激光清洗技术原理及其应用进展

张 飞,陈泽伟,张智宁,黄辉宇,吴惠芸,平金峰

(1.汕头大学,广东 汕头 515063;2.汕头华兴冶金设备有限公司,广东 汕头 515063)

随着我国航空航天、石油化工、高铁、武器、核电等高端领域的不断发展,各个装备组件所处的环境也发生相应变化,对金属材料组件性能有着越来越高的要求。为提升装备整体性能,延长零部件的使用寿命,在不改变基体材料的前提下,激光清洗技术得到了人们的广泛关注与研究[1]。常见的工业清理方法有机械打磨清洗法、高压水射流清洗法、化学清洗法等,但这些方法都有着工作效率低、环境恶劣,容易对工件表面造成损伤,且无法满足高清洁度和高精度的清洗要求,而且有着相应的技术难点,还在一定程度上对工作人员造成健康伤害。因此,我们需探寻清洁更加高效且不损伤金属材质的清洗方法来更有效替代传统的清洗方法。激光清洗技术相对于传统方法则具有无需耗材辅料,不会损伤金属器具,清除的固体粉末易于收集,对环境无污染的优点[2-4]。本文将简要分析激光清洗方案工作的基本原理,并详细阐述激光清洗技术在金属模具、船舶板块、飞机金属蒙皮及其他生活中常见领域的应用[5,6]。

1 激光清洗技术原理及特点

激光清洗技术本质是去除固体表面不同材料和脏污粒子及膜层。激光清洗技术是通过光学系统聚焦及光斑整形后形成的具有特定光斑形状的激光束,照射到被污染的需要清洗的材料位置,以振动、熔化、燃烧,甚至气化作用去除基体表面附着物的表面处理技术,原理如图1所示[7]。

图1 激光清洗原理示意图[8]

整个清洗过程则是激光有规律高速扫描作用在表层带有污物的基材表面,污物达到熔化或气化点直接燃烧汽化分解而脱离基材表面,而激光作用在基材表面,绝大部分都是被反射掉,基本对基材不会造成损伤,从而达到无污染,无损伤的清洗效果[9,10]。而整个激光清洗的实质是激光与污染层之间的化学作用。根据研究表明,污染物和其所附着的物体表面之间的结合力主要为共价键、双偶极子等结合。激光清洗则是通过连续激光来克服污物与基体表面之间的作用力,从而达到完成激光清洗的目的[11,12]。常见的激光清洗方法有[13,14]:

(1)激光干洗法[15]。即不采用辅助方法,直接将激光辐射到基体表面,主要适用于常见的脱漆除锈及工业生产中的金属表面处理。

(2)激光湿洗法[16,17]。即先在基体表面覆盖一层液态介质,再用激光辐射去污,主要适用于文物的修复。

(3)惰性气体法。即在使用激光干洗法时,将惰性气体释放至基体表面,避免清洗过的表面被二次污染,主要适用于航空、航天及精密机械材料的清洗。

(4)非腐蚀化学法。即先使用激光辐射基体表面将污物半脱离,再用非腐蚀的化学药剂去除污物,主要适用于石质材料的清洗。

总而言之,激光清洗技术是一种不同于化学清洁液或其他传统清洗工艺的“绿色环保”的新技术。可有效清理微米或亚微米级别的微粒污物[18],具有稳定性,清洗效率高,实现自动化程度高等优点[19,20]。

2 常见应用进展

了解了激光清洗技术的基本原理,可根据其不同特点对不同场景有所运用。本文将引用具体实验来简要介绍其中几种。

2.1 金属模具

金属模具在生活中很常见,在实际使用过程中,使用环境的温度、湿度、日晒程度、压力等可能导致金属模具与其他物品的微观干扰、反应等,这些因素都有可能引起金属模具损坏,因此需定期对其进行维护。由于人工维护成本高,容易对工件表面造成损伤,且对工作人员操作水平有较高要求。因此,激光清洗技术清洗效率高,对环境无污染的特点可以满足该领域的需求。这里举例316L不锈钢表面污染物(图2)的激光清污。

图2 1316L不锈钢截面氧化层形貌[21]

316L不锈钢强度高、塑韧性好,且耐腐蚀性能优异,因此被广泛应用于核电站内部结构件中。传统清理方法为物理法与化学法。其中,物理法主要为超声波法、高压水喷射法;化学去污中循环浸泡法在我国核电站中应用较为常见,但是去污效率低,对基体腐蚀损伤较重,还易产生二次废液,大大影响去污效果。

据研究设计正交实验,对各个影响参数进行合理的正交试验设计能够将复杂的参数优化过程简化。确定合适的清洗梯度阈值,实现工艺试验的优化,再完成前期准备工作,调整激光不同参数,来测试激光对污染物的清洗效果,对比清洗前和清洗后金属模具各个方面性能有无变化。根据相关实验得出,激光清洗技术对316L不锈钢样本清洗,不仅能充分发挥其去污价值,还不会对试验样本的表面特征以及结构等造成显著影响。由实验结果可知,激光清洗对316L不锈钢的清洗效果较好,还可降低相关设施的能耗[22,23]。激光清洗技术在这方面的应用,可有效延缓316L不锈钢在各种工作环境中的表面腐蚀速度,对316L不锈钢的生产与使用具有一定积极意义。

2.2 船舶板材

船舶长期在海洋环境中航行,由于海水的腐蚀性,船体板材会存在严重的锈蚀。船体上还有大量海洋生物附着物,也会严重影响船舶的航行性能。EH36钢板具有耐海洋环境腐蚀性,因此被运用于船舶板材。目前,船舶除漆除锈的传统清洗方式主要包括:机械打磨、喷砂处理、高压水射流、化学清洗等[25]。传统清洗方式虽然基本满足船体清洗需求,但是普遍存在劳动强度大,对环境造成严重污染。部分产业激光清洗技术已非常成熟,在很多行业被广泛应用,在船舶板材清洗方面也有研究。基于船舱内可能存在的污染物,对其表面进行腐蚀生锈、手工上漆以及涂抹油污等处理,模拟船板待清洗的状态,再利用激光清洗技术进行除漆除锈。对比激光清污前后(图3),激光清污具有显著效果。

(a)油污染表面;(b)激光除油污后图3 激光除油污前后表面微观形貌[26]

但激光清洗表面后,仍需研究表面状态的改变是否对船板基体性能造成影响,因此针对清洗前后的样品力学性能进行测试。经过对清洗前后试样的力学性能进行分析[26],清洗工艺能够略微提升表层硬度和力学性能,且硬度提升程度受到工艺参数的影响。因此,可以认为激光清洗是一个无损过程,仅会对表层硬度产生小幅提升。由实验可知,激光清洗相对传统方法确实为一种更为环保、无污染的清污方式。但目前激光除漆的效率相对较低,一个小时大约只能清洗零点几平方米,远低于传统喷砂除漆效率。因此开发激光除漆后海洋装备的性能评估方法,形成质量评价标准,也是激光除漆技术产业化应用的重要支撑[24]。

2.3 飞机蒙皮

在飞机高速飞行过程中,飞机蒙皮表面油漆涂层容易出现老化、破损、脱落等现象,极大地降低油漆涂层的防腐蚀效果和保护作用。因此,航空航天材料表面蒙皮清理清洗是保证航空航天飞行器正常运作的基本保障。而传统除漆方式普遍存在效率低、耗能高、漆层去除厚度精度不足、表面均匀性差等缺点,无法满足飞机蒙皮漆层的可控清除要求。激光清洗则是一种新型的表面清理技术,逐步开始应用于航空航天材料表面清洗[27]。

由于钛合金具有优良的力学性能, 在现代工业中得到了广泛应用,尤其是在航空领域。但由于钛合金属于典型的难加工难清洗材料[28],传统的清理方案难以满足航空产业对零件加工精度、质量及加工效率等方面的要求。利用激光清洗在安全性、经济性、清洗效率、基材损伤等方面具有突出优势,而且激光时空定位准确,适用于飞机蒙皮上复杂形状的机身与结构件。因此激光清洗被认为是未来航空航天材料表面清洗领域最具前景的解决办法。

根据研究表明,Wen[29]等采用脉冲激光对 Ti-6Al-4V 钛合金表面涂层的清洗过程进行研究,根据试验结果表明,不同密度的激光清洗飞机蒙皮的效果大有不同,如图4所示。

图4 激光清洗TA15钛合金氧化膜表面结构随激光能量密度增加的演化差异图[30]

但从整个清洗效果来看,其横截面微观形貌如图5所示。激光清洗钛合金的机理以烧蚀作用为主,并伴有膨胀振动作用。结果表明,激光清洗通过光化学和光热烧蚀去除表面污染物,钛合金在表面被清洗干净时都会轻微重熔并产生浅坑,非常利于后续的涂覆或焊接处理。

图5 激光清洗后的钛合金材料横截面[31]

综上所述,激光清洗技术在飞机蒙皮上有着巨大优势。随着激光技术的完善,达到航空航天领域高精度高稳定性的清洗要求,可实现高效、无损的清洗效果。随着今后激光清洗系统设备的不断升级,工艺技术的提升以及精度定位、自动控制、实时检测等相关技术的辅助配合,这种无耗材、无污染的智能清洗工艺在航空航天领域的应用将会更加广泛[32]。

2.4 其他领域

根据激光清洗技术精准定位、高效去除、适用基材泛等优点,其应用价值不仅在上述场景,在生活中的其他方面也有涉及,这里简单介绍其他领域激光清洗技术的运用[33-35]。

(1)文物清洗领域。在整个清洗过程,控制激光清洗的强度,对相应文物实现逐层级的微纳清洗。激光清洗技术已经广泛应用石质文物、金属、壁画类文物等。随着激光技术的持续发展,针对不同类型的文物,会有更加适合的激光系统和更加优化的清洗参数,推动激光清洗技术在文化遗产修复和保护领域更加广泛的应用和发展。

(2)核生化洗消领域。通过激光清洗光去除装备表面的放射性物质、毒剂、生物战剂等,避免或减轻核生化危害,实现装备和物资的正常使用。由于不同洗消对象、不同污染物物理化学性质差异,激光洗消的相关参数还需要进一步的研究。

(3)轨道车辆焊接领域。将激光清洗技术应用于自动焊接前去除油污及氧化膜过程中,实现边清理边焊接的效果,可省去型材组装前的除油打磨工序,提高组装效率。但由于相关技术原因,目前仍处于起步阶段。

3 总结

激光清洗技术是通过高能量密度的激光照射基体表面污染层,实现热量集中聚集,快速加热污染层与氧化层,导致形成化学和物理反应,实现污染层、杂质颗粒和氧化层等污染物脱离金属表面的新兴技术。随着研究的深入,激光清洗技术的应用会越来越广泛。