激光清洗与机械摩擦清洗、化学药剂清洗、高频振动清洗等传统清洗方法相比,激光清洗技术具有以下许多的显著特点:
( 1) 绿色环保。激光清洗技术不需要使用化学药剂,不会产生废液污染水体;
( 2) 对基材的损伤小。不需要与基材接触,也不需要对基材施加任何机械作用力;
( 3) 具有高度的灵活性。方便实现自动化;
( 4) 清洗效果极佳。选择不同波长、不同加工参量的激光器能很方便地清洗基材表面附着的各种不同污染物;
( 5) 清洁效率较高。
激光清洗技术是指高能量密度、高重频激光束照射到基材表面时,基材表面的污渍吸收激光束所携带的能量后,二者之间的结合力( 共价键、双偶极子、毛细管效应、范德华力) 遭到破坏,最后污渍脱离基材表面的过程。激光清洗示意图如图 1 所示。
激光清洗是一个非常复杂的过程,它涉及到烧蚀、熔化、气化、膨胀等物理过程,以及分解、电离、降解、燃烧等化学过程,而且在清洗过程中,多个机制有可能会同时存在。总体而言,激光清洗技术主要可以分为 3种典型的方法: 激光烧蚀清洗法、激光液膜辅助清洗法和激光冲击波清洗法。
激光烧蚀清洗法的主要机制包括热膨胀、气化、烧蚀和相爆炸等,如图2 所示。当激光束通过空气、稀有气体或真空后与基材接触时,受热的基材与污渍同时膨胀。随着照射时间的延长,根据污渍与基材阈值的不同,可能会出现两种情况: ( 1) 当污渍的烧蚀阈值小于基材时,通过调整激光束的能量密度,就可在不损伤基材的情况下对污渍进行有效的清洗; ( 2) 当污渍的烧蚀阈值大于基材时,如果不想损伤基材,污渍就不能完全地去除。此时,如果必须要达到清洗的目的,则需仔细调整各项激光参量,将基材的损伤降低到最小程度。
无论以上哪种情况,在清洗过程中都会出现各种物理与化学上的复杂变化,如分子键断裂、分解、降解、相爆炸、气化、电离、产生等离子体等。此外,由于基材与污渍的热膨胀系数存在着差异,两者之间的界面的形状也会同时发生变化,从而导致污渍喷射飞离基材的表面。
在工业生产与制造业中,使用激光技术清洗相应工件时,不仅能迅速除去工件表面的污染物微粒,而且能在大多数金属材料的表面形成一层保护膜,可防止基材锈蚀并大大提高金属材料的抗腐蚀性能。
此外,大多数生产设备在长期使用后,一般会出现锈蚀、污渍、废料等在设备表面逐渐积聚的情况。使用常规喷砂、化学溶剂等清洗工艺清洁设备的表面,必然会导致靶标表面的损耗,降低设备的寿命。使用激光清洗技术可大大提高清洗效率,减少企业在设备维护上的开支,延长设备的使用寿命。
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