近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，給世界各國(guó)清潔行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。各種有利于環(huán)保的清洗技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，激光清洗機(jī)就是其中之一

激光清洗機(jī)利用高能激光束照射工件表面，使表面的污垢、鐵銹或涂層瞬間蒸發(fā)或剝落，高速有效去除清潔物體表面的附著物或表面涂層，從而實(shí)現(xiàn)清潔過(guò)程。這是一項(xiàng)基于激光與材料相互作用效應(yīng)的新技術(shù)。與機(jī)械清洗、化學(xué)腐蝕清洗、液固強(qiáng)沖擊清洗、高頻超聲波清洗等傳統(tǒng)清洗方法相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。高效、快速、低成本，對(duì)基板的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷小，清洗無(wú)破壞性；廢物可回收利用，無(wú)環(huán)境污染物，安全可靠，不損害操作人員健康，可去除不同厚度和成分的涂料。清洗、自動(dòng)控制、遙控清洗等

激光清洗機(jī)的原理和方法

激光具有高方向性、單色性、高相干性和高亮度的特點(diǎn)。通過(guò)透鏡的聚焦和切換，能量可以集中在非常小的空間和時(shí)間范圍內(nèi)。在激光清洗過(guò)程中，主要使用以下激光特性：

1。激光可以實(shí)現(xiàn)能量在時(shí)間和空間上的高度集中。聚焦的激光束可以在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生數(shù)千度甚至數(shù)萬(wàn)度的高溫，因此污垢可以立即蒸發(fā)、蒸發(fā)或分解。激光束發(fā)散角小，方向性好。激光束可以通過(guò)聚焦系統(tǒng)聚焦成不同直徑的光斑。在相同激光能量條件下，控制不同直徑的激光光斑，可以調(diào)節(jié)激光能量密度，使污垢受熱膨脹。當(dāng)污垢的膨脹力大于基質(zhì)上污垢的吸附力時(shí)，污垢將從物體表面分離

3。激光束能在固體表面產(chǎn)生超聲波，產(chǎn)生機(jī)械共振，破碎和脫落污垢

激光清洗機(jī)利用上述激光的特性達(dá)到清洗目的。根據(jù)待清洗基板和待去除污垢的光學(xué)特性，激光清洗機(jī)理可分為兩類：一類是清洗基板（也稱為基質(zhì)）和表面附著（污垢）在一定波長(zhǎng)下對(duì)激光能量的吸收系數(shù)非常不同。輻射到表面的大部分激光能量被表面附件吸收，表面附件被加熱或蒸發(fā)，或瞬間膨脹，并由形成的氣流驅(qū)動(dòng)與物體表面分離，以達(dá)到清潔的目的?；宀粫?huì)被損壞，因?yàn)樵摬ㄩL(zhǎng)下的激光吸收能量非常小。對(duì)于這種激光清洗，選擇合適的波長(zhǎng)和控制激光能量是實(shí)現(xiàn)安全高效清洗的關(guān)鍵

另一種清洗方法適用于清洗基板，基板和表面附著體之間的激光能量吸收系數(shù)相差不大，或者基材對(duì)加熱涂層形成的酸蒸汽更敏感，或者加熱涂層后會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)。這種方法通常使用高功率、高重復(fù)頻率的脈沖激光對(duì)清潔表面進(jìn)行沖擊，將部分光束轉(zhuǎn)換為聲波。聲波擊中較低硬表面后，返回的零件會(huì)干擾激光產(chǎn)生的入射聲波，產(chǎn)生高能波，導(dǎo)致涂層發(fā)生小規(guī)模爆炸。將涂層壓成粉末，然后用真空泵去除，但不會(huì)損壞下面的基材

有四種激光清洗方法：1。激光干洗法，即脈沖激光直接輻射去污；2.激光液膜法，即先在基板表面沉積一層液膜，然后用激光輻射去污；當(dāng)激光照射液膜時(shí)，液膜被迅速加熱，導(dǎo)致爆炸性蒸發(fā)，爆炸性沖擊波使基板表面的污垢松動(dòng)。并利用沖擊波飛離加工物體表面，達(dá)到去污的目的。3.激光惰性氣體法，即在激光輻射的同時(shí)，將惰性氣體吹到基板表面。當(dāng)污垢從表面剝離時(shí)，立即用氣體將其吹離表面，以避免再次污染和表面氧化；4.激光松動(dòng)污垢后，采用非腐蝕性化學(xué)方法進(jìn)行清洗。目前，前三種方法是常用的。第四種方法僅適用于石材文物的清洗，完整的激光清洗系統(tǒng)包括：激光或YAG激光）、樣品處理臺(tái)、導(dǎo)光系統(tǒng)、控制臺(tái)及輔助系統(tǒng)（如熱量計(jì)、光束輪廓儀及其附件）。對(duì)于激光液膜的清洗方法，還有一個(gè)液膜沉積系統(tǒng)。當(dāng)采用激光惰性氣體清洗方法時(shí)，還應(yīng)包括惰性氣體進(jìn)口和排放系統(tǒng)

三、 激光清洗的應(yīng)用現(xiàn)狀

石雕、石雕等古代高檔石材藝術(shù)品由于其極其精細(xì)、脆弱的表面結(jié)構(gòu)，成為激光清洗技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)，利用激光去除石質(zhì)文物表面的污垢有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它可以非常精確地控制梁在復(fù)雜表面上移動(dòng)，在不損壞文物石頭的情況下清除污垢

例如，1992年9月，聯(lián)合國(guó)教科文組織下屬的世界文化遺產(chǎn)保護(hù)組織對(duì)英國(guó)著名的亞明大教堂進(jìn)行了維護(hù)，以紀(jì)念該組織成立20周年。亞明大教堂西側(cè)圣母院大門上精致的大理石雕刻是該項(xiàng)目的關(guān)鍵。在一年的處女門維修工程中，維修人員借助激光束去除了覆蓋在大理石雕刻圖案上的幾毫米厚的黑色氧化皮層，反射出大理石表面的原色，為了重現(xiàn)精雕細(xì)刻的輝煌

另一個(gè)例子：經(jīng)過(guò)激光清洗，英國(guó)最重要的石雕收藏品之一英斯布倫蒂爾的石雕收藏品也達(dá)到了同樣的效果。人們用電子顯微鏡觀察激光清洗后的石雕表面。結(jié)果表明，激光清洗后石材的結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化，清洗后的表面光滑平整，無(wú)損傷。這與顆粒噴射（噴砂）清潔的表面完全不同。顆粒射流清洗后難以避免對(duì)大理巖表面結(jié)構(gòu)的破壞，尤其是對(duì)含有硫酸鹽垢層的大理巖表面。電子顯微鏡觀察還發(fā)現(xiàn)，激光照射后，表面下巖石材料的性質(zhì)既沒(méi)有退化，也沒(méi)有改變

目前，激光清洗石灰石、大理石等高檔石材表面的污垢已成為一個(gè)新的、有前景的商業(yè)項(xiàng)目。除了石材的清洗外，激光清洗對(duì)玻璃、金屬、模具、磁盤和各種微電子產(chǎn)品的清洗也有很好的效果。在汽車輪胎生產(chǎn)中，輪胎模具的底部和周圍花紋每?jī)傻饺苄枰逑匆淮?，整個(gè)模具每幾個(gè)月需要徹底清洗一次。傳統(tǒng)的清洗方法是浸泡在化學(xué)溶液中或噴砂，不僅成本高、噪音大、污染嚴(yán)重，而且影響模具的表面質(zhì)量

此外，這種清洗方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線清洗。清洗前的模具拆卸和清洗后的模具安裝耗時(shí)較長(zhǎng)，影響生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。利用激光技術(shù)對(duì)模具進(jìn)行清洗，可實(shí)現(xiàn)在線清洗操作。根據(jù)模具表面有機(jī)附著物的數(shù)量和不同的橡膠結(jié)構(gòu)，清潔一套模具只需45-90分鐘（包括裝載、卸載和清潔模具兩側(cè)的零件）。由于模具表面可以反射激光束，因此模具表面不會(huì)被激光損壞。激光清洗具有很高的靈活性，用戶可以完全替代使用該技術(shù)的其他方法。目前，國(guó)外輪胎生產(chǎn)線已采用YAG激光器實(shí)現(xiàn)輪胎模具的在線清洗，并已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。當(dāng)需要清潔模具時(shí)，在硫化結(jié)束時(shí)打開(kāi)硫化機(jī)，將激光模具清潔系統(tǒng)移動(dòng)到硫化機(jī)上清潔模具，無(wú)需等待模具冷卻

清潔模具的時(shí)間與模具溫度無(wú)關(guān)。操作員可以通過(guò)將激光清洗系統(tǒng)的頭部壓在模具上開(kāi)始清洗。在清洗過(guò)程中，激光束掃描模具表面，從四個(gè)不同角度照射模具表面，確保所有類型的模具都可以清洗。清洗一半后，將清洗機(jī)的機(jī)頭移至模具的另一半進(jìn)行清洗。模具完全清潔后，將清潔裝置移到另一個(gè)要清潔的硫化機(jī)模具上。清洗后的硫化機(jī)可立即投入生產(chǎn)。除了清潔模具外，工業(yè)應(yīng)用還包括標(biāo)記輪胎、去除制動(dòng)線等零件上的涂層或從扁線上剝線

目前，YAG激光已在國(guó)外輪胎生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)輪胎模具的在線清潔，并已應(yīng)用于工業(yè)。如果系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行，在原輪胎廠家每年清洗1500對(duì)模具的基礎(chǔ)上，可節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間6000小時(shí)；輪胎產(chǎn)量可增加約30000套。不僅環(huán)保，還有可觀的經(jīng)濟(jì)效益

激光清洗技術(shù)在歐洲的應(yīng)用已經(jīng)推廣應(yīng)用了好幾年，產(chǎn)品也有，但我國(guó)才剛剛起步，主要原因是激光設(shè)備投資昂貴，仍難以廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)清洗技術(shù)相比，激光清洗技術(shù)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。目前，高效、低成本的輪胎模具清洗方法亟待推廣。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)有數(shù)千家輪胎及其產(chǎn)品制造商，年產(chǎn)量超過(guò)100萬(wàn)只輪胎的企業(yè)不少于2000家。年產(chǎn)100萬(wàn)套輪胎的廠家有數(shù)萬(wàn)套模具，每三周需要清洗一套模具?？梢?jiàn)，激光清洗技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要意義。相信在該技術(shù)不斷完善的基礎(chǔ)上，隨著設(shè)備的批量生產(chǎn)，激光清洗技術(shù)將在輪胎模具清洗或其他清洗行業(yè)發(fā)揮重要作用，具有良好的發(fā)展前景

四、激光清洗的效益分析

以輪胎模具激光清洗為例，介紹激光清洗與離線噴砂清洗、干冰清洗設(shè)備相比的經(jīng)濟(jì)效益。激光清洗技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：清洗速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、無(wú)磨損、對(duì)操作人員無(wú)危險(xiǎn)。

但是設(shè)備初期投入比較高，達(dá)到50-60萬(wàn)美元。因此，工廠需要建立合理的投資回收計(jì)劃。典型的JET激光系統(tǒng)工廠可以在18個(gè)月內(nèi)獲得投資回報(bào)。硫化停工時(shí)間短、人工成本低、模具磨損少、生產(chǎn)成本低是潛在的好處。例如，對(duì)于一臺(tái)日產(chǎn)量為20000條輪胎的設(shè)備，按照8臺(tái)硫化機(jī)(16個(gè)模具)平均每天清洗一次的要求，假設(shè)每班清洗3臺(tái)硫化機(jī)或每天清洗9臺(tái)硫化機(jī)(部分工廠清洗2次)將需要15小時(shí)左右的工作時(shí)間和10小時(shí)的停機(jī)時(shí)間才能從硫化機(jī)上取下2個(gè)模具進(jìn)行離線清洗， 而如果用激光清洗兩個(gè)模具，需要0.3小時(shí)的工作時(shí)間和3小時(shí)的停機(jī)時(shí)間，那么假設(shè)模具車間只做10次清洗(5臺(tái)硫化機(jī))和5次離線清洗，激光清洗會(huì)產(chǎn)生巨大的回報(bào)：每天可以節(jié)省70小時(shí)的操作時(shí)間和35小時(shí)的停機(jī)時(shí)間，那么按照一年320個(gè)工作日計(jì)算，每年可以增加22400小時(shí)的操作時(shí)間和11200小時(shí)的上機(jī)時(shí)間。

激光清洗設(shè)備的維修和保養(yǎng)費(fèi)用也應(yīng)包括在內(nèi)。為了清潔激光鏡和清除沉積在過(guò)濾器上的殘留物，設(shè)備應(yīng)每周維護(hù)30分鐘，主要部件應(yīng)每4周檢修60分鐘。根據(jù)制造商的要求，每六個(gè)月對(duì)設(shè)備和激光系統(tǒng)進(jìn)行一次日常維護(hù)。大部分機(jī)械零件可以像激光架一樣有10年以上的使用壽命，有些激光零件使用300小時(shí)左右就需要更換。這些零件可以在日常預(yù)防性維護(hù)期間現(xiàn)場(chǎng)更換。激光設(shè)備及其一年保修服務(wù)。包括更換易損件和提供典型備件。最后，運(yùn)營(yíng)成本約為每小時(shí)4-8美元。所有設(shè)備都配備了調(diào)制解調(diào)器，因此制造商可以提供遠(yuǎn)程服務(wù)。

綜合以上因素，總體來(lái)看，激光清洗技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

五、總結(jié)和展望

激光清洗技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的清洗技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)。它在經(jīng)濟(jì)效益和“綠色”工程方面都能給社會(huì)帶來(lái)巨大的效益，具有廣闊的市場(chǎng)前景。然而，我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究仍然不足。如果能利用我們現(xiàn)有的激光技術(shù)開(kāi)發(fā)配套的激光清洗設(shè)備并投入生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，是完全有可能的。隨著激光成本的降低，激光清洗技術(shù)將逐步普及，這對(duì)推動(dòng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)本身的發(fā)展也具有重要意義。