2025-04-29 16:11:44
在工业和其他领域中,传统清洗方式如化学清洗、机械打磨等长期占据主导地位。化学清洗易产生大量化学废液,造成环境污染,且对某些精密部件可能存在腐蚀风险;机械打磨虽能去除表面污物,但容易损伤基材,在处理复杂形状构件时效果不佳,还会产生粉尘污染,对操作人员健康构成威胁,且难以满足高精度清洗需求。
随着航空航天、轨道交通、海洋船舶等高端制造业的迅猛发展,对零部件的清洗要求日益严苛。大型复杂构件如航空发动机进气道、高铁车体、船舶舱口盖等,其表面质量直接影响产品性能和服役寿命。这些构件不仅尺寸大、形状复杂,而且对清洗精度、效率和表面完整性要求极高,传统清洗方式已无法满足现代制造业的发展需求。
在全球环保意识不断增强的背景下,制造业面临着减少污染排放、降低资源消耗的压力。激光清洗技术作为一种绿色清洗技术,具有无化学污染、低能耗、非接触式清洗等优点,能够有效解决传统清洗方式带来的环境问题,符合可持续发展战略,在各领域的应用需求日益迫切。
激光清洗是一种利用高能量密度的激光束与物质表面相互作用,使污物或涂层等从基底表面剥离或分解,从而实现清洗目的的技术。
激光清洗过程涉及多种物理机制,如热烧蚀、应力振动、热膨胀、蒸发、相爆炸、蒸发压力和等离子体冲击PG电子网站等,这些机制共同作用促使清洗对象与基材分离,达到清洗的效果。
根据清洗介质的不同,激光清洗可分为激光干式清洗、湿式激光清洗、激光冲击波清洗。
激光干式清洗是目前应用最广泛的激光清洗方法,其利用激光束直接照射基底表面,使基底产生热膨胀以克服范德华力,从而去除污垢。
激光强度:激光能量密度变化显著影响清洗效果,低能量强度下以蒸发和相爆炸为主,高能量密度下蒸发压力、冲击效应也起作用,超高能量会产生等离子体等问题。通常在较低能量密度下清洗以保护基底。
激光波长:波长与材料能量耦合相关,短波长时以光化学烧蚀主导,长波长时以光热烧蚀主导,且波长影响颗粒与基底间的力和温度分布,进而影响清洗力和效率,对不同材料清洗时波长的影响也不同。
脉冲宽度:短脉冲和长脉冲清洗机制不同,长脉冲烧蚀效应强但选择性差,短脉冲可产生较高温度和冲击波来去除污染物且损伤小,超快激光脉冲宽度下为 “冷烧蚀” 机制。
*激光干式清洗机理及关键参数对清洗效果的影响:a)机理 b)波长 c)脉冲宽度 d)入射角 e)正面/背面入射
通过液膜辅助来实现,在待清洗工件表面预置一层液膜,激光直接辐照,液体急剧升温,产生强大的冲击力,从而将基体表面污染物去除。
干式激光冲击波清洗时,激光聚焦产生等离子体冲击颗粒,可避免直接照射损伤,但会存在盲区,可改变入射角或双光束清洗来改进。
混合激光冲击波清洗包括蒸汽、水下、湿式激光冲击等方式,利用液体相关作用去除污垢,与液体密度等特性有关,应用广泛且优势明显。
*激光冲击波清洗机理:a)干激光冲击波清洗 b)改进的干激光冲击波清洗 b1)单束激光 b2)双束激光 c)湿式激光冲击波清洗
采用纳秒脉冲激光清洗钛合金进气道表面氧化膜效果显著,其低热效应特性可防止基材二次氧化,是较优的清洗方法。
当激光能量作用于氧化膜时,表面吸收大量能量,根据能量不同,烧蚀机制改变,表面形成多种形貌结构。
能量较低时,氧化膜部分去除,有少量重熔区域;能量适中,氧化膜去除且损伤可忽略;能量过高,虽能去除氧化膜,但会造成较大基料损伤,表面形成脊状结构。
在较低能量密度下,清洗机理为激光诱导的冲击波;较高能量密度下,主要是激光烧蚀和相位爆破。清洗过程中钛合金快速冷却和加热形成马氏体钛合金,当能量密度增加到特定值时,表面变为纳米结构的突起表面,此纳米结构对钛合金材料后续应用意义重大。
*航空钛合金进气道表面氧化膜的激光清洗效果与机制:a)钛合金清洗后的表面形貌 b)激光干式清洗钛合金氧化膜主要机理 c)激光湿式清洗钛合金氧化膜的主要机理
对于高铁铝合金车体油漆清洗,不同颜色、不同厚度的油漆,合适的激光清洗方法也不同。
薄漆(厚度≤40μm):选择油漆吸收率较低的波长的激光光源,通过热振动方式去除效果较好;
在清洁过程中,激光能量渗透到基底,基板温升产生的热应力使油漆脱落,整个油漆层可被去除,铝合金表面残留油漆呈现疏松的网状形貌。
蓝色油漆在相同激光能量输入下温度高于红色油漆,但基体热应力低于红色油漆。当油漆温度达到沸点时,油漆通过蒸发去除,同时还存在层裂、燃烧、等离子体冲击等耦合机制。
*高铁铝合金车体表面油漆激光清洗效果与机制:a)铝合金清洗后的表面形貌 b)激光干式清洗铝合金表面蓝色/红色油漆的主要机理
高强钢船体铁锈干式清洗过程中,主要去除机制为氧化膜吸收能量发生气化。表面氧化物气化蒸发时产生向下的反作用力,有助于去除较厚的氧化膜。
液膜辅助式激光除锈主要机制为液滴吸收能量发生相爆炸,产生冲击力去除锈层。
液膜的爆发性沸腾作用使相爆炸机制对除锈影响增强,能更好去除表面氧化膜,但不易去除埋藏较深的氧化物。
不同锈层去除机制对表面熔融金属流动有影响,相爆炸产生的侧向推力可促进熔融层流动使表面更平坦,气化机制产生的氧化物蒸气会影响液态金属填充凹坑。
*高强钢船体表面铁锈激光清洗:a)高强钢清洗后表面形貌 b)激光干式/湿式清洗高强钢船体表面铁锈主要机理
胞外多聚物(EPS)层和藤壶基片的激光去除机制分别为烧蚀气化和冲击波剥离。微生物大分子单链在多光子吸收过程中断裂,分解产生大量原子,经电离后在等离子体冲击与烧蚀机制共同作用下,海洋微生物得以更好去除。
对于有机物如油漆、海洋微生物等,低激光能量密度下光化学作用使其化学键断裂,表现为变质、变色、失去活性等;随着能量密度升高,出现烧蚀、气化、燃烧火焰、等离子体冲击等现象。
而对于氧化膜、铁锈等无机物,低能量密度下无变化,能量升高后出现烧蚀、气化等现象。
脉冲激光在文物保护中具有重要应用,可满足文物无损、高精度清洗需求,如石质文物、纸质文物、金属文物等。
石质文物:a)古罗马大理石奥德修斯雕塑:a1)清洗前 a2)清洗后;b)罗马大理石瓮棺:b1)清洗前 b2) 清洗后;c)希腊雅典卫城帕台农神庙浮雕
纸质文物:d)15世纪油画《基督在彼拉多面前》:d1)清洗前 d2)清洗后;e)19 世纪现代油画 《狩猎场景》:e1)清洗前 e2)清洗后
金属文物:f)伊利诺伊大学青铜雕塑:f1)清洗前 f2)清洗后 g)银质猎枪:g1)清洗前 g2) 清洗后;h)19世纪军用金编织物:h1)清洗前 h2)完全清洗后 h3)过度清洗后
其他文物:i)19世纪镀金木框:i1)清洗前 i2)清洗后;j)19世纪非洲藤席:j1)清洗前 j2)清洗后;k)古埃及玻璃器皿:k1)清洗前 k2)清洗后
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