激光清洗技術原理及其應用進展

張 飛,陳澤偉,張智寧,黃輝宇,吳惠蕓,平金峰

(1.汕頭大學,廣東 汕頭 515063;2.汕頭華興冶金設備有限公司,廣東 汕頭 515063)

隨著我國航空航天、石油化工、高鐵、武器、核電等高端領域的不斷發展,各個裝備組件所處的環境也發生相應變化,對金屬材料組件性能有著越來越高的要求。為提升裝備整體性能,延長零部件的使用壽命,在不改變基體材料的前提下,激光清洗技術得到了人們的廣泛關注與研究[1]。常見的工業清理方法有機械打磨清洗法、高壓水射流清洗法、化學清洗法等,但這些方法都有著工作效率低、環境惡劣,容易對工件表面造成損傷,且無法滿足高清潔度和高精度的清洗要求,而且有著相應的技術難點,還在一定程度上對工作人員造成健康傷害。因此,我們需探尋清潔更加高效且不損傷金屬材質的清洗方法來更有效替代傳統的清洗方法。激光清洗技術相對于傳統方法則具有無需耗材輔料,不會損傷金屬器具,清除的固體粉末易于收集,對環境無污染的優點[2-4]。本文將簡要分析激光清洗方案工作的基本原理,并詳細闡述激光清洗技術在金屬模具、船舶板塊、飛機金屬蒙皮及其他生活中常見領域的應用[5,6]。

1 激光清洗技術原理及特點

激光清洗技術本質是去除固體表面不同材料和臟污粒子及膜層。激光清洗技術是通過光學系統聚焦及光斑整形后形成的具有特定光斑形狀的激光束,照射到被污染的需要清洗的材料位置,以振動、熔化、燃燒,甚至氣化作用去除基體表面附著物的表面處理技術,原理如圖1所示[7]。

圖1 激光清洗原理示意圖[8]

整個清洗過程則是激光有規律高速掃描作用在表層帶有污物的基材表面,污物達到熔化或氣化點直接燃燒汽化分解而脫離基材表面,而激光作用在基材表面,絕大部分都是被反射掉,基本對基材不會造成損傷,從而達到無污染,無損傷的清洗效果[9,10]。而整個激光清洗的實質是激光與污染層之間的化學作用。根據研究表明,污染物和其所附著的物體表面之間的結合力主要為共價鍵、雙偶極子等結合。激光清洗則是通過連續激光來克服污物與基體表面之間的作用力,從而達到完成激光清洗的目的[11,12]。常見的激光清洗方法有[13,14]:

(1)激光干洗法[15]。即不采用輔助方法,直接將激光輻射到基體表面,主要適用于常見的脫漆除銹及工業生產中的金屬表面處理。

(2)激光濕洗法[16,17]。即先在基體表面覆蓋一層液態介質,再用激光輻射去污,主要適用于文物的修復。

(3)惰性氣體法。即在使用激光干洗法時,將惰性氣體釋放至基體表面,避免清洗過的表面被二次污染,主要適用于航空、航天及精密機械材料的清洗。

(4)非腐蝕化學法。即先使用激光輻射基體表面將污物半脫離,再用非腐蝕的化學藥劑去除污物,主要適用于石質材料的清洗。

總而言之,激光清洗技術是一種不同于化學清潔液或其他傳統清洗工藝的“綠色環?！钡男录夹g?？捎行謇砦⒚谆騺單⒚准墑e的微粒污物[18],具有穩定性,清洗效率高,實現自動化程度高等優點[19,20]。

2 常見應用進展

了解了激光清洗技術的基本原理,可根據其不同特點對不同場景有所運用。本文將引用具體實驗來簡要介紹其中幾種。

2.1 金屬模具

金屬模具在生活中很常見,在實際使用過程中,使用環境的溫度、濕度、日曬程度、壓力等可能導致金屬模具與其他物品的微觀干擾、反應等,這些因素都有可能引起金屬模具損壞,因此需定期對其進行維護。由于人工維護成本高,容易對工件表面造成損傷,且對工作人員操作水平有較高要求。因此,激光清洗技術清洗效率高,對環境無污染的特點可以滿足該領域的需求。這里舉例316L不銹鋼表面污染物(圖2)的激光清污。

圖2 1316L不銹鋼截面氧化層形貌[21]

316L不銹鋼強度高、塑韌性好,且耐腐蝕性能優異,因此被廣泛應用于核電站內部結構件中。傳統清理方法為物理法與化學法。其中,物理法主要為超聲波法、高壓水噴射法;化學去污中循環浸泡法在我國核電站中應用較為常見,但是去污效率低,對基體腐蝕損傷較重,還易產生二次廢液,大大影響去污效果。

據研究設計正交實驗,對各個影響參數進行合理的正交試驗設計能夠將復雜的參數優化過程簡化。確定合適的清洗梯度閾值,實現工藝試驗的優化,再完成前期準備工作,調整激光不同參數,來測試激光對污染物的清洗效果,對比清洗前和清洗后金屬模具各個方面性能有無變化。根據相關實驗得出,激光清洗技術對316L不銹鋼樣本清洗,不僅能充分發揮其去污價值,還不會對試驗樣本的表面特征以及結構等造成顯著影響。由實驗結果可知,激光清洗對316L不銹鋼的清洗效果較好,還可降低相關設施的能耗[22,23]。激光清洗技術在這方面的應用,可有效延緩316L不銹鋼在各種工作環境中的表面腐蝕速度,對316L不銹鋼的生產與使用具有一定積極意義。

2.2 船舶板材

船舶長期在海洋環境中航行,由于海水的腐蝕性,船體板材會存在嚴重的銹蝕。船體上還有大量海洋生物附著物,也會嚴重影響船舶的航行性能。EH36鋼板具有耐海洋環境腐蝕性,因此被運用于船舶板材。目前,船舶除漆除銹的傳統清洗方式主要包括:機械打磨、噴砂處理、高壓水射流、化學清洗等[25]。傳統清洗方式雖然基本滿足船體清洗需求,但是普遍存在勞動強度大,對環境造成嚴重污染。部分產業激光清洗技術已非常成熟,在很多行業被廣泛應用,在船舶板材清洗方面也有研究?；诖搩瓤赡艽嬖诘奈廴疚?對其表面進行腐蝕生銹、手工上漆以及涂抹油污等處理,模擬船板待清洗的狀態,再利用激光清洗技術進行除漆除銹。對比激光清污前后(圖3),激光清污具有顯著效果。

(a)油污染表面;(b)激光除油污后圖3 激光除油污前后表面微觀形貌[26]

但激光清洗表面后,仍需研究表面狀態的改變是否對船板基體性能造成影響,因此針對清洗前后的樣品力學性能進行測試。經過對清洗前后試樣的力學性能進行分析[26],清洗工藝能夠略微提升表層硬度和力學性能,且硬度提升程度受到工藝參數的影響。因此,可以認為激光清洗是一個無損過程,僅會對表層硬度產生小幅提升。由實驗可知,激光清洗相對傳統方法確實為一種更為環保、無污染的清污方式。但目前激光除漆的效率相對較低,一個小時大約只能清洗零點幾平方米,遠低于傳統噴砂除漆效率。因此開發激光除漆后海洋裝備的性能評估方法,形成質量評價標準,也是激光除漆技術產業化應用的重要支撐[24]。

2.3 飛機蒙皮

在飛機高速飛行過程中,飛機蒙皮表面油漆涂層容易出現老化、破損、脫落等現象,極大地降低油漆涂層的防腐蝕效果和保護作用。因此,航空航天材料表面蒙皮清理清洗是保證航空航天飛行器正常運作的基本保障。而傳統除漆方式普遍存在效率低、耗能高、漆層去除厚度精度不足、表面均勻性差等缺點,無法滿足飛機蒙皮漆層的可控清除要求。激光清洗則是一種新型的表面清理技術,逐步開始應用于航空航天材料表面清洗[27]。

由于鈦合金具有優良的力學性能, 在現代工業中得到了廣泛應用,尤其是在航空領域。但由于鈦合金屬于典型的難加工難清洗材料[28],傳統的清理方案難以滿足航空產業對零件加工精度、質量及加工效率等方面的要求。利用激光清洗在安全性、經濟性、清洗效率、基材損傷等方面具有突出優勢,而且激光時空定位準確,適用于飛機蒙皮上復雜形狀的機身與結構件。因此激光清洗被認為是未來航空航天材料表面清洗領域最具前景的解決辦法。

根據研究表明,Wen[29]等采用脈沖激光對 Ti-6Al-4V 鈦合金表面涂層的清洗過程進行研究,根據試驗結果表明,不同密度的激光清洗飛機蒙皮的效果大有不同,如圖4所示。

圖4 激光清洗TA15鈦合金氧化膜表面結構隨激光能量密度增加的演化差異圖[30]

但從整個清洗效果來看,其橫截面微觀形貌如圖5所示。激光清洗鈦合金的機理以燒蝕作用為主,并伴有膨脹振動作用。結果表明,激光清洗通過光化學和光熱燒蝕去除表面污染物,鈦合金在表面被清洗干凈時都會輕微重熔并產生淺坑,非常利于后續的涂覆或焊接處理。

圖5 激光清洗后的鈦合金材料橫截面[31]

綜上所述,激光清洗技術在飛機蒙皮上有著巨大優勢。隨著激光技術的完善,達到航空航天領域高精度高穩定性的清洗要求,可實現高效、無損的清洗效果。隨著今后激光清洗系統設備的不斷升級,工藝技術的提升以及精度定位、自動控制、實時檢測等相關技術的輔助配合,這種無耗材、無污染的智能清洗工藝在航空航天領域的應用將會更加廣泛[32]。

2.4 其他領域

根據激光清洗技術精準定位、高效去除、適用基材泛等優點,其應用價值不僅在上述場景,在生活中的其他方面也有涉及,這里簡單介紹其他領域激光清洗技術的運用[33-35]。

(1)文物清洗領域。在整個清洗過程,控制激光清洗的強度,對相應文物實現逐層級的微納清洗。激光清洗技術已經廣泛應用石質文物、金屬、壁畫類文物等。隨著激光技術的持續發展,針對不同類型的文物,會有更加適合的激光系統和更加優化的清洗參數,推動激光清洗技術在文化遺產修復和保護領域更加廣泛的應用和發展。

(2)核生化洗消領域。通過激光清洗光去除裝備表面的放射性物質、毒劑、生物戰劑等,避免或減輕核生化危害,實現裝備和物資的正常使用。由于不同洗消對象、不同污染物物理化學性質差異,激光洗消的相關參數還需要進一步的研究。

(3)軌道車輛焊接領域。將激光清洗技術應用于自動焊接前去除油污及氧化膜過程中,實現邊清理邊焊接的效果,可省去型材組裝前的除油打磨工序,提高組裝效率。但由于相關技術原因,目前仍處于起步階段。

3 總結

激光清洗技術是通過高能量密度的激光照射基體表面污染層,實現熱量集中聚集,快速加熱污染層與氧化層,導致形成化學和物理反應,實現污染層、雜質顆粒和氧化層等污染物脫離金屬表面的新興技術。隨著研究的深入,激光清洗技術的應用會越來越廣泛。