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激光清洗技术概论及其在轮胎业上的应用

  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。

  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焦成不同直径的的光斑。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。