引 言
激光清洗技術(shù)最早可以追溯到20 世 紀(jì) 60 年 代 [1] ，近年來(lái)逐漸成為世界工業(yè)制造領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)之一，被稱為“21 世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ木G色清洗技術(shù) [2-6] ”。與機(jī)械摩擦清洗、化學(xué)藥劑清洗、高頻振動(dòng)清洗等 傳統(tǒng)清洗方法相比，激光清洗技術(shù)具有以下許多的顯著特點(diǎn): ( 1 ) 綠色環(huán)保 。激光清洗技術(shù)不需要使用化 學(xué)藥劑，不會(huì)產(chǎn)生廢液污染水體; (2 ) 對(duì)基材的損傷小 。不需要與基材接觸，也不需要對(duì)基材施加任何機(jī)械作用力; (3) 具有高度的靈活性 。方便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 ;(4) 清洗效果極佳 。選擇不同波長(zhǎng)、不同加工參量的激光器能很方便地清洗基材表面附著的各種不同污染物; (5) 清潔效率較高 。采用掃描技術(shù)的激光清洗設(shè)備可將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成線或面光源，這就形成了大大高于傳統(tǒng)清洗技術(shù)的清洗速度。激光清洗技術(shù)大步走向?qū)嶋H應(yīng)用的同時(shí)，相關(guān)學(xué)者們也對(duì)其清洗機(jī)理、清洗效果的評(píng)價(jià)、清洗效果的改善、以及可清洗材料的擴(kuò)展等問(wèn)題做了深入的研究。 到目前為止，激光清洗技術(shù)已經(jīng)能穩(wěn)定而有效地清洗 各種規(guī)則性的基材表面，可被清洗的材料包括但不限于金屬、合金、玻璃及各種復(fù)合材料等 。該技術(shù)的應(yīng)用范圍正在逐步擴(kuò)大到工業(yè)、軍工、船舶、航空、航天等各個(gè)領(lǐng)域。1 激光清洗原理及應(yīng)用激光清洗技術(shù)是指高能量密度、高重頻激光束照射到基材表面時(shí)，基材表面的污漬吸收激光束所攜帶的能量后，二者之間的結(jié)合力 ( 共價(jià)鍵、雙偶極子、毛 細(xì)管效應(yīng)、范德華力) 遭到破壞，最后污漬脫離基材表 面的過(guò)程 。激光清洗示意圖如圖 1 所示。
激光清洗是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它涉及到燒蝕、 熔化、氣化、膨脹等物理過(guò)程，以及分解、電離、降解、燃 燒等化學(xué)過(guò)程，而且在清洗過(guò)程中，多個(gè)機(jī)制有可能會(huì)同時(shí)存在 。總體而言，激光清洗技術(shù)主要可以分為 3 種典型的方法 : 激光燒蝕清洗法、激光液膜輔助清洗法和激光沖擊波清洗法。
激光燒蝕清洗法的主要機(jī)制包括熱膨脹、氣化、燒蝕和相爆炸等 [7] ，如圖 2 所示 。當(dāng)激光束通過(guò)空氣、稀有氣體或真空后與基材接觸時(shí)，受熱的基材與污漬同時(shí)膨脹 。隨著照射時(shí)間的延長(zhǎng)，根據(jù)污漬與基材閾值的不同，可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況: ( 1 ) 當(dāng)污漬的燒蝕閾值小于基材時(shí)，通過(guò)調(diào)整激光束的能量密度，就可在不損傷基材的情況下對(duì)污漬進(jìn)行有效的清洗; (2 ) 當(dāng)污漬的燒蝕閾值大于基材時(shí)，如果不想損傷基材，污漬就不能完全地去除 。此時(shí)，如果必須要達(dá)到清洗的目的，則需仔細(xì)調(diào)整各項(xiàng)激光參量，將基材的損傷降低到最小程度。
無(wú)論以上哪種情況，在清洗過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)各種物理與化學(xué)上的復(fù)雜變化，如分子鍵斷裂、分解、降解、 相爆炸、氣化、電離、產(chǎn)生等離子體等 。此外，由于基材與污漬的熱膨脹系數(shù)存在著差異，兩者之間的界面的形狀也會(huì)同時(shí)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致污漬噴射飛離基材的表面。
在工業(yè)生產(chǎn)與制造業(yè)中，使用激光技術(shù)清洗相應(yīng)工件時(shí)，不僅能迅速除去工件表面的污染物微粒，而且能在大多數(shù)金屬材料的表面形成一層保護(hù)膜，可防止基材銹蝕并大大提高金屬材料的抗腐蝕性能，如圖 3和圖 4 所示。
此外，大多數(shù)生產(chǎn)設(shè)備在長(zhǎng)期使用后，一般會(huì)出現(xiàn)銹蝕、污漬、廢料等在設(shè)備表面逐漸積聚的情況 [8] 。使用常規(guī)噴砂、化學(xué)溶劑等清洗工藝清潔設(shè)備的表面， 必然會(huì)導(dǎo)致靶標(biāo)表面的損耗，降低設(shè)備的壽命 。使用激光清洗技術(shù)可大大提高清洗效率，減少企業(yè)在設(shè)備 維護(hù)上的開(kāi)支，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。
激光液膜輔助清洗法的主要機(jī)制包括液膜的沸騰、蒸發(fā)、振動(dòng)等，如圖 5 所示 。該方法首先在清洗對(duì)象表面預(yù)先覆蓋水、乙醇等液體，以形成一層液體膜。 當(dāng)激光束照射到基材上時(shí)，液膜會(huì)吸收激光所攜帶的能量，液體會(huì)發(fā)生劇烈的爆炸，沸騰后的液體會(huì)高速撞擊基材表面的污漬 。這種瞬時(shí)的爆發(fā)力可以有效地去除基材上的污漬，從而達(dá)到激光清洗的效果。
激光沖擊波清洗法并不是直接將激光束聚焦于被清洗物體的表面，而是使用等離子體沖擊波進(jìn)行清洗， 清洗的對(duì)象主要是細(xì)小的微粒，如圖 6 所示 。首先，調(diào)整激光頭的高度，使激光束的焦點(diǎn)盡量靠近被清洗的污漬微粒附近，并且激光的聚焦位置與基材表面保持著很小的間距 。這時(shí)，激光聚焦點(diǎn)處的空氣將會(huì)被電離，從而導(dǎo)致球狀沖擊波的產(chǎn)生并向四周擴(kuò)散 。沖擊波將很快作用于基材表面，當(dāng)與沖擊波所施加平行于基材表面的橫向力大于垂直方向上污漬顆粒的附著力時(shí)，污漬就會(huì)沿著沖擊波作用力的方向移動(dòng)，從而脫離基材表面。在上述 3 種方法中，使用激光燒蝕清洗法時(shí)只需選擇合適的激光器，通過(guò)選擇正確的工藝參量即可以對(duì)污漬進(jìn)行有效的清潔 。這種方法不需要事先處理清洗的對(duì)象，也不需要使用昂貴的特殊激光器，但是這種方法所產(chǎn)生的沖擊力較小，對(duì)某些附著比較牢固污漬的去除效果不太理想 。使用激光液膜輔助清洗法時(shí)，一般通過(guò)預(yù)先覆蓋具有較高光吸收率的液體，這就有效地彌補(bǔ)了激光燒蝕清洗法沖擊力不足的缺陷 。但是，這種方法的不足之處在于 : 工藝流程較為復(fù)雜，而且需要對(duì)液膜的成分配比進(jìn)行精確的測(cè)試才能獲得較好的清洗效果 ; 其次，液膜在高溫清洗過(guò)程中可能與基材、污漬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可能產(chǎn)生新的物質(zhì)并造成二次污染 。使用激光沖擊波清洗法時(shí)，其相關(guān)的清洗工藝的要求非常嚴(yán)格，既要保證激光束不與基材相接觸，又 要隨時(shí)調(diào)整兩者之間的距離，以確保對(duì)污漬顆粒施加足夠的沖擊力，達(dá)到最佳清洗效果。
在飛機(jī)、汽車、船舶的制造中，激光清洗技術(shù)早已占有一席之地 。奧迪汽車公司早就使用光纖激光器清洗汽車焊縫表面，在去除污漬的同時(shí)也可提高焊接處的強(qiáng)度 。激光清洗技術(shù)還可用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)，快速清除發(fā)動(dòng)機(jī)積碳與油污 。此外，在輪胎模具制造行業(yè)中，激光清洗技術(shù)的應(yīng)用也得到了業(yè)界人員的一致好評(píng) [9] ，如圖 7 所示。
激光清洗技術(shù)在軍工設(shè)備維護(hù)領(lǐng)域同樣大放異彩 。最初，美國(guó)率先使用激光清洗技術(shù)對(duì)軍用飛機(jī)的表面涂料進(jìn)行了清洗 。但是，由于當(dāng)時(shí)激光器性能的限制，再加上其體積過(guò)于龐大，使得該技術(shù)只能停留在實(shí)驗(yàn)階段。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光器的功率不斷提高，并朝著小型化、靈活化方向發(fā)展，為激光清洗技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)的 ZHENG 研究團(tuán)隊(duì)使用橫向激勵(lì)高壓氣體 CO2 激光器清洗了飛機(jī)樣品的外層涂料 [10] ，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試 。經(jīng)脫漆處理后的飛機(jī)表面硬度、疲勞度、抗拉強(qiáng)度均無(wú)明顯變化，而抗腐蝕能力卻有輕微提升 。這一研究充分地證 明了激光清洗技術(shù)在軍事裝備維護(hù)中的優(yōu)越性和有效性，可以有效保障部隊(duì)的戰(zhàn)斗力。
迄今為止，美國(guó)愛(ài)迪生研究所使用 1kW 激光器清 洗 F-16 戰(zhàn)斗機(jī)時(shí)，清洗速率已達(dá)到 2．36cm3 / min，如 圖 8 所示 。 國(guó)內(nèi)的 LUO 研究團(tuán)隊(duì)使用 30W/ mm2 的連 續(xù) CO2 激 光 器 還 達(dá) 到 了 40cm / min 的 脫 漆 速 率 [11] 。 另外，美軍的 H-53 和 H-56 直升機(jī)的外漆清洗均已采 用了激光清洗技術(shù) [12-13] 。
在文物保護(hù)、建筑清洗等領(lǐng)域，激光清洗技術(shù)也廣 泛應(yīng)用，如圖 9 所示 。科學(xué)家們利用氟化氪準(zhǔn)分子激 光器對(duì)石雕、手工藝品、骨骼化石等進(jìn)行了有效的清 洗 。雖然激光清洗技術(shù)有許多優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于某些色澤 多樣的珍貴文物，如琺瑯玻璃等物品，不同顏色對(duì)激光的吸收效果也不同，這可能會(huì)導(dǎo)致激光吸收較高的部 位所承受的應(yīng)力梯度過(guò)大，從 而 造 成 損 壞 [14-16] 。 因 此，并非所有的文物都適用激光進(jìn)行清洗。
以往在醫(yī)療領(lǐng)域中，人們經(jīng)常使用化學(xué)藥劑來(lái)清洗患者的紋身，但是，這種方法不僅不能徹底清除掉皮膚上的色素，而且還會(huì)損害皮膚的健康，甚至?xí)粝掳毯刍虍a(chǎn)生炎癥 。當(dāng)采用激光清洗技術(shù)對(duì)患者的紋身進(jìn)行清洗時(shí)，激光只會(huì)對(duì)皮膚表面產(chǎn)生輕微的燒灼作用， 不會(huì)對(duì)患者的皮膚造成嚴(yán)重傷害 [17] 。皮膚內(nèi)部的色素微粒將被激光傳送的能量粉碎，然后通過(guò)細(xì)胞自身 的代謝過(guò)程可被完全分解，如圖 10 所示。2 激光清洗及應(yīng)用發(fā)展動(dòng)態(tài)激光清洗技術(shù)是隨著激光技術(shù)本身的不斷進(jìn)步而 迅速發(fā)展起來(lái)的 。在 2015 年，TAKAHASHI [18] 研究團(tuán)隊(duì)在使用紫外激光加工微小工件時(shí)，成功完成了對(duì)納米尺度的 3 維工件外形的修正，該方法不僅能修改微小工件的形狀，而且可以用來(lái)去除工件表面的微粒。IVANOVA 等人 [19] 在 2016 年也提出了一種對(duì)于納米尺度的微觀顆粒進(jìn)行清除的方法，與直接用脈沖或連 續(xù)激光對(duì)于納米顆粒進(jìn)行照射清洗的方法相比，這種利用激光熱毛細(xì)效應(yīng)的清洗方法產(chǎn)生的熱效應(yīng)較小， 同時(shí)對(duì)基材的損傷也更小 。激光清洗文物照片如圖11 所示。
同年，PALOMAR [20] 研究團(tuán)隊(duì)用 532nm 的納秒脈 沖激光對(duì)銀表面進(jìn)行了一系列清洗試驗(yàn) 。結(jié)果表明， 與傳統(tǒng)激光清洗方法相比，銀質(zhì)文物表面沒(méi)有出現(xiàn)任何顏色變化或者質(zhì)量下降的現(xiàn)象，并最終確定了清洗銀質(zhì)物品最佳條件 。2017 年，RADOJKOVIC 等 人 [21] 使用類似的技術(shù)使用 Nd∶YAG 激光器對(duì)于鍍銀銅絲進(jìn) 行了激光清洗，在不損害文物本身的前提下，有效地清除了銀質(zhì)文物上所覆蓋的污漬，這有力地證明了上述 方法的可行性 。此后，銀質(zhì)品的清洗正式納入到了激光清洗的范圍，激光清洗技術(shù)的應(yīng)用范圍又一次得到了擴(kuò)展。2018 年，GU 等人 [22] 進(jìn)行了激光等離子沖擊波清 洗納米級(jí)微粒效果研究，成功清洗了直徑在 100nm 左右的鋁粒子顆粒，并整理出了一套行之有效的顆粒清 洗方法 。雖然激光清洗微粒的作用機(jī)理尚不十分明確，對(duì)微粒的清洗方法只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)一步一步地摸索，但隨著研究的不斷深入，激光清洗技術(shù)終將在微粒清洗領(lǐng)域中占據(jù)舉足輕重的地位 [23] 。
除此之外，激光清洗技術(shù)近年來(lái)在汽車、船舶等設(shè)備的維護(hù)上也取得了豐碩的研究成果 。2018 年，LIU 等人 [24] 對(duì)遠(yuǎn)洋設(shè)備經(jīng)常使用的 Q235 與 45# 鋼材進(jìn)行 了納秒脈沖激光清洗試驗(yàn)，總結(jié)歸納出了一整套用于 Q235 與 45# 鋼材的激光除銹經(jīng)驗(yàn)，對(duì)遠(yuǎn)洋設(shè)備的激光維護(hù)有著十分重要的實(shí)用價(jià)值，去除工件設(shè)備上的油污如圖 12 所示。CHANG 等人 [25] 分別利用高功率密度和低功率密度的皮秒激光對(duì) Q235 鋼材進(jìn)行了交替清洗 。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的激光直射清洗方式相比，這種交替清洗方式大大提高了清除 Q235 鋼材所附著污漬的效果，此項(xiàng)技術(shù)非常適用于遠(yuǎn)洋設(shè)備上面污漬的清洗。之后，CHEN [26] 對(duì)激光清洗與傳統(tǒng)清洗方法在汽車表面噴漆附著的可靠性進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果再次有力地證明了激光清洗技術(shù)在汽車制造業(yè)和維護(hù)行業(yè)中所蘊(yùn)涵的價(jià)值。2019 年，QI 等人 [27] 對(duì)常年累月銹蝕的列車集電 環(huán)進(jìn)行了激光清洗，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，清洗后的集電環(huán)不僅能清除表面殘留的污漬，而且能有效提高集電環(huán)的使用壽命，大大提高了列車在高速運(yùn)行時(shí)的安全性。伴隨著激光技術(shù)的不斷進(jìn)步和激光器價(jià)格的不斷下降，激光清洗技術(shù)的普及已經(jīng)在世界范圍內(nèi)掀起了 一場(chǎng)傳統(tǒng)清洗產(chǎn)業(yè)升級(jí)浪潮 。截至 2018 年，激光清洗 技術(shù)在各行業(yè)的市場(chǎng)價(jià)值已經(jīng)達(dá) 5．89 億美元 [28] ，預(yù) 計(jì) 2023 年這個(gè)數(shù)字可能會(huì)接近 7．24 億美元，5 年間的復(fù)合年增長(zhǎng)率可能達(dá)到 4．22% 。 以上結(jié)果均表明， 這種新型的清潔技術(shù)蘊(yùn)藏著極大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α＝鼛啄辏瑖?guó)內(nèi)學(xué)者們又對(duì)激光清洗的理論與機(jī)制做了較為深入的研究 。南開(kāi)大學(xué)的 SONG 團(tuán)隊(duì) [29] 研究了短脈沖激光清洗涂層的機(jī)理 ; 青島大學(xué)的 ZHOU 團(tuán)隊(duì) [30] 研究了基材表面等離子體溫度場(chǎng)在清洗過(guò)程中的分布 。這些研究成果對(duì)于建立一套行之有效的激光清洗評(píng)價(jià)機(jī)制具有重要意義。
然而，目前我國(guó)用于激光清洗的高端高功率短脈沖激光器主要依賴進(jìn)口，激光清洗技術(shù)的發(fā)展經(jīng)常受制于人，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端高功率清洗用激光器已是業(yè)界的當(dāng)務(wù)之急 。 陸軍裝甲兵學(xué)院的 DONG 團(tuán)隊(duì)于 2017 年研制出了國(guó)內(nèi)首臺(tái) 500W 高重頻、高能量的激光清洗設(shè)備，打破了國(guó)外對(duì)我國(guó)高端激光清洗設(shè)備的貿(mào)易禁錮 。同年，長(zhǎng)春理工大學(xué)的WANG 等人自主研制了一套手持式激光清洗系統(tǒng) [31] ，為國(guó)內(nèi)激光清洗設(shè)備的譜系增添了嶄新的一員 。常用機(jī)床式激光清洗與手持式激光清洗系統(tǒng)如圖 13 和圖 14 所示。2018 年，我國(guó)的 ZHANG 研究團(tuán)隊(duì)分別利用 CO2激光器和其自行研制的 YAG 激光器清洗輪胎模具。 最終發(fā)現(xiàn)，這種自行研制的 YAG 激光器不僅能有效地去除輪胎模具上的污漬，其技術(shù)指標(biāo)也已接近國(guó)際同 類設(shè)備，清洗效果也更加優(yōu)異。同年，山東省科學(xué)院激光研究所為打破國(guó)內(nèi)大功率光纖激光器核心技術(shù)被德國(guó)、日本、美國(guó)等國(guó)所掌握的技術(shù)壁壘，自主研制了一種平均功率達(dá) 180W 的 Nd∶YAG 激光器 。在實(shí)際激光清洗過(guò)程中，對(duì)硫化物等雜質(zhì)的清洗能力要顯著高于原本的國(guó)產(chǎn)低功率激光器 。雖然目前國(guó)內(nèi)輪胎清洗主流采用的是干冰清洗方法，但我國(guó)高功率激光清洗激光器的研制成功，使激光清洗設(shè)備的成本大幅降低，激光清洗技術(shù)在未來(lái)的模具制造行業(yè)終將大展拳腳。總體而言，由于科研人員的努力，我國(guó)的激光清洗技術(shù)在近年已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，與國(guó)外的差距也在不斷縮小 。但是，在高端激光器的核心制造技術(shù)方面仍處于相對(duì)落后的階段 。所以，我國(guó)激光清洗技術(shù)的發(fā)展還將是一個(gè)較為漫長(zhǎng)的過(guò)程，需要科研工作者腳踏實(shí)地，不斷努力追趕。3 新型激光復(fù)合清洗技術(shù)與未來(lái)展望盡管激光清洗技術(shù)擁有眾多傳統(tǒng)清洗方式無(wú)法企及的優(yōu)點(diǎn)，但在其發(fā)展過(guò)程中也暴露出諸多的問(wèn)題和不足 。為了保證清洗的效果，可以根據(jù)被清洗對(duì)象在不同波長(zhǎng)時(shí)激光吸收率的差異來(lái)選擇不同波長(zhǎng)的激光器 。但是，對(duì)于復(fù)合型材料的清洗來(lái)說(shuō)，若材料中不同的成分對(duì)同一種激光波長(zhǎng)的吸收率差異較大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)材料中的某種成分被成功清洗而其它成分卻無(wú)法去除的現(xiàn)象 。與此同時(shí)，激光清洗設(shè)備的價(jià)格也較為昂貴，這對(duì)激光清洗技術(shù)的推廣造成了較大的障礙。 為了解決相關(guān)問(wèn)題，各種新型的激光復(fù)合清洗技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。早在 1977 年，KIBLER 等人就開(kāi)始了關(guān)于復(fù)合材料激光清洗的研究 [32] 。他們采用連續(xù) CO2 激光器發(fā)射了不同尺寸、形狀和功率密度的激光束，對(duì)不同厚度、不同種類的碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂材料進(jìn)行了對(duì)照試驗(yàn)， 研究了不同清洗參量對(duì)于激光清洗效果的影響。為了分析不同的激光功率與掃描速率對(duì)碳纖維復(fù)合材料表面的樹(shù)脂污漬清洗形貌的影響，國(guó)內(nèi) ZHAN研究團(tuán)隊(duì)使用高重頻紅外激光器對(duì)這類污漬進(jìn)行了清洗實(shí)驗(yàn)，獲得了清洗此類污漬的最佳工藝參量 [33] 。另外，激光清洗碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料也是目前的研究熱點(diǎn)之一 [34-38] 。2017 年，ZHANG 團(tuán) 隊(duì) 使 用 22．93kW / cm2 、重頻為 100kHz 的激光以 6cm / s 的速率快速清洗了碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料 [39] 。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，清洗過(guò)程不僅能有效地去除基材表面的污漬，而且由于粘著劑滲入到了碳纖維之中，其強(qiáng)度得到了小幅度的提高。上述的研究者們?cè)卺槍?duì)復(fù)合材料的清洗中，都發(fā)現(xiàn)激光復(fù)合清洗法的效果普遍優(yōu)于常規(guī)的傳統(tǒng)清洗法 [40] 。與傳統(tǒng)清洗法中只使用單一波長(zhǎng)的激光器不同，實(shí)用化的激光復(fù)合清洗技術(shù)一般同時(shí)使用脈沖半導(dǎo)體激光器與脈沖光纖激光器，這兩種激光光束可同時(shí)作用于被清洗對(duì)象上 。此時(shí)，半導(dǎo)體激光器在高速掃描被清洗對(duì)象的表面時(shí)，被照射區(qū)域快速升溫并碳化，由此所產(chǎn)生的熱應(yīng)力可使被清洗污漬層產(chǎn)生松動(dòng) ; 而高功率脈沖光纖激光器作用于被清洗對(duì)象時(shí)產(chǎn)生的沖擊波可使靶標(biāo)碎裂并快速脫離工件表面。與傳統(tǒng)的激光清洗方法相比，激光復(fù)合清洗法速度快、效率高、清洗品質(zhì)更加均勻，所產(chǎn)生的火花與煙塵更小 。針對(duì)不同的材料，還可以使用不同波長(zhǎng)的激光器同時(shí)進(jìn)行清洗以達(dá)到清除復(fù)合材料污漬的目的。 因此，使用多種不同類型的激光器所組成的復(fù)合清洗激光系統(tǒng)可以滿足多種不同材料的清洗需求 。與此同時(shí)，多單元脈沖激光的空間功率合成與擴(kuò)展輸出技術(shù)、 基于光纖端帽的自適應(yīng)操控和主動(dòng)尋優(yōu)控制算法以實(shí)現(xiàn)多光束的光軸穩(wěn)定控制和空間功率合成技術(shù)、基于遠(yuǎn)場(chǎng)合成能量的時(shí)序測(cè)量和主動(dòng)光程調(diào)控實(shí)現(xiàn)多單元脈沖激光的時(shí)域同步技術(shù)等在近年均得到了較為迅速的發(fā)展，有力地推動(dòng)了激光復(fù)合清洗技術(shù)的發(fā)展。雖然經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，激光清洗的相關(guān)技術(shù)已較為成熟，但由于激光清洗設(shè)備過(guò)于復(fù)雜，還是存在著以下一些問(wèn)題亟待解決。( 1) 對(duì)人體的危害 。一般情況下，用于激光清洗的大部分激光器功率較高，這一技術(shù)今后必將會(huì)向著更高功率的方向發(fā)展，而且其中大多數(shù)激光都處于不可見(jiàn)頻帶上，蘊(yùn)含著很大的隱患 。眾所周知，高能激光可引起皮膚的灼傷，對(duì)眼睛的傷害更為嚴(yán)重，極有可能對(duì)使用者造成永久性的視力損傷，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致失明 。這就對(duì)激光清洗技術(shù)提出了更高的安全性要求。 在激光器的設(shè)計(jì)中就應(yīng)當(dāng)完成光路的封閉，需要制定嚴(yán)格的使用規(guī)范，使用時(shí)必須強(qiáng)制穿戴防護(hù)衣、護(hù)目鏡等設(shè)備，以確保人身安全。(2) 設(shè)備成本高昂 。 雖然激光清洗技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但與傳統(tǒng)的清洗技術(shù)相比，動(dòng)輒數(shù)十萬(wàn)的設(shè)備價(jià)格令大多數(shù)企業(yè)望而卻步 。激光清洗技術(shù)的核心是激光器，降低激光器的生產(chǎn)成本是從根本上普及激光清洗技術(shù)的關(guān)鍵 。當(dāng)前，我國(guó)激光器的自主生產(chǎn)工藝仍有少許“卡脖子”之處，需要不斷加大激光器核心技術(shù) 的研發(fā)方向的投入，以調(diào)動(dòng)科研人員的積極性和創(chuàng)造性，大力推動(dòng)激光清洗產(chǎn)業(yè)鏈的形成，最終實(shí)現(xiàn)激光清洗技術(shù)走進(jìn)中小企業(yè)群的目標(biāo)。(3) 激光清洗的機(jī)制還尚未完全明確 。通常，用于激光清洗的參量包括激光器波長(zhǎng)、功率、重復(fù)頻率和掃描速率等 。如果參量選擇不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致污漬無(wú)法被完全清除，或?qū)脑斐刹豢赡孓D(zhuǎn)的破壞 。 因此， 在激光清洗過(guò)程中，需要根據(jù)不同的清洗材料的閾值選擇合適的清洗參量 。研究人員一般通過(guò)多次清洗試驗(yàn)，以期獲得清洗不同材料所需的最佳參量，這些耗時(shí)冗長(zhǎng)的試驗(yàn)無(wú)疑大大拖累了激光清洗技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用 。此外，還沒(méi)有制定出一整套評(píng)價(jià)激光清洗效果的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，這又給激光清洗技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了極大的阻礙。近幾年來(lái)，隨著相關(guān)研究的不斷深入，研究人員也逐步開(kāi)始涉足解決這些問(wèn)題，例如通過(guò)建立相應(yīng)的有限元模型，可以有效地模擬清洗過(guò)程，這為清洗參量的選擇提供了參考依據(jù) 。此外，還利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)激光清洗參量進(jìn)行擬合和預(yù)測(cè)，大大降低了試驗(yàn)的繁瑣程度，為激光清洗技術(shù)的發(fā)展提供了一種全新的思路。(4) 復(fù)雜工件的清洗效率較低 。在實(shí)際的清洗過(guò)程中，部分工件呈不規(guī)則形狀，存在著許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)與縫隙等不易清洗到的部位 。但目前激光清洗的主要設(shè)備多為手持或 2 維移動(dòng)平臺(tái)，很難對(duì)此類復(fù)雜工件進(jìn)行有效的清洗 。為此，需要對(duì)現(xiàn)有清洗設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)， 利用機(jī)械臂、3 維平臺(tái)、檢測(cè)設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)高效、自動(dòng)化、無(wú)死角的激光清洗 。但是，由于這類設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其價(jià)格也通常都在百萬(wàn)級(jí)別上下浮動(dòng)，距離實(shí)際的廣泛應(yīng)用還有很長(zhǎng)的道路要走。4 結(jié)束語(yǔ)
首先，激光清洗技術(shù)與傳統(tǒng)的清洗技術(shù)相比無(wú)疑是一種更加高效、綠色的新型清洗技術(shù) 。經(jīng)過(guò)近幾年科研人員的努力，激光清洗技術(shù)也發(fā)展出激光燒蝕清洗法、激光液膜輔助清洗法和激光沖擊波清洗法 3 種典型的清洗方法，激光清洗技術(shù)的應(yīng)用范圍也不局限于傳統(tǒng)的工件除銹等方面，擴(kuò)展到了文物清洗、遠(yuǎn)洋設(shè)備、高速列車等的維護(hù)領(lǐng)域 。與此同時(shí)，激光清洗的尺度也在不斷取得全新的突破，且新型的激光復(fù)合清洗技術(shù)的發(fā)展有效地解決了傳統(tǒng)激光清洗技術(shù)難以清洗復(fù)合材料的問(wèn)題。其次，激光清洗技術(shù)仍舊存在設(shè)備價(jià)格昂貴、測(cè)試試驗(yàn)冗長(zhǎng)等弱點(diǎn)，在走向應(yīng)用普及的過(guò)程中必定會(huì)遇到各種各樣的阻力 。然而，業(yè)內(nèi)人員依然清晰地認(rèn)識(shí)到激光清洗技術(shù)在未來(lái)工業(yè)發(fā)展中蘊(yùn)含著巨大發(fā)展?jié)摿εc商業(yè)價(jià)值，激光清洗設(shè)備的市場(chǎng)價(jià)值依舊呈逐年快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì) 。隨著我國(guó)自主研發(fā)的高功率激光清 洗設(shè)備成功走向市場(chǎng)，打破了境外國(guó)家對(duì)我國(guó)激光清 洗核心設(shè)備的進(jìn)口限制，激光清洗設(shè)備的成本必將得到進(jìn)一步的下調(diào)，為我國(guó)激光清洗技術(shù)進(jìn)一步大范圍走向市場(chǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，激光清洗技術(shù)必將得到迅猛的發(fā)展，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域注入全新的動(dòng)力。
文章來(lái)源：激光行業(yè)觀察
|
中文版
ENGLISH
