傳統(tǒng)清洗工業(yè)設(shè)備有各種各樣的清洗方式,多是利用化學(xué)藥劑和機(jī)械方法進(jìn)行清洗。在我國環(huán)境保護(hù)法規(guī)要求越來越嚴(yán)格、人們環(huán)保和安全意識日益增強(qiáng)的今天,工業(yè)生產(chǎn)清洗中可以使用的化學(xué)藥品種類將變得越來越少。如何尋找更清潔,且不具損傷性的清洗方式是我們不得不考慮的問題。而激光清洗具有無研磨、非接觸、低熱效應(yīng)和適用于各種材質(zhì)的物體等清洗特點(diǎn),被認(rèn)為是最可靠、最有效的解決辦法。
在工件表面污染物中,工件表面附著物與表面之間的結(jié)合主要是由于存在以下各種力:共價鍵、雙偶極子、毛細(xì)作用、氫鍵、吸附力和靜電力等。其中毛細(xì)力、吸附力和靜電力是最難破壞的,激光清洗技術(shù)就是要克服這幾種力。
這些吸附力要比重力大很多(有幾個數(shù)量級),并且與粒子直徑d有關(guān)系,吸附力隨著粒子半徑減小呈現(xiàn)很慢的線性衰減趨勢,而粒子質(zhì)量m與直徑的三次方成正比,由牛頓定律可知F=ma,當(dāng)粒子尺寸變小時,吸附力所提供的加速度迅速增大。所以,尺寸越小的粒子,清除起來所需的加速度就越大,這就是常規(guī)的清洗技術(shù)為什么難以清除直徑很小的物體表面附著物。
由于物體表面附著物的成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,激光與之作用的機(jī)理也各不相同,用于對此作解釋最常用的理論模型有以下幾種:
1、光氣化/光分解
激光器產(chǎn)生的激光,經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的聚光可以實(shí)現(xiàn)能量的高度集中,聚焦后的激光束在焦點(diǎn)附近可產(chǎn)生幾千度甚至幾萬度的高溫,使物體表面附著物瞬間氣化或分解。
2、光剝離
通過激光的作用使物體表面附著物受熱膨脹,當(dāng)物體表面附著物的膨脹力大于其與基體之間的吸附力時,物體表面附著物便會從物體的表面脫離。
3、光振動
利用較高頻率和功率的脈沖激光沖擊物體的表面,在物體表面產(chǎn)生超聲波,超聲波在沖擊中下層硬表面以后返回,與入射聲波發(fā)生干涉,從而產(chǎn)生高能共振波,使污垢發(fā)生微小爆裂、粉碎、脫離基體物質(zhì)表面,當(dāng)物體與表面附著物對激光束的吸收系數(shù)差別不大,或者表面附著物受熱后會產(chǎn)生有毒物質(zhì)等情況時,可以選用這種清洗手段。
目前,激光清洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),需要根據(jù)實(shí)際的清洗方法、基材和污物的種類、清洗要求的效果等因素來決定,但是,它們在一些基本的結(jié)構(gòu)上還是大致相同的,主要包括激光器、移動平臺、實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)、半/自動控制操作系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)等部分。
激光清洗技術(shù)的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國激光清洗技術(shù)的研究和設(shè)備的開發(fā)起步晚,基本上是跟蹤國外的發(fā)展,雖然在較短時間內(nèi)取得了一些成果,但是與國外相比存在明顯的差距,因此,國內(nèi)較為成熟的激光清洗設(shè)備并不多,大部分還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,其清洗效率和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步的提高。
激光清洗技術(shù)的國外發(fā)展現(xiàn)狀
激光清洗技術(shù)研究起步于20世紀(jì)80年代中期,但直到20世紀(jì)90年代初期才真正步入工業(yè)生產(chǎn)中,在許多場合逐步取代傳統(tǒng)清洗方法。
國外激光清洗的去污范圍非常廣泛,從厚銹層到激光表面微細(xì)顆粒都可以去除,在去污中涉及激光清洗實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備種類也比較多,所用激光器的波長范圍廣,但激光清洗技術(shù)的發(fā)展不平衡,有些已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,有的還處于實(shí)驗(yàn)室階段。
激光清洗技術(shù)的前景預(yù)測:激光清洗技術(shù)的出現(xiàn),開辟了激光技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用的新領(lǐng)域,它在微電子、建筑、核電站、汽車制造,醫(yī)療、文物保護(hù)等領(lǐng)域的開發(fā)方興未艾,應(yīng)用市場前景廣闊,我國在大型件激光加工技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用已初具規(guī)模,在鋼鐵除銹和模具去污方面的應(yīng)用還是空白,而激光清洗技術(shù)在汽車制造、建筑等領(lǐng)域的市場仍在開發(fā)之中,目前雖然還難以詳細(xì)估計激光清洗技術(shù)的應(yīng)用市場份額,但上述領(lǐng)域不少屬于國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),激光清洗技術(shù)添入其中后,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益是十分可觀的,利用我國現(xiàn)有的激光技術(shù)條件,開發(fā)配套的激光清洗設(shè)備,并使其在短時間內(nèi)實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化、是完全可能的,對推動高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展本身亦具有重要意義。(作者:龔傳波,南京帝耐激光科技有限公司總經(jīng)理)
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