本帖最后由 twq19810302 于 2022-11-8 10:28 編輯
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2 Y: ^! B& K* h+ B) E' T% Y一直以來(lái)，我國(guó)制造業(yè)的表面處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于生產(chǎn),，這也極大限制了制造業(yè)由大轉(zhuǎn)強(qiáng)的進(jìn)程,。隨著“十四五”戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施,，特別是高端制造及節(jié)能減排對(duì)于先進(jìn)工藝的需求愈發(fā)迫切,。在表面處理方面,，國(guó)內(nèi)亟待技術(shù)和工藝全面升級(jí),。傳統(tǒng)的清洗工藝如機(jī)械摩擦清洗,、化學(xué)腐蝕清洗、強(qiáng)力沖擊清洗,、高頻超聲清洗等方法,，不僅清洗周期長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,，對(duì)環(huán)境造成有害影響,，且達(dá)不到理想的清潔效果，無(wú)法很好滿足精細(xì)化加工需求,。: u. x" r( \$ S7 p/ w Q
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但隨著環(huán)境保護(hù),、高效率和高精度的矛盾日益突出，其應(yīng)用受到很大的挑戰(zhàn),。與此同時(shí),，各種有利于環(huán)境保護(hù)、適用于超精加工領(lǐng)域零件的清洗技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,，激光清洗技術(shù)就是其中之一,。 ) M, d" p' y. ~3 n' k2 o
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激光清洗概念
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激光清洗是利用聚焦的激光作用在材料表面,，使表面的污染物迅速汽化或剝離，從而實(shí)現(xiàn)材料表面清洗的技術(shù),。相對(duì)于各類傳統(tǒng)的物理或化學(xué)的清洗方式,，激光清洗具備無(wú)接觸、無(wú)耗材,、無(wú)污染,、精度高、無(wú)損傷或損傷小等特點(diǎn),，是新一代工業(yè)清洗技術(shù)的理想選擇,。
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激光清洗原理 , t' r5 O9 }4 V1 p9 R9 G+ O, a
激光清洗的原理比較復(fù)雜，可能同時(shí)包含物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程,，在比較多的情況下是以物理過(guò)程為主,，伴隨著部分化學(xué)反應(yīng)。主要過(guò)程可以歸納為三類,，包括氣化過(guò)程,、沖擊過(guò)程和振蕩過(guò)程。 5 P" P3 d% Z( w v6 a
氣化過(guò)程
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當(dāng)高能量的激光照射到材料表面時(shí),，表面吸收激光能量轉(zhuǎn)換成內(nèi)能,，使表面溫度迅速升高,，達(dá)到材料的汽化溫度以上,，從而使污染物以蒸汽的形式脫離材料表面。在表面污染物對(duì)激光的吸收率明顯高于基材對(duì)激光的吸收率時(shí),，通常會(huì)發(fā)生選擇性汽化,，比較典型的應(yīng)用案例是石材表面的臟污清理。如下圖所示,，石材表面的污染物對(duì)激光的吸收較強(qiáng),，迅速被汽化。當(dāng)污染物被清除干凈,，激光照射到石材表面時(shí),，吸收較弱，較多的激光能量被石材表面散射,，石材表面的溫度變化小,，石材表面因此而得到保護(hù)，不受損傷,。 + ?0 g& P% j. K
以化學(xué)作用為主的典型過(guò)程則是在采用紫外波段的激光進(jìn)行清洗有機(jī)污染物時(shí)發(fā)生,，被稱作激光消融（Ablation）。紫外激光的波長(zhǎng)較短,，光子能量高,，比如KrF準(zhǔn)分子激光,，波長(zhǎng)248nm，光子能量高達(dá)5 eV,，超過(guò)CO2激光光子能量（0.12 eV）的40倍,。這么高的光子能量足以破壞有機(jī)物的分子鍵，使有機(jī)污染物中的C-C,、C-H,、C-O等在吸收激光的光子能量后發(fā)生斷裂，從而產(chǎn)生裂解氣化,，從表面清除,。
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沖擊過(guò)程 ( y$ B$ A U* X% Z, o( J
沖擊過(guò)程是在激光與材料作用過(guò)程中，發(fā)生的一系列反應(yīng),，進(jìn)而形成的對(duì)材料表面的沖擊波,。在沖擊波的作用下，表面污染物發(fā)生碎裂,，變成粉塵或碎片從表面剝離,。造成沖擊波的機(jī)理有多種，包括等離子體,、蒸汽,、急劇的熱脹冷縮現(xiàn)象等。以等離子體沖擊波為例,，可以簡(jiǎn)要了解一下激光清洗中的沖擊過(guò)程是如何將表面污染物去除的,。隨著超短脈寬（ns）、超高峰值功率（107– 1010 W/cm2）激光器的應(yīng)用,，即使表面對(duì)激光的吸收較弱的情況下,，表面溫度依然會(huì)急劇升高，瞬間達(dá)到汽化溫度以上,，形成在材料表面上方的蒸氣,，如下圖中（a）所示。蒸氣的溫度可達(dá)到104 - 105 K,，可以使蒸氣本身或周圍的空氣發(fā)生電離,，形成等離子體。等離子體會(huì)阻擋激光到達(dá)材料表面,，材料表面的汽化可能會(huì)停止,，但是等離子體會(huì)繼續(xù)吸收激光能量，溫度持續(xù)升高,，形成一個(gè)局部的超高溫超高壓的狀態(tài),，對(duì)材料表面產(chǎn)生1-100 kbar的瞬時(shí)沖擊，并逐步向材料內(nèi)部傳遞,，如下圖（b）和（c）所示,。在沖擊波作用下,，表面污染物發(fā)生碎裂，變成微小的粉塵,、顆�,；蛘咚槠．�(dāng)激光從照射位置移開后,，等離子體隨即消失,，局部產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，污染物的微�,；蛩槠粡谋砻嬉瞥�,，如下圖（d）所示。
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振蕩過(guò)程 $ V% J' R. E' L2 n/ i
短脈沖作用下,，材料升溫和降溫的過(guò)程都極其迅速,。由于不同的材料，其熱膨脹系數(shù)不同,，因此在短脈沖激光照射下,，表面污染物和基體會(huì)發(fā)生高頻次的不同程度的熱脹冷縮，產(chǎn)生振蕩作用,，使污染物從材料表面剝落,。在此剝落過(guò)程中，可能不會(huì)發(fā)生材料的汽化,，也不一定會(huì)產(chǎn)生等離子體,，而是依靠振蕩作用下，在污染物與基材界面形成的剪切力破壞了污染物與基材的結(jié)合,。研究表明,，當(dāng)激光的入射角稍微加大時(shí),，可以增加激光與顆粒污染物和基材界面的接觸,，降低激光清洗的閾值，振蕩作用更加明顯,，清洗效率更高,。但是入射角也不宜過(guò)大，太大的入射角會(huì)降低作用在材料表面的能量密度,，減弱激光的清洗能力,。
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激光清洗的行業(yè)應(yīng)用 # f1 I* {% J. ^
1、模具行業(yè) 激光可實(shí)現(xiàn)模具無(wú)接觸清洗,，對(duì)模具表面十分安全,，可以確保其精度，并且可以清洗傳統(tǒng)清洗方法無(wú)法清除的亞微米級(jí)污物顆粒,，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)污染,、高效,、高質(zhì)清洗。 激光清洗模具效果對(duì)比 4 ]! a9 a1 h2 \/ {+ ^3 F
2,、精密儀器工業(yè) 精密機(jī)械工業(yè)常常需對(duì)零件上用來(lái)潤(rùn)滑和抗腐蝕的酯類及礦物油加以清除,，通常是用化學(xué)方法，而化學(xué)清洗往往仍有殘留物,。激光去酯可以將酯類及礦物油完全去除,，不損傷零件表面。激光促使零件表面氧化物薄層爆炸性氣化形成了沖擊波,，導(dǎo)致污物去除,，而非機(jī)械互作用。 激光清洗鋰電池極耳,、PCB除膠除塵
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3,、鋼軌行業(yè) 目前，鋼軌焊前清洗全部采用砂輪,、砂帶打磨式清洗,，基材損傷嚴(yán)重，殘余應(yīng)力嚴(yán)重,，并且每年消耗大量砂輪耗材,，成本高，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重粉塵污染,。激光清洗可為我國(guó)高速鐵路鋪軌生產(chǎn)提供高質(zhì),、高效的綠色清洗技術(shù)，解決以上問(wèn)題,，消除無(wú)縫鐵軌孔洞,、灰斑等焊接缺陷，提高我國(guó)高速鐵路運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性,。 激光清洗軌道效果對(duì)比圖
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4,、航空行業(yè) 飛機(jī)的表面過(guò)一定時(shí)間后要重新噴漆，但是噴漆之前需要將原來(lái)的舊漆完全除去,�,；瘜W(xué)浸泡/擦拭是航空領(lǐng)域的主要脫漆方法，該方法造成了大量化學(xué)附屬?gòu)U物,，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)局部檢修脫漆,，該工序工作量繁重、危害健康,。激光清洗可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)蒙皮表面涂漆的高質(zhì)量去除,，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。目前,，該技術(shù)在國(guó)外已開始應(yīng)用于部分高端機(jī)型的維護(hù),。 激光清洗飛機(jī)蒙皮效果圖
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5,、船舶行業(yè) 目前船舶產(chǎn)前清洗主要采用噴砂方法，噴砂方法對(duì)周圍環(huán)境造成了嚴(yán)重的粉塵污染,，已逐漸被禁用,，從而導(dǎo)致船舶生產(chǎn)企業(yè)的減產(chǎn)，甚至停產(chǎn),。激光清洗技術(shù)將為船舶表面防腐噴涂提供綠色無(wú)污染清洗方案,。 ▲寶宇激光清洗應(yīng)用于船舶清洗效果的展示
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當(dāng)今先進(jìn)制造業(yè)已成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，激光制造是我國(guó)“十三五”期間部署的重點(diǎn)任務(wù),，激光清洗技術(shù)作為激光制造中的一種先進(jìn)技術(shù),，在工業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用價(jià)值潛力巨大，大力發(fā)展激光清洗技術(shù)對(duì)我國(guó)高端激光制造技術(shù)與裝備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的大幅提升,、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義,。
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發(fā)表于 2022-11-8 10:26:58
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