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工業(yè)應(yīng)用中的激光清洗技術(shù)

現(xiàn)代激光清洗技術(shù)高效且適應(yīng)性強(qiáng)，但必須考慮被去除材料的特性。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，工業(yè)應(yīng)用中用于表面清潔或更新的技術(shù)和設(shè)備一直保持不變。然而，近年來(lái)對(duì)改進(jìn)的需求急劇增長(zhǎng)。激光技術(shù)現(xiàn)在正在許多應(yīng)用中取代傳統(tǒng)的研磨和化學(xué)工藝，例如除銹、脫漆、脫脂、活化、修復(fù)、焊前/焊后接頭清潔、表面處理、去污和修復(fù)。作為一種清潔技術(shù)，激光越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樗鼈兙_、可控、高效，并且產(chǎn)生的廢物少。此外，低浪費(fèi)和高效率是激光清洗現(xiàn)在被認(rèn)為是“最環(huán)保”或最環(huán)保的表面清潔方法的主要原因。產(chǎn)生的唯一廢物是灰塵顆粒， 激光清洗使用聚焦光束去除污染物。術(shù)語(yǔ)“燒蝕”表示從表面去除材料的過(guò)程（圖 1），并伴隨著向外傳播的沖擊波，影響周圍的表面。激光的能量被表面材料吸收，從而產(chǎn)生消融產(chǎn)物的等離子體羽流。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種理論方法來(lái)描述消融過(guò)程1，并且已經(jīng)進(jìn)行了大量研究來(lái)測(cè)量不同條件下的消融參數(shù)。還測(cè)量了范圍從 0.1 到 10 J/sq cm 的各種金屬的燒蝕閾值，并且發(fā)現(xiàn)這些值取決于激光束波長(zhǎng)和脈沖持續(xù)時(shí)間2. 燒蝕率或被去除的材料量與激光功率的對(duì)數(shù)成正比。激光束吸收的效率取決于材料反射率、表面質(zhì)量以及表面污染物的性質(zhì)。 

當(dāng)用激光束處理材料時(shí)，它們的表面特性會(huì)發(fā)生變化。在某些應(yīng)用中，表面必須保持精細(xì)拋光，而在其他應(yīng)用中，表面需要粗糙。因此，為了成功完成表面處理，激光清洗技術(shù)應(yīng)考慮被清潔材料和材料的特性、表面質(zhì)量以及表面污染物的特性。即將被刪除。 表面預(yù)處理/后處理 激光清潔可以替代金屬表面的化學(xué)處理，這些金屬表面已經(jīng)為耐用和優(yōu)質(zhì)的釬焊、膠合或焊接連接做好了準(zhǔn)備?？梢允褂霉饫w激光器一步去除潤(rùn)滑油、油脂和水合物等物質(zhì)。激光在高頻下的低能量和短脈沖 (<1 mJ/脈沖) 使金屬表面保持其初始粗糙度。通過(guò)選擇正確的功率和性能模式，可以根據(jù)特殊要求修改表面輪廓，并且可以為任何連接工藝準(zhǔn)備表面。

激光預(yù)處理可以在未處理或涂層（例如粉末涂層）部件上獲得更好的附著力。激光清洗可去除頂層涂層和所有污染物，而不會(huì)損壞底層涂層。同時(shí)，該工藝在頂層提供了微粗糙度，從而提高了膠水或密封膠的附著力。作為釬焊/焊接后執(zhí)行的后處理程序，可以清潔接頭以去除熱污漬、變色或殘留物，例如氧化物和殘留的助焊劑材料。 為涂漆準(zhǔn)備金屬表面有時(shí)需要特殊的表面輪廓。如果假定涂漆部件承受很大的應(yīng)力，則需要較高的表面粗糙度。在這種打標(biāo)方式中可以使用激光來(lái)雕刻特定深度和臺(tái)階的凹槽網(wǎng)格。在處理金屬時(shí)，必須考慮反射率，尤其是在表面經(jīng)過(guò)拋光和清潔的情況下。鐿 (Yb) 光纖激光器（~1064 納米波長(zhǎng)）光的反射率范圍從 62.6%（鐵）到 97.3%（銅）。這種標(biāo)記制度通常需要更高的功率和/或更長(zhǎng)的處理時(shí)間，并且應(yīng)該精確地執(zhí)行，這可以通過(guò)使用良好聚焦光束的穩(wěn)定設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。 修復(fù)和翻新：除銹是最著名的激光清潔應(yīng)用之一。鐵銹具有高吸收性；因此，薄層可以像潤(rùn)滑油一樣輕松去除，使激光成為一種強(qiáng)大的工具。汽車行業(yè)廣泛采用類似的翻新應(yīng)用，例如去除污垢或陽(yáng)極氧化飾面以及翻新不銹鋼零件（圖 4）。對(duì)于這些應(yīng)用，可以使用 Q 開(kāi)關(guān)光纖激光清潔器，包括固定式和便攜式清潔機(jī)。 在涉及重型制造的造船業(yè)等行業(yè)中，去除厚厚的銹層可能是一項(xiàng)更艱巨的任務(wù)。通常，當(dāng)大量材料被去除時(shí)，會(huì)在激光束的路徑上產(chǎn)生向上流動(dòng)的灰塵和等離子體羽流。這些顆粒的存在部分會(huì)導(dǎo)致光束遮蔽，部分會(huì)導(dǎo)致激光束與灰塵的相互作用，從而可能將廢物熔化回表面并產(chǎn)生難以去除的二次污染。這些應(yīng)用需要更高功率 (100-W) 的激光裝置以及用于除塵和除塵的附加設(shè)備。 或者，某些應(yīng)用程序（例如清洗考古文物）需要更溫和的方法。在一項(xiàng)關(guān)于激光清洗對(duì)腐蝕的鐵合金的波長(zhǎng)相關(guān)吸收和散射效應(yīng)的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在 532 nm 波長(zhǎng)下運(yùn)行的具有 8 ns 脈沖持續(xù)時(shí)間的 Nd:YAG 激光器可以安全地從 19 到世紀(jì)鱗甲3。通常，脈沖持續(xù)時(shí)間的縮短會(huì)導(dǎo)致材料表面的第一層燒蝕，因?yàn)闊崃坎粫?huì)滲透得太深。同時(shí)，短脈沖可以具有顯著的功率密度，因?yàn)槟芰酷尫潘俣瓤臁?/span>