激光清洗技术原理及其应用进展.pdf

第 卷 第 期有色金属加工 年 月 :./.激光清洗技术原理及其应用进展张 飞陈泽伟张智宁黄辉宇吴惠芸平金峰(.汕头大学广东 汕头.汕头华兴冶金设备有限公司广东 汕头)收稿日期:基金项目:广东省科技专项基金()作者简介:张飞()男本科生研究方向:激光加工技术通讯作者:吴慧芸()女工程师研究方向:精密制造与先进加工摘 要:文章详细阐述了激光清洗技术的原理特点及其相对传统加工方式的优势并综述了激光清洗技术在一些生活中的常见应用场景关键词:激光清洗原理应用中图分类号:文献标识码:文章编号:()随着我国航空航天、石油化工、高铁、武器、核电等高端领域的不断发展各个装备组件所处的环境也发生相应变化对金属材料组件性能有着越来越高的要求 为提升装备整体性能延长零部件的使用寿命在不改变基体材料的前提下激光清洗技术得到了人们的广泛关注与研究 常见的工业清理方法有机械打磨清洗法、高压水射流清洗法、化学清洗法等但这些方法都有着工作效率低、环境恶劣容易对工件表面造成损伤且无法满足高清洁度和高精度的清洗要求而且有着相应的技术难点还在一定程度上对工作人员造成健康伤害 因此我们需探寻清洁更加高效且不损伤金属材质的清洗方法来更有效替代传统的清洗方法 激光清洗技术相对于传统方法则具有无需耗材辅料不会损伤金属器具清除的固体粉末易于收集对环境无污染的优点 本文将简要分析激光清洗方案工作的基本原理并详细阐述激光清洗技术在金属模具、船舶板块、飞机金属蒙皮及其他生活中常见领域的应用 激光清洗技术原理及特点激光清洗技术本质是去除固体表面不同材料和脏污粒子及膜层 激光清洗技术是通过光学系统聚焦及光斑整形后形成的具有特定光斑形状的激光束照射到被污染的需要清洗的材料位置以振动、熔化、燃烧甚至气化作用去除基体表面附着物的表面处理技术原理如图 所示图 激光清洗原理示意图整个清洗过程则是激光有规律高速扫描作用在表层带有污物的基材表面污物达到熔化或气化点直接燃烧汽化分解而脱离基材表面而激光作用在基材表面绝大部分都是被反射掉基本对基材不会造成损伤从而达到无污染无损伤的清洗效果 而整个激光清洗的实质是激光与污染层之间的化学作用 根据研究表明污染物和其所附着的物体表面之间的结合力主要为共价键、双偶极子等结合 激光清洗则是通过连续激光来克服污物与基体表面之间的作用力从而达到完成激光清洗的目的 常见的激光清洗方法有:()激光干洗法 即不采用辅助方法直接将激光辐射到基体表面主要适用于常见的脱漆除锈及工业生产中的金属表面处理 第 期有色金属加工()激光湿洗法 即先在基体表面覆盖一层液态介质再用激光辐射去污主要适用于文物的修复()惰性气体法 即在使用激光干洗法时将惰性气体释放至基体表面避免清洗过的表面被二次污染主要适用于航空、航天及精密机械材料的清洗()非腐蚀化学法 即先使用激光辐射基体表面将污物半脱离再用非腐蚀的化学药剂去除污物主要适用于石质材料的清洗总而言之激光清洗技术是一种不同于化学清洁液或其他传统清洗工艺的“绿色环保”的新技术 可有效清理微米或亚微米级别的微粒污物具有稳定性清洗效率高实现自动化程度高等优点 常见应用进展了解了激光清洗技术的基本原理可根据其不同特点对不同场景有所运用 本文将引用具体实验来简要介绍其中几种.金属模具金属模具在生活中很常见在实际使用过程中使用环境的温度、湿度、日晒程度、压力等可能导致金属模具与其他物品的微观干扰、反应等这些因素都有可能引起金属模具损坏因此需定期对其进行维护 由于人工维护成本高容易对工件表面造成损伤且对工作人员操作水平有较高要求 因此激光清洗技术清洗效率高对环境无污染的特点可以满足该领域的需求 这里举例 不锈钢表面污染物(图)的激光清污图 不锈钢截面氧化层形貌 不锈钢强度高、塑韧性好且耐腐蚀性能优异因此被广泛应用于核电站内部结构件中 传统清理方法为物理法与化学法 其中物理法主要为超声波法、高压水喷射法化学去污中循环浸泡法在我国核电站中应用较为常见但是去污效率低对基体腐蚀损伤较重还易产生二次废液大大影响去污效果据研究设计正交实验对各个影响参数进行合理的正交试验设计能够将复杂的参数优化过程简化确定合适的清洗梯度阈值实现工艺试验的优化再完成前期准备工作调整激光不同参数来测试激光对污染物的清洗效果对比清洗前和清洗后金属模具各个方面性能有无变化 根据相关实验得出激光清洗技术对 不锈钢样本清洗不仅能充分发挥其去污价值还不会对试验样本的表面特征以及结构等造成显著影响 由实验结果可知激光清洗对 不锈钢的清洗效果较好还可降低相关设施的能耗 激光清洗技术在这方面的应用可有效延缓 不锈钢在各种工作环境中的表面腐蚀速度对 不锈钢的生产与使用具有一定积极意义.船舶板材船舶长期在海洋环境中航行由于海水的腐蚀性船体板材会存在严重的锈蚀 船体上还有大量海洋生物附着物也会严重影响船舶的航行性能 钢板具有耐海洋环境腐蚀性因此被运用于船舶板材 目前船舶除漆除锈的传统清洗方式主要包括:机械打磨、喷砂处理、高压水射流、化学清洗等 传统清洗方式虽然基本满足船体清洗需求但是普遍存在劳动强度大对环境造成严重污染 部分产业激光清洗技术已非常成熟在很多行业被广泛应用在船舶板材清洗方面也有研究 基于船舱内可能存在的污染物对其表面进行腐蚀生锈、手工上漆以及涂抹油污等处理模拟船板待清洗的状态再利用激光清洗技术进行除漆除锈 对比激光清污前后(图)激光清污具有显著效果但激光清洗表面后仍需研究表面状态的改变是否对船板基体性能造成影响因此针对清洗前后的样品力学性能进行测试 经过对清洗前后试样的力学性能进行分析清洗工艺能够略微提升表层硬度和力学性能且硬度提升程度受到工艺参数的影响 因此可以认为激光清洗是一个无损过程仅会对表层硬度产生小幅提升 由实验可知激光清洗相对传统方法确实为一种更为环保、无污染的清污方式 但目前激光除漆的效率相对较低一个小时大约只能清洗零点几平方米远低于传统喷砂除漆效率 因此开发激光除漆后海洋装备的性能评估方法形成质量评价标准也是激光除漆技术产业化应用的重要支撑 有色金属加工第 卷()油污染表面()激光除油污后图 激光除油污前后表面微观形貌.飞机蒙皮在飞机高速飞行过程中飞机蒙皮表面油漆涂层容易出现老化、破损、脱落等现象极大地降低油漆涂层的防腐蚀效果和保护作用 因此航空航天材料表面蒙皮清理清洗是保证航空航天飞行器正常运作的基本保障 而传统除漆方式普遍存在效率低、耗能高、漆层去除厚度精度不足、表面均匀性差等缺点无法满足飞机蒙皮漆层的可控清除要求 激光清洗则是一种新型的表面清理技术逐步开始应用于航空航天材料表面清洗由于钛合金具有优良的力学性能 在现代工业中得到了广泛应用尤其是在航空领域 但由于钛合金属于典型的难加工难清洗材料传统的清理方案难以满足航空产业对零件加工精度、质量及加工效率等方面的要求 利用激光清洗在安全性、经济性、清洗效率、基材损伤等方面具有突出优势而且激光时空定位准确适用于飞机蒙皮上复杂形状的机身与结构件 因此激光清洗被认为是未来航空航天材料表面清洗领域最具前景的解决办法根据研究表明等采用脉冲激光对 钛合金表面涂层的清洗过程进行研究根据试验结果表明不同密度的激光清洗飞机蒙皮的效果大有不同如图 所示图 激光清洗 钛合金氧化膜表面结构随激光能量密度增加的演化差异图 但从整个清洗效果来看其横截面微观形貌如图 所示 激光清洗钛合金的机理以烧蚀作用为主并 第 期有色金属加工伴有膨胀振动作用 结果表明激光清洗通过光化学和光热烧蚀去除表面污染物钛合金在表面被清洗干净时都会轻微重熔并产生浅坑非常利于后续的涂覆或焊接处理图 激光清洗后的钛合金材料横截面综上所述激光清洗技术在飞机蒙皮上有着巨大优势 随着激光技术的完善达到航空航天领域高精度高稳定性的清洗要求可实现高效、无损的清洗效果 随着今后激光清洗系统设备的不断升级工艺技术的提升以及精度定位、自动控制、实时检测等相关技术的辅助配合这种无耗材、无污染的智能清洗工艺在航空航天领域的应用将会更加广泛.其他领域根据激光清洗技术精准定位、高效去除、适用基材泛等优点其应用价值不仅在上述场景在生活中的其他方面也有涉及这里简单介绍其他领域激光清洗技术的运用()文物清洗领域 在整个清洗过程控制激光清洗的强度对相应文物实现逐层级的微纳清洗 激光清洗技术已经广泛应用石质文物、金属、壁画类文物等 随着激光技术的持续发展针对不同类型的文物会有更加适合的激光系统和更加优化的清洗参数推动激光清洗技术在文化遗产修复和保护领域更加广泛的应用和发展()核生化洗消领域 通过激光清洗光去除装备表面的放射性物质、毒剂、生物战剂等避免或减轻核生化危害实现装备和物资的正常使用 由于不同洗消对象、不同污染物物理化学性质差异激光洗消的相关参数还需要进一步的研究()轨道车辆焊接领域 将激光清洗技术应用于自动焊接前去除油污及氧化膜过程中实现边清理边焊接的效果可省去型材组装前的除油打磨工序提高组装效率 但由于相关技术原因目前仍处于起步阶段 总结激光清洗技术是通过高能量密度的激光照射基体表面污染层实现热量集中聚集快速加热污染层与氧化层导致形成化学和物理反应实现污染层、杂质颗粒和氧化层等污染物脱离金属表面的新兴技术随着研究的深入激光清洗技术的应用会越来越广泛参考文献 吴嘉俊赵吉宾乔红超等.温度辅助激光冲击强化对 合金力学性能的影响.塑性工程学报():.林乔石敏球张欣等.激光清洗及其应用进展.广州化工.():./.:.郭绍雄陈玲李悦等.激光清洗的特点及应用.内蒙古科技与经济():.石玮玮李文豪孙辉等.激光清洗技术的应用及发展趋势研究.清洗世界():.张岩.金属表面的激光清洗技术及应用.激光技术与应用.():.段成红陈晓奎罗翔鹏.激光清洗在石化领域的应用前景浅析.光电工程():.陈绍龙温冰杨远忠等.激光清洗技术在工业锅炉冷壁上的应用.工业建筑():.王晨露冯圆媛尤文浩等.激光技术在文物保护中的应用.激光与光电子学进展():.郭晓艳.激光清洗原理及应用.科技资讯():.宋峰刘淑静牛孔贞等.激光清洗原理与应用研究.清洗世界():.王宏睿.激光清洗原理与应用研究.清洗世界():.郭绍雄陈玲李悦等.激光清洗的特点及应用.内蒙古科技与经济():.田彬邹万芳刘淑静等.激光干式除锈.清洗世界.():./:.:.():李峰西宋文秀索海生等.浅谈激光清洗技术在工业领域的应用.清洗世界():.有色金属加工第 卷 王轩刘媛李晓丽.不锈钢表面污染物激光清洗工艺试验及耐腐蚀性能研究.品牌与标准化():.魏少翀陆海峰刘省勇等.皮秒激光加工对 不锈钢性能的影响.热加工工艺():.解志欣孙文磊陶彦辉等.不锈钢表面污染物激光清洗工艺试验及耐腐蚀性能研究.应用激光():.王轩刘媛李晓丽.不锈钢表面污染物激光清洗工艺试验及耐腐蚀性能研究.品牌与标准化():.佟艳群上官剑锋任旭东等.激光除漆技术在船舶领域的应用.自动化与仪器仪表():.方世超.激光脱除船舶板材表面环氧漆的应用研究.武汉:湖北工业大学.李思凡王春明张威.基于激光清洗技术的船舶绿色清洗方法研究.应用激光():.杨嘉年周建忠孙奇等.基于响应面分析的激光除漆工艺参数优化.激光与光电子学进展():.侯红玲吴辰宫经珠等.激光切割钛合金飞机蒙皮及其力学性能研究.热加工工艺():.():.:.().():.佟艳群马健上官剑锋等.航空航天材料的激光清洗技术研究进展.航空制造技术():.李晨毓曲亮刘晓龙等.激光清洗技术在文物上的应用.中国文物科学研究():.郭家斌马健高缨等.激光清洗技术在核生化洗消领域的应用.应用激光():.张健程石来朴圣君等.激光清洗技术在轨道车辆铝合金焊接中的应用探究.机车车辆工艺():.(.):.:(上接第 页)./.:.:./.:./.():.():./.():.(.):.: