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昆山凯研光电科技有限公司 (编号 243) http://www.kedtek.com
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激光清洗技术概论及其在轮胎业上的应用
作者:昆山凯研光电
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一、 引言

在工业生产、文物保护以及牙科疾病的治疗中,常常需要用到清洗技术。例如:工业制品在电镀、磷化、喷涂、焊接、包装以及集成线路的装配时,为保证下道工序中工件的质量,必须除去产品表面上的油脂、灰尘、锈垢或残留的溶剂、粘结剂等污物。由于环境污染和保护不善等原因,很多的文物和艺术品正逐渐被锈蚀和污损,为恢复旧貌,需对文物表面的污垢及锈迹进行清洗。

传统的清洗方法包括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法,机械清洗法即采用刮、擦、刷、喷砂等机械手段去除表面污物;湿法化学清洗法是利用有机清洗剂,通过喷、淋、浸泡或高频振动等措施去除表面附着物业超声波清洗法是将被处理零件放入清洗剂中,利用超声波产生的振动效应除去污垢。目前这三种清洗方法在我国清洗市场中仍占主导地位,但在环境保护和高精度要求下其应用受到很大的限制。机械清洗法无法满足高清洁度清洗要求,容易损伤被清洗工件的表面积而化学清洗方法容易导致环境污染,获得的清洁度也很有限,特别是当污垢成分复杂时,必须选用多种清洗剂反复清洗才可能满足表面消洁度的要求。超声波清洗法尽管清洗效果不错,但对亚微米级污粒的清洗无能为力,清洗槽的尺寸限制了加工零件的范围和复杂程度,而且清洗后对工件的干燥亦是一大难题。

近年来,随着人们环保意识的增强,给世界范围内清洗业的发展带来了巨大的挑战,各种有利于环境保护的清洗技术应运而生,激光清洗技术就是其中之一。所谓激光清洗技术是指利用高能激光束照射工件表面,使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离,高速有效地清除清洁对象表面附着物或表面涂层,从而达到洁净的工艺过程。它是基于激光与物质相互作用效应的一项新技术,与传统的机械清洗法、化学腐蚀清洗、液体固体强力冲击清洗、高频超声清洗等传统清洗方法相比,有明显的优点。它高效、快捷、成本低,对基片产生的热负荷和机械负荷小,清洗为非损伤;废物可回收,无环境污染物安全可靠,不损害操作人员健康证可以清除各种不同厚度、不同成份的涂层次清洁过程易于实现自动化控制,实现远距离遥控清洗等。

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二、激光清洗的原理和方法

激光的特点是具有高方向性,单色性,高相干性和高亮度。通过透镜的聚焦和Q开关,可以把能量集中到一个很小的空间范围和时间范围内。在激光清洗处理中,主要利用了激光的以下特性:

1、 激光可以实现能量在时间和空间上的高度集中,聚焦的激光束在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温,使污垢瞬间蒸发、气化或分解。2、激光束的发散角小,方向性好,通过聚光系统可以使激光束聚集成不同直径的光斑。在激光能量相同的条件下,控制不同直径的激光束光斑可以调整激光的能量密度,使污垢受热膨胀。当污垢的膨胀力大于污垢对基体的吸附力时,污垢便会脱离物体的表面。3、激光光束可以通过在固体表面产生超声波,产生力学共振,使污垢破碎脱落。激光清洗技术正是利用了上述激光的特性从而达到清洗的目的。根据被清洗基体物质与被清除污垢的光学特性,可以将激光清洗机理分为两大类:一类是利用清洗基片(也称为母体)与表面附着物(污物)对某一波长激光能量的吸收系数具有很大的差别。辐射到表面的激光能量大部分被表面附着物所吸收,从而受热或气化蒸发,或瞬间膨胀,并被形成的气流带动,脱离物体表面,达到清洗目的。而基片由于对该波长的激光吸收能量极小,不会受到损伤。对此类激光清洗,选择合适的波长和控制好激光能量大小,是实现安全高效清洗的关键。另一类适用于清洁基片与表面附着物的激光能量吸收系数差别不大,或基片对涂层受热形成的酸性蒸气较为敏感,或涂层受热后会产生有毒物质等情况的清洗方法。该类方法通常是利用高功率高重复率的脉冲激光冲击被清洗的表面,使部分光束转换成声波。声波击中下层硬表面后,返回的部分与激光产生的入射声波发生干涉,产生高能波,使涂层发生小范围的爆炸,涂层被压成粉末,再被真空泵清除,而底下的基片却不会损伤。

从方法上分析,激光清洗方法有4种:1、激光干洗法,即采用脉冲激光直接辐射去污;2、激光+液膜方法,即首先沉积一层液膜于基体表面,然后用激光辐射去污;当激光照射于液膜上时,液膜急剧受热,产生爆炸性汽化,爆炸性冲击波使基体表面的污物松散。并随冲击波飞离加工物体表面,达到去污的目的。3、激光+惰性气体的方法,即在激光辐射的同时,用惰性气体吹向基体表面,当污物从表面剥离后会立即被气体吹离表面,以避免表面再次污染和氧化;4、运用激光使污垢松散后,再用非腐蚀性化学方法清洗。目前,常用的是前3种方法。第4种方法仅应用于石质文物的清洗中,而一个完整的激光清洗系统包括:激光器或YAG激光器)、试样加工台、导光系统、控制台、辅助系统(如量热计、光束轮廓仪及其附件)。对于激光+液膜的清洗方法,还有液膜沉积系统。当采用激光+惰性气体的清洗方法时,还应该包括惰性气体的进入和排除系统。

三、激光清洗的应用现状

石雕和石刻等年代久远的高档石质艺术品,由于其极精细和易损的表面结构,成为激光清洗技术应用最早的领域。人们发现,用激光清除石质文物表面的污垢有其独特的优势,它能够十分精确地控制光束在复杂的表面上移动,清除污垢而不损伤文物石材。例如:1992年9月联合国教科文组织所属的世界文化遗产保护组织为纪念该组织创建二十周年,实施了对著名的英国亚明大教堂的维修工程。亚明大教堂西侧的圣母门上精美的大理石雕刻是工程的关键。在为期一年的圣母门维修工程中,维修人员借助于激光,用激光光束除去了覆盖在大理石雕刻花纹上几毫米厚的黑色垢层,大理石表面原来的色泽体现出来,使精美的雕刻重现光彩。又如:英国最重要的石雕收藏处之一的英斯布伦蒂尔的石雕收藏品经激光清洗后,也得到了同样的效果。人们用电子显微镜观察激光清洗后的石雕表面,发现激光清洗后石头的结构没有变化,被清洗的表面既光滑又平坦,没有损伤。这跟用微粒子喷射法(喷砂法)清洗后的表面完全不同。微粒子喷射法清洗后大理石表面结构的损伤是难以避免的,特别是对已有硫酸盐垢层的大理石表面。电子显微镜的观察还发现,激光照射后,表层下岩石材料的各项性质既无退化,也无改变。目前,用激光清洗石灰石、大理石等高档石材料表面污垢的工作已成为一项新的很有前途的业务项目。除了对石材料的清洗外,激光清洗在玻璃、金属、模具、磁盘以及各种微电子产品的清洗中都有很好的效果,在汽车轮胎的生产中,轮胎模具的底部及周边花纹每隔二至三周需要清洗一次,每隔几个月就要将整个模具彻底清洗一次。传统方法是用化学药水浸泡或喷砂清洗,不但费用昂贵、噪音大、污染严重,而且还影响到模具的表面质量。另外,这类清洗方法不能实现在线清洗,清洗前的拆卸模具和清洗后的安装模具耗时长,影响生产流水线正常运转。利用激光技术清洗模具即可实现在线清洗作业。根据模具表面有机附着物的多少和胶料结构的不同,清洗一套模具仅需45-90分钟(包括装卸和清洗模具两侧的零件)。由于模具表面可以反射激光束,因此模具表面不会被激光损伤。激光清洗具有很高的灵活性,用户完全可以用此技术替代正在使用的其它方法。目前国外已用YAG激光器在轮胎生产线上实现了轮胎模具的在线清洗,并已应用到工业中。当模具需要清洗时,在硫化结束的同时打开硫化机,将激光模具清洗系统移到硫化机前对模具进行清洗,无需等待模具冷却。同时注意:清洗模具的时间与模具的温度无关。操作者将激光清洗系统的头部靠紧模具即可开始清洗。清洗过程中,激光束扫描模具表面,并从四个不同角度照射模具表面,这样能够保证各种类型的模具都能被清洗干净。清洗完一半后,将清洗机的头部移向模具的另一半进行清洗。模具完全清洗干净后,将清洗装置移向另一台需清洗的硫化机模具。清洗完的硫化机可立即投入生产。除清洗模具外,工业应用还包括为轮胎作标志,除去制动线等零部件的涂层或扁平导线上电线的剥离。

目前国外已用YAG激光器在轮胎生产线上实现了轮胎模具的在线清洗,并已应用到工业中。系统若满负荷运行,以原配轮胎生产厂一年清洗1500副模具计,可节省生产时间6000h;轮胎产量可增加约3万套。不仅环保,经济效益也相当可观。
激光清洗技术应用在欧洲推广应用至今已数年了,并且已有产品,而我国仅刚刚起步,主要是激光设备的投资昂贵,普遍应用还有一定难度,激光清洗技术与传统清洗技术相比较,有无法比拟的优点。目前轮胎模具高效率低成本的清洗方法急需推广,据不完全统计,我国轮胎及其制品厂家数千家,年产一百万套以上轮胎的企业也不下2000家。年产量在一百万套轮胎的厂家拥有的模具就有几万套,且一套模具使用3周左右就需清洗一次。可见推广应用激光技术清洗的意义重大。相信在此技术不断完善的基础上,随着设备的批量生产,激光清洗技术将在轮胎模具清洗或其他的清洗业中发挥重要的作用,具有很好的发展前景。

四、激光清洗效益分析

下面以激光清洗轮胎模具为例,说明激光清洗与脱机喷砂清洗和干冰清洗设备相比的经济效益。激光清洗技术具有明显优势:清洗快速,劳动强度低,无磨损,对操作员无危险
然而,设备的首期投资较高,达30-60万美元。因此工厂需要确立一个合理的投资回收计划。典型的JET激光系统工厂可以在18个月内取得投资回收。硫化停工时间短,劳动力成本低,模具磨损少以及较低的生产成本是潜在的效益。譬如,一台日产20000条轮胎的设备,按8台硫化机(16模)每天平均清洗一次的要求,假设每班清洗3台硫化机或每天清洗9台硫化机(有的工厂清洗两次)从硫化机上拆下两半模具进行脱机清洗,大约需要15h的作业和10h的停机时间,如采用激光对两半模具进行清洗,则需要0.3h的作和3h的停机时间,这样,清洗完一台硫化机就可以节约14h的作业和7h的停机时间。又假设,只做10次清洗(5台硫化机),5次在模具车间进行脱机清洗,采用激光清洗将产生巨大的回报:每天可节约70小时的作业和35小的的停机时间,那么按一年320天的工作日算,每年可增加22400小时作业和11200小时的上机时间。

激光清洗设备的维修和维护费用也应该计算在内,为擦干净激光镜和清除沉积在过滤器上的残余物,每周需对装置进行30min的维护,每4周对主要部件进行60min的检修。每6个月按照制造商的要求对装置进行常规维护并运行一次激光系统。大部分机械部件可以和激光器机架一样都有10年以上的使用寿命,一些激光部件在使用大约300h后要求替换。这些零部件可在常规预防维修期间进行现场更换。激光装置加上其一年的保修服务。包括易损件的更换并提供典型备件,总算起来操作成本约为第小时4-8美元。所有设备都有安装有Modem(调制调节器),这样制造商可以提供远程服务。

综合以上因素,总体来看,激光清洗技术的经济效益是十分显著的。

五、小结和展望

激光清洗技术比传统的清洗技术有很大的优势,在经济效益和“绿色”工程方面都能给社会带来很大的好处,市场前景相当广阔。而我国现在在这方面的研究还是不够的,如果能够利用我们现有的激光技术,开发配套的激光清洗设备,并使之投入生产,实现产业化,是完全可能的。随着激光器成本的下降,必将使得激光清洗技术逐渐得以普及,这对推动高新技术产业发展的本身也是有重要意义的。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (7/18/2013)
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