工业应用中的激光清洗技术

现代激光清洗技术高效且适应性强，但必须考虑被去除材料的特性。几个世纪以来，工业应用中用于表面清洁或更新的技术和设备一直保持不变。然而，近年来对改进的需求急剧增长。激光技术现在正在许多应用中取代传统的研磨和化学工艺，例如除锈、脱漆、脱脂、活化、修复、焊前/焊后接头清洁、表面处理、去污和修复。作为一种清洁技术，激光越来越受欢迎，因为它们精确、可控、高效，并且产生的废物少。此外，低浪费和高效率是激光清洗现在被认为是“最环保”或最环保的表面清洁方法的主要原因。产生的唯一废物是灰尘颗粒， 激光清洗使用聚焦光束去除污染物。术语“烧蚀”表示从表面去除材料的过程（图 1），并伴随着向外传播的冲击波，影响周围的表面。激光的能量被表面材料吸收，从而产生消融产物的等离子体羽流。已经开发了各种理论方法来描述消融过程1，并且已经进行了大量研究来测量不同条件下的消融参数。还测量了范围从 0.1 到 10 J/sq cm 的各种金属的烧蚀阈值，并且发现这些值取决于激光束波长和脉冲持续时间2. 烧蚀率或被去除的材料量与激光功率的对数成正比。激光束吸收的效率取决于材料反射率、表面质量以及表面污染物的性质。 

当用激光束处理材料时，它们的表面特性会发生变化。在某些应用中，表面必须保持精细抛光，而在其他应用中，表面需要粗糙。因此，为了成功完成表面处理，激光清洗技术应考虑被清洁材料和材料的特性、表面质量以及表面污染物的特性。即将被删除。 表面预处理/后处理 激光清洁可以替代金属表面的化学处理，这些金属表面已经为耐用和优质的钎焊、胶合或焊接连接做好了准备。可以使用光纤激光器一步去除润滑油、油脂和水合物等物质。激光在高频下的低能量和短脉冲 (<1 mJ/脉冲) 使金属表面保持其初始粗糙度。通过选择正确的功率和性能模式，可以根据特殊要求修改表面轮廓，并且可以为任何连接工艺准备表面。

激光预处理可以在未处理或涂层（例如粉末涂层）部件上获得更好的附着力。激光清洗可去除顶层涂层和所有污染物，而不会损坏底层涂层。同时，该工艺在顶层提供了微粗糙度，从而提高了胶水或密封胶的附着力。作为钎焊/焊接后执行的后处理程序，可以清洁接头以去除热污渍、变色或残留物，例如氧化物和残留的助焊剂材料。 为涂漆准备金属表面有时需要特殊的表面轮廓。如果假定涂漆部件承受很大的应力，则需要较高的表面粗糙度。在这种打标方式中可以使用激光来雕刻特定深度和台阶的凹槽网格。在处理金属时，必须考虑反射率，尤其是在表面经过抛光和清洁的情况下。镱 (Yb) 光纤激光器（~1064 纳米波长）光的反射率范围从 62.6%（铁）到 97.3%（铜）。这种标记制度通常需要更高的功率和/或更长的处理时间，并且应该精确地执行，这可以通过使用良好聚焦光束的稳定设置来实现。 修复和翻新：除锈是最著名的激光清洁应用之一。铁锈具有高吸收性；因此，薄层可以像润滑油一样轻松去除，使激光成为一种强大的工具。汽车行业广泛采用类似的翻新应用，例如去除污垢或阳极氧化饰面以及翻新不锈钢零件（图 4）。对于这些应用，可以使用 Q 开关光纤激光清洁器，包括固定式和便携式清洁机。 在涉及重型制造的造船业等行业中，去除厚厚的锈层可能是一项更艰巨的任务。通常，当大量材料被去除时，会在激光束的路径上产生向上流动的灰尘和等离子体羽流。这些颗粒的存在部分会导致光束遮蔽，部分会导致激光束与灰尘的相互作用，从而可能将废物熔化回表面并产生难以去除的二次污染。这些应用需要更高功率 (100-W) 的激光装置以及用于除尘和除尘的附加设备。 或者，某些应用程序（例如清洗考古文物）需要更温和的方法。在一项关于激光清洗对腐蚀的铁合金的波长相关吸收和散射效应的研究中，研究人员发现，在 532 nm 波长下运行的具有 8 ns 脉冲持续时间的 Nd:YAG 激光器可以安全地从 19 到世纪鳞甲3。通常，脉冲持续时间的缩短会导致材料表面的第一层烧蚀，因为热量不会渗透得太深。同时，短脉冲可以具有显着的功率密度，因为能量释放速度快。