提高清洗效率 .

4）清洗閥值和損傷閥值

激光清洗在清洗過(guò)程中，一方面，當(dāng)激光功率密度超過(guò)某一閾值時(shí) , 清洗效果雖然存在 , 但是物體表面也已損傷 , 該閾值稱為損傷閾值 ; 另一方面，當(dāng)激光功率密度低于某一閾值時(shí)，即使延長(zhǎng)激光清洗時(shí)間 , 也無(wú)任何清洗效果 , 該閾值稱為清洗閾值。因此 ,為保證激光對(duì)物體表面的影響最小 ,必須對(duì)激光的能量進(jìn)行調(diào)整 , 使激光能量處于清洗閥值和損傷閥值之間 ,從而達(dá)到良好的清洗效果 , 而對(duì)物體表面不產(chǎn)生損傷。 [2]

4 激光清洗方法

激光清洗的方法可以分成以下幾類。

1） 激光干洗法。即采用脈沖激光直接輻射去污 ; 激光被基體或粒子吸收后 , 產(chǎn)生振動(dòng) , 從而使基體和污染物分離。

2） 激光液膜的方法。即首先沉積一層液膜于基體表面 , 然后用激光輻射去污。

3） 激光 + 惰性氣體的方法。即激光輻射的同時(shí) , 用惰性氣體吹向工件表面 , 當(dāng)污物從表面剝離后 , 就被氣體遠(yuǎn)遠(yuǎn)吹離表面 , 避免清潔表面再次污染和氧化 ; [3]

5 激光清洗在涂裝中的應(yīng)用

產(chǎn)品涂裝前 , 表面或存在銹蝕、油污、附著物、膠粘接劑或舊漆層等中的一種或幾種 , 通常需進(jìn)行前處理將這些污染物清理掉 , 否則將影響后續(xù)涂裝質(zhì)量 , 嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致整個(gè)涂層重新返工。因此 , 涂裝前處理的好壞對(duì)涂層質(zhì)量有著相當(dāng)大的影響。采用激光清洗技術(shù)進(jìn)行除油、除銹、退漆、脫膠等前處理 , 可發(fā)揮獨(dú)特作用。

1）激光除油

大多數(shù)產(chǎn)品涂裝前除油采用的手段是有機(jī)溶劑除油或電化學(xué)除油。但使用有機(jī)溶劑或電化學(xué)除油存在如下缺點(diǎn) : 有機(jī)溶劑除油雖可除去大部分油污 , 但是并不徹底 , 達(dá)不到高潔凈度要求 , 特別對(duì)一些水性涂料 , 會(huì)對(duì)附著力產(chǎn)生明顯影響。有機(jī)溶劑易燃易爆 , 安全風(fēng)險(xiǎn)大。有機(jī)溶劑大多數(shù)含有酮類、甲苯、二甲苯等 , 人體長(zhǎng)期接觸有機(jī)溶劑對(duì)身體健康產(chǎn)生危害。

電化學(xué)除油需采用槽液 , 對(duì)某些產(chǎn)品并不適合 , 且槽液需進(jìn)行環(huán)保處理達(dá)標(biāo)后才能排放。

通常油污多數(shù)為長(zhǎng)鏈烷烴類 , 與產(chǎn)品表面基體結(jié)合力多數(shù)為范德瓦爾斯力和靜電力。當(dāng)采用激光清洗時(shí) ,照射在油污上的激光束可產(chǎn)生幾千度甚至幾萬(wàn)度的高溫 , 當(dāng)激光能量大于有機(jī)分子中的 C-C,0-0、H-O,H-H,C-H,N-H 等化學(xué)鍵的鍵能時(shí) , 將導(dǎo)致這些鍵斷裂 , 從而將大分子物質(zhì)分解成小分子物質(zhì) , 使油污瞬間蒸發(fā)、氣化或分解。控制調(diào)整激光的能量密度 , 光束照射到表面固態(tài)油污時(shí) , 使油污受熱膨脹 , 當(dāng)油污的膨脹力大于對(duì)基體的吸附力時(shí) , 便會(huì)脫離物體的表血。同時(shí)激光還可以通過(guò)在表面產(chǎn)生沖擊波 , 使塊狀油污破碎脫洛。

2）除銹

橋梁、鋼結(jié)構(gòu)、船體、鐵架、發(fā)射塔等在長(zhǎng)期使用過(guò)程中 , 經(jīng)受外界環(huán)境惡劣 , 表面易產(chǎn)生銹蝕 , 通常銹蝕嚴(yán)重且面積大。采用常規(guī)手工除銹、機(jī)械打磨或噴砂等具有如下缺點(diǎn) , 手工及機(jī)械打磨除銹質(zhì)量差 , 效率低 ,除銹效果不徹底 , 達(dá)不到高潔凈度要求 , 會(huì)對(duì)涂層附著力產(chǎn)生明顯影響。

某些形狀復(fù)雜的部位存在無(wú)法進(jìn)行除銹的情況。

噴砂雖然除銹效果好 , 但使用受到諸多限制 , 且噴砂對(duì)表面狀態(tài)有影響。噴砂過(guò)程中 , 產(chǎn)生大量粉塵及噪音 , 環(huán)境污染大。

鋼鐵表面的銹蝕及氧化皮為氧化鐵之類的物質(zhì)，其中鐵銹附著較為疏松，而氧化皮則附著牢固。采用激光清洗可有效的除去表面銹蝕及氧化皮 , 當(dāng)表面受到激光照射時(shí) , 較為牢固的銹蝕或氧化皮受熱膨脹。與機(jī)體表面產(chǎn)生應(yīng)力 , 同時(shí)激光通過(guò)在表面產(chǎn)生沖擊波，使塊狀銹蝕或氧化皮破碎脫落。

當(dāng)激光功率足夠時(shí) , 激光束在銹蝕及氧化皮上產(chǎn)生幾千度甚至幾萬(wàn)度的高溫 , 使銹蝕及氧化皮瞬間蒸發(fā)。

3）脫漆

當(dāng)產(chǎn)品表面涂層因老化或維修等原因而需要重新涂覆時(shí) , 表面的舊漆層則需進(jìn)行去除 , 傳統(tǒng)的脫漆方法有手工鏟除、機(jī)械打磨、噴砂或使用脫漆劑。人工鏟除及機(jī)械打磨除漆工作效率低、成本高 ; 噴砂工作環(huán)境惡劣 ,對(duì)表面狀態(tài)影響大 ; 退漆劑對(duì)皮膚及眼晴有強(qiáng)烈刺激和傷害 , 且廢液難于處理。？使用激光清洗 , 只需調(diào)整好清洗參數(shù) , 可以又快又好的去除表面漆層 , 在脫除過(guò)程中 , 可以方便的實(shí)現(xiàn)局部指定部位脫漆 , 未脫漆的部位不受影響 , 實(shí)現(xiàn)可控脫漆。采用激光脫漆 , 脫漆效率高 , 脫漆徹底。

4）脫膠

在產(chǎn)品組裝及裝配過(guò)程中 , 經(jīng)常會(huì)使用各種膠粘接劑 , 其中的一些膠粘接劑非常強(qiáng)力 , 當(dāng)粘接劑外溢或污染了表面而需去除時(shí) , 如何脫膠成了一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。常規(guī)方法是化學(xué)試劑或溶劑擦洗 , 但部分膠粘接劑固化后抗溶劑性能或化學(xué)試劑性能很好 , 難于清理干凈徹底 , 清膠成了一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。由于粘接劑大多數(shù)為有機(jī)高分子 , 與有機(jī)涂料類似 ,采用激光清洗則可對(duì)粘接劑清洗提供很好的解決方法 , 它的清洗原理與除油除漆類似，比常規(guī)清膠效率高很多。

除此之外 , 激光清洗還可以與其他方法進(jìn)行結(jié)合 , 如采用前處理或經(jīng)過(guò)嚴(yán)格過(guò)濾和干燥的惰性氣體 , 可以減小激光清洗的清洗閥值 , 可以進(jìn)一步提高效率和清洗潔凈度。

6 國(guó)內(nèi)激光清洗技術(shù)及設(shè)備發(fā)展

近年來(lái)，隨著產(chǎn)品制造技術(shù)升級(jí)，激光清洗技術(shù)在國(guó)內(nèi)也得到了較大的發(fā)展 , 顯著的變化是 , 國(guó)內(nèi)對(duì)激光清洗技術(shù)在工業(yè)各領(lǐng)域的應(yīng)用及設(shè)備開(kāi)發(fā)開(kāi)展了大量的研究工作。例如 , 哈爾濱工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了汽車熱成型鋼表面 A1-Si 涂層去除、鋼鐵表面除銹 ,航天鋁合金及鈦合金焊前除氧化膜、鋁基復(fù)合材料表面除污物、陶瓷材料的清洗等研究 : 中國(guó)工程物理研究院八所研制了輪胎模具清洗 , 表面脫漆除銹、文物清洗設(shè)備 : 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所在雷達(dá) T/R組件制造中運(yùn)用了激光清洗技術(shù) ; 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心與北京國(guó)科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司共同研制高重頻高能量激光清洗設(shè)備 , 并進(jìn)行了除銹性能研究 ;北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院開(kāi)展了正畸托槽底板殘余粘結(jié)劑的激光清洗技術(shù)研究 ; 上海臨仕激光科技有限公司開(kāi)展了渦輪葉片、航天進(jìn)氣道 （ 鈦合金 ） 及輕質(zhì)合金焊前的表面清洗工藝研究并開(kāi)發(fā)出激光清洗裝備 ; 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開(kāi)展了核電管道內(nèi)部污物的清洗工藝探索 ; 大族激光科技股份有限公司開(kāi)展了去除行星輪架 （ 鑄鋁 ） 和從動(dòng)錐齒輪表面的氧化物、銅件表面的氧化物、活塞表面的石墨以及鋸片表面的油漆工藝探索 ; 蘇州大學(xué)開(kāi)展了汽車蝸殼除銹、軌道養(yǎng)護(hù)除污物和絕緣瓷瓶除垢等激光清洗方面的研究。 [4]

與此同時(shí) , 激光清洗設(shè)備在國(guó)內(nèi)也得到了很大發(fā)展 , 激光清洗設(shè)備價(jià)格大幅下降 , 為更多用戶使用激光清洗設(shè)備提供了可能 , 國(guó)內(nèi)從事激光清洗設(shè)備廠家有大族激光、華工激光、銘鐳激光、帝耐激光、昆山凱研、華工、邁銳捷激光、匯澤激光、瑞豐光電、翔明激光等等 ,雖然激光清洗設(shè)備雖然出現(xiàn)了大幅下降 , 但相對(duì)于手工及機(jī)械除銹設(shè)備來(lái)說(shuō) , 一次性投入價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)還是較高 , 通常數(shù)十萬(wàn)元 , 但相對(duì)于表面涂裝所使用的其他清洗手段 , 激光清洗在使用及維護(hù)費(fèi)用、廢物后處理、人力費(fèi)用、環(huán)保方面所花費(fèi)用低的多 , 在表面涂裝行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[2] 林偉成 . 激光清洗技術(shù)在雷達(dá) T/R 組件制造中的運(yùn)用 [J]. 電子工藝技術(shù) ,2013（11）：354.

[3] 宋峰 , 劉淑靜 , 牛孔貞 , 李訓(xùn)譜 . 激光清洗原理與應(yīng)用研究 [J]. 清洗世界 ,2005（1）：2[4] 雷正龍 , 田澤 , 陳彥賓 . 工業(yè)領(lǐng)域的激光清洗技術(shù) [J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展 ,2018（030005）：10.