激光清洗技術概論及應用現狀

inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 在工業(ye) 生產(chan) 、文物保護以及牙科疾病的治療中，常常需要用到清洗技術。例如：工業(ye) 製品在電鍍、磷化、噴塗、焊接、包裝以及集成線路的裝配時，為(wei) 保證下道工序中工件的質量，必須除去產(chan) 品表麵上的油脂、灰塵、鏽垢或殘留的溶劑、粘結劑等汙物。由於(yu) 環境汙染和保護不善等原因，很多的文物和藝術品正逐漸被鏽蝕和汙損，為(wei) 恢複舊貌，需對文物表麵的汙垢及鏽跡進行清洗。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 傳(chuan) 統的清洗方法包括機械清洗法、化學清洗法和超聲波清洗法，機械清洗法即采用刮、擦、刷、噴砂等機械手段去除表麵汙物；濕法化學清洗法是利用有機清洗劑，通過噴、淋、浸泡或高頻振動等措施去除表麵附著物業(ye) 超聲波清洗法是將被處理零件放入清洗劑中，利用超聲波產(chan) 生的振動效應除去汙垢。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 目前這三種清洗方法在我國清洗市場中仍占主導地位，但在環境保護和高精度要求下其應用受到很大的限製。機械清洗法無法滿足高清潔度清洗要求，容易損傷(shang) 被清洗工件的表麵積而化學清洗方法容易導致環境汙染，獲得的清潔度也很有限，特別是當汙垢成分複雜時，必須選用多種清洗劑反複清洗才可能滿足表麵消潔度的要求。超聲波清洗法盡管清洗效果不錯，但對亞(ya) 微米級汙粒的清洗無能為(wei) 力，清洗槽的尺寸限製了加工零件的範圍和複雜程度，而且清洗後對工件的幹燥亦是一大難題。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 所謂激光清洗技術是指利用高能激光束照射工件表麵，使表麵的汙物、鏽斑或塗層發生瞬間蒸發或剝離，高速有效地清除清潔對象表麵附著物或表麵塗層，從(cong) 而達到潔淨的工藝過程。它是基於(yu) 激光與(yu) 物質相互作用效應的一項新技術，與(yu) 傳(chuan) 統的機械清洗法、化學腐蝕清洗、液體(ti) 固體(ti) 強力衝(chong) 擊清洗、高頻超聲清洗等傳(chuan) 統清洗方法相比，有明顯的優(you) 點。它高效、快捷、成本低，對基片產(chan) 生的熱負荷和機械負荷小，清洗為(wei) 非損傷(shang) ；廢物可回收，無環境汙染物安全可靠，不損害操作人員健康證可以清除各種不同厚度、不同成份的塗層次清潔過程易於(yu) 實現自動化控製，實現遠距離遙控清洗等。

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激光清洗的原理和方法

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 2、激光束的發散角小，方向性好，通過聚光係統可以使激光束聚集成不同直徑的光斑。在激光能量相同的條件下，控製不同直徑的激光束光斑可以調整激光的能量密度，使汙垢受熱膨脹。當汙垢的膨脹力大於(yu) 汙垢對基體(ti) 的吸附力時，汙垢便會(hui) 脫離物體(ti) 的表麵。

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一類是利用清洗基片（也稱為(wei) 母體(ti) ）與(yu) 表麵附著物（汙物）對某一波長激光能量的吸收係數具有很大的差別。輻射到表麵的激光能量大部分被表麵附著物所吸收，從(cong) 而受熱或氣化蒸發，或瞬間膨脹，並被形成的氣流帶動，脫離物體(ti) 表麵，達到清洗目的。而基片由於(yu) 對該波長的激光吸收能量極小，不會(hui) 受到損傷(shang) 。對此類激光清洗，選擇合適的波長和控製好激光能量大小，是實現安全高效清洗的關(guan) 鍵。

另一類適用於(yu) 清潔基片與(yu) 表麵附著物的激光能量吸收係數差別不大，或基片對塗層受熱形成的酸性蒸氣較為(wei) 敏感，或塗層受熱後會(hui) 產(chan) 生有毒物質等情況的清洗方法。該類方法通常是利用高功率高重複率的脈衝(chong) 激光衝(chong) 擊被清洗的表麵，使部分光束轉換成聲波。聲波擊中下層硬表麵後，返回的部分與(yu) 激光產(chan) 生的入射聲波發生幹涉，產(chan) 生高能波，使塗層發生小範圍的爆炸，塗層被壓成粉末，再被真空泵清除，而底下的基片卻不會(hui) 損傷(shang) 。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 2、激光+液膜方法，即首先沉積一層液膜於(yu) 基體(ti) 表麵，然後用激光輻射去汙；當激光照射於(yu) 液膜上時，液膜急劇受熱，產(chan) 生爆炸性汽化，爆炸性衝(chong) 擊波使基體(ti) 表麵的汙物鬆散。並隨衝(chong) 擊波飛離加工物體(ti) 表麵，達到去汙的目的。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 目前，常用的是前3種方法。第4種方法僅(jin) 應用於(yu) 石質文物的清洗中，而一個(ge) 完整的激光清洗係統包括：激光器或YAG激光器）、試樣加工台、導光係統、控製台、輔助係統（如量熱計、光束輪廓儀(yi) 及其附件）。對於(yu) 激光+液膜的清洗方法，還有液膜沉積係統。當采用激光+惰性氣體(ti) 的清洗方法時，還應該包括惰性氣體(ti) 的進入和排除係統。

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激光清洗的應用現狀

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 石雕和石刻等年代久遠的高檔石質藝術品，由於(yu) 其極精細和易損的表麵結構，成為(wei) 激光清洗技術應用最早的領域。人們(men) 發現，用激光清除石質文物表麵的汙垢有其獨特的優(you) 勢，它能夠十分精確地控製光束在複雜的表麵上移動，清除汙垢而不損傷(shang) 文物石材。

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應用範例

inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 1. 1992年9月聯合國教科文組織所屬的世界文化遺產(chan) 保護組織為(wei) 紀念該組織創建二十周年，實施了對著名的英國亞(ya) 明大教堂的維修工程。亞(ya) 明大教堂西側(ce) 的聖母門上精美的大理石雕刻是工程的關(guan) 鍵。在為(wei) 期一年的聖母門維修工程中，維修人員借助於(yu) 激光，用激光光束除去了覆蓋在大理石雕刻花紋上幾毫米厚的黑色垢層，大理石表麵原來的色澤體(ti) 現出來，使精美的雕刻重現光彩。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 2. 英國最重要的石雕收藏處之一的英斯布倫(lun) 蒂爾的石雕收藏品經激光清洗後，也得到了同樣的效果。人們(men) 用電子顯微鏡觀察激光清洗後的石雕表麵，發現激光清洗後石頭的結構沒有變化，被清洗的表麵既光滑又平坦，沒有損傷(shang) 。這跟用微粒子噴射法（噴砂法）清洗後的表麵完全不同。微粒子噴射法清洗後大理石表麵結構的損傷(shang) 是難以避免的，特別是對已有硫酸鹽垢層的大理石表麵。電子顯微鏡的觀察還發現，激光照射後，表層下岩石材料的各項性質既無退化，也無改變。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 目前，用激光清洗石灰石、大理石等高檔石材料表麵汙垢的工作已成為(wei) 一項新的很有前途的業(ye) 務項目。除了對石材料的清洗外，激光清洗在玻璃、金屬、模具、磁盤以及各種微電子產(chan) 品的清洗中都有很好的效果，在汽車輪胎的生產(chan) 中，輪胎模具的底部及周邊花紋每隔二至三周需要清洗一次，每隔幾個(ge) 月就要將整個(ge) 模具徹底清洗一次。傳(chuan) 統方法是用化學藥水浸泡或噴砂清洗，不但費用昂貴、噪音大、汙染嚴(yan) 重，而且還影響到模具的表麵質量。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 另外，這類清洗方法不能實現在線清洗，清洗前的拆卸模具和清洗後的安裝模具耗時長，影響生產(chan) 流水線正常運轉。利用激光技術清洗模具即可實現在線清洗作業(ye) 。根據模具表麵有機附著物的多少和膠料結構的不同，清洗一套模具僅(jin) 需45-90分鍾（包括裝卸和清洗模具兩(liang) 側(ce) 的零件）。由於(yu) 模具表麵可以反射激光束，因此模具表麵不會(hui) 被激光損傷(shang) 。激光清洗具有很高的靈活性，用戶完全可以用此技術替代正在使用的其它方法。目前國外已用YAG激光器在輪胎生產(chan) 線上實現了輪胎模具的在線清洗，並已應用到工業(ye) 中。當模具需要清洗時，在硫化結束的同時打開硫化機，將激光模具清洗係統移到硫化機前對模具進行清洗，無需等待模具冷卻。

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注意事項

inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 清洗模具的時間與(yu) 模具的溫度無關(guan) 。操作者將激光清洗係統的頭部靠緊模具即可開始清洗。清洗過程中，激光束掃描模具表麵，並從(cong) 四個(ge) 不同角度照射模具表麵，這樣能夠保證各種類型的模具都能被清洗幹淨。清洗完一半後，將清洗機的頭部移向模具的另一半進行清洗。模具完全清洗幹淨後，將清洗裝置移向另一台需清洗的硫化機模具。清洗完的硫化機可立即投入生產(chan) 。除清洗模具外，工業(ye) 應用還包括為(wei) 輪胎作標誌，除去製動線等零部件的塗層或扁平導線上電線的剝離。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 目前國外已用YAG激光器在輪胎生產(chan) 線上實現了輪胎模具的在線清洗，並已應用到工業(ye) 中。係統若滿負荷運行，以原配輪胎生產(chan) 廠一年清洗1500副模具計，可節省生產(chan) 時間6000h；輪胎產(chan) 量可增加約3萬(wan) 套。不僅(jin) 環保，經濟效益也相當可觀。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 激光清洗技術應用在歐洲推廣應用至今已數年了，並且已有產(chan) 品，而我國僅(jin) 剛剛起步，主要是激光設備的投資昂貴，普遍應用還有一定難度，激光清洗技術與(yu) 傳(chuan) 統清洗技術相比較，有無法比擬的優(you) 點。目前輪胎模具高效率低成本的清洗方法急需推廣，據不完全統計，我國輪胎及其製品廠家數千家，年產(chan) 一百萬(wan) 套以上輪胎的企業(ye) 也不下2000家。年產(chan) 量在一百萬(wan) 套輪胎的廠家擁有的模具就有幾萬(wan) 套，且一套模具使用3周左右就需清洗一次。可見推廣應用激光技術清洗的意義(yi) 重大。相信在此技術不斷完善的基礎上，隨著設備的批量生產(chan) ，激光清洗技術將在輪胎模具清洗或其他的清洗業(ye) 中發揮重要的作用，具有很好的發展前景。

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激光清洗效益分析

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 然而，設備的首期投資較高，達30-60萬(wan) 美元。因此工廠需要確立一個(ge) 合理的投資回收計劃。典型的JET激光係統工廠可以在18個(ge) 月內(nei) 取得投資回收。硫化停工時間短，勞動力成本低，模具磨損少以及較低的生產(chan) 成本是潛在的效益。譬如，一台日產(chan) 20000條輪胎的設備，按8台硫化機（16模）每天平均清洗一次的要求，假設每班清洗3台硫化機或每天清洗9台硫化機（有的工廠清洗兩(liang) 次）從(cong) 硫化機上拆下兩(liang) 半模具進行脫機清洗，大約需要15h的作業(ye) 和10h的停機時間，如采用激光對兩(liang) 半模具進行清洗，則需要0.3h的作和3h的停機時間，這樣，清洗完一台硫化機就可以節約14h的作業(ye) 和7h的停機時間。又假設，隻做10次清洗（5台硫化機），5次在模具車間進行脫機清洗，采用激光清洗將產(chan) 生巨大的回報：每天可節約70小時的作業(ye) 和35小的的停機時間，那麽(me) 按一年320天的工作日算，每年可增加22400小時作業(ye) 和11200小時的上機時間。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 激光清洗設備的維修和維護費用也應該計算在內(nei) ，為(wei) 擦幹淨激光鏡和清除沉積在過濾器上的殘餘(yu) 物，每周需對裝置進行30min的維護，每4周對主要部件進行60min的檢修。每6個(ge) 月按照製造商的要求對裝置進行常規維護並運行一次激光係統。大部分機械部件可以和激光器機架一樣都有10年以上的使用壽命，一些激光部件在使用大約300h後要求替換。這些零部件可在常規預防維修期間進行現場更換。激光裝置加上其一年的保修服務。包括易損件的更換並提供典型備件，總算起來操作成本約為(wei) 第小時4-8美元。所有設備都有安裝有Modem(調製調節器)，這樣製造商可以提供遠程服務。

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小結和展望

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 激光清洗技術比傳(chuan) 統的清洗技術有很大的優(you) 勢，在經濟效益和“綠色”工程方麵都能給社會(hui) 帶來很大的好處，市場前景相當廣闊。而我國現在在這方麵的研究還是不夠的，如果能夠利用我們(men) 現有的激光技術，開發配套的激光清洗設備，並使之投入生產(chan) ，實現產(chan) 業(ye) 化，是完全可能的。隨著激光器成本的下降，必將使得激光清洗技術逐漸得以普及，這對推動高新技術產(chan) 業(ye) 發展的本身也是有重要意義(yi) 的。

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