激光清洗技術概論及其在輪胎業(yè)上的應用

一、引言

在工業(yè)生產(chǎn)、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(yè)制品在電鍍、磷化、噴涂、焊接、包裝以及集成線路的裝配時，為保證下道工序中工件的質量，必須除去產(chǎn)品表面上的油脂、灰塵、銹垢或殘留的溶劑、粘結劑等污物。由于環(huán)境污染和保護不善等原因，很多的文物和藝術品正逐漸被銹蝕和污損，為恢復舊貌，需對文物表面的污垢及銹跡進行清洗。

傳統(tǒng)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面污物；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面附著物業(yè)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(chǎn)生的振動效應除去污垢。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(huán)境保護和高精度要求下其應用受到很大的限制。機械清洗法無法滿足高清潔度清洗要求，容易損傷被清洗工件的表面積而化學清洗方法容易導致環(huán)境污染，獲得的清潔度也很有限，特別是當污垢成分復雜時，必須選用多種清洗劑反復清洗才可能滿足表面消潔度的要求。超聲波清洗法盡管清洗效果不錯，但對亞微米級污粒的清洗無能為力，清洗槽的尺寸限制了加工零件的范圍和復雜程度，而且清洗后對工件的干燥亦是一大難題。

近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強，給世界范圍內清洗業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)，各種有利于環(huán)境保護的清洗技術應運而生，激光清洗技術就是其中之一。所謂激光清洗技術是指利用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、銹斑或涂層發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離，高速有效地清除清潔對象表面附著物或表面涂層，從而達到潔凈的工藝過程。它是基于激光與物質相互作用效應的一項新技術，與傳統(tǒng)的機械清洗法、化學腐蝕清洗、液體固體強力沖擊清洗、高頻超聲清洗等傳統(tǒng)清洗方法相比，有明顯的優(yōu)點。它高效、快捷、成本低，對基片產(chǎn)生的熱負荷和機械負荷小，清洗為非損傷；廢物可回收，無環(huán)境污染物安全可靠，不損害操作人員健康證可以清除各種不同厚度、不同成份的涂層次清潔過程易于實現(xiàn)自動化控制，實現(xiàn)遠距離遙控清洗等。

二、激光清洗的原理和方法

激光的特點是具有高方向性，單色性，高相干性和高亮度。通過透鏡的聚焦和Q開關，可以把能量集中到一個很小的空間范圍和時間范圍內。在激光清洗處理中，主要利用了激光的以下特性：

1、 激光可以實現(xiàn)能量在時間和空間上的高度集中，聚焦的激光束在焦點附近可產(chǎn)生幾千度甚至幾萬度的高溫，使污垢瞬間蒸發(fā)、氣化或分解。2、激光束的發(fā)散角小，方向性好，通過聚光系統(tǒng)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，控制不同直徑的激光束光斑可以調整激光的能量密度，使污垢受熱膨脹。當污垢的膨脹力大于污垢對基體的吸附力時，污垢便會脫離物體的表面。3、激光光束可以通過在固體表面產(chǎn)生超聲波，產(chǎn)生力學共振，使污垢破碎脫落。激光清洗技術正是利用了上述激光的特性從而達到清洗的目的。根據(jù)被清洗基體物質與被清除污垢的光學特性，可以將激光清洗機理分為兩大類：一類是利用清洗基片（也稱為母體）與表面附著物（污物）對某一波長激光能量的吸收系數(shù)具有很大的差別。輻射到表面的激光能量大部分被表面附著物所吸收，從而受熱或氣化蒸發(fā)，或瞬間膨脹，并被形成的氣流帶動，脫離物體表面，達到清洗目的。而基片由于對該波長的激光吸收能量極小，不會受到損傷。對此類激光清洗，選擇合適的波長和控制好激光能量大小，是實現(xiàn)安全高效清洗的關鍵。另一類適用于清潔基片與表面附著物的激光能量吸收系數(shù)差別不大，或基片對涂層受熱形成的酸性蒸氣較為敏感，或涂層受熱后會產(chǎn)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復率的脈沖激光沖擊被清洗的表面，使部分光束轉換成聲波。聲波擊中下層硬表面后，返回的部分與激光產(chǎn)生的入射聲波發(fā)生干涉，產(chǎn)生高能波，使涂層發(fā)生小范圍的爆炸，涂層被壓成粉末，再被真空泵清除，而底下的基片卻不會損傷。

從方法上分析，激光清洗方法有4種：1、激光干洗法，即采用脈沖激光直接輻射去污；2、激光+液膜方法，即首先沉積一層液膜于基體表面，然后用激光輻射去污；當激光照射于液膜上時，液膜急劇受熱，產(chǎn)生爆炸性汽化，爆炸性沖擊波使基體表面的污物松散。并隨沖擊波飛離加工物體表面，達到去污的目的。3、激光+惰性氣體的方法，即在激光輻射的同時，用惰性氣體吹向基體表面，當污物從表面剝離后會立即被氣體吹離表面，以避免表面再次污染和氧化；4、運用激光使污垢松散后，再用非腐蝕性化學方法清洗。目前，常用的是前3種方法。第4種方法僅應用于石質文物的清洗中，而一個完整的激光清洗系統(tǒng)包括：激光器或YAG激光器）、試樣加工臺、導光系統(tǒng)、控制臺、輔助系統(tǒng)（如量熱計、光束輪廓儀及其附件）。對于激光+液膜的清洗方法，還有液膜沉積系統(tǒng)。當采用激光+惰性氣體的清洗方法時，還應該包括惰性氣體的進入和排除系統(tǒng)。

三、激光清洗的應用現(xiàn)狀

石雕和石刻等年代久遠的高檔石質藝術品，由于其極精細和易損的表面結構，成為激光清洗技術應用最早的領域。人們發(fā)現(xiàn)，用激光清除石質文物表面的污垢有其獨特的優(yōu)勢，它能夠十分精確地控制光束在復雜的表面上移動，清除污垢而不損傷文物石材。例如:1992年9月聯(lián)合國教科文組織所屬的世界文化遺產(chǎn)保護組織為紀念該組織創(chuàng)建二十周年，實施了對著名的英國亞明大教堂的維修工程。亞明大教堂西側的圣母門上精美的大理石雕刻是工程的關鍵。在為期一年的圣母門維修工程中，維修人員借助于激光，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，大理石表面原來的色澤體現(xiàn)出來，使精美的雕刻重現(xiàn)光彩。又如：英國最重要的石雕收藏處之一的英斯布倫蒂爾的石雕收藏品經(jīng)激光清洗后，也得到了同樣的效果。人們用電子顯微鏡觀察激光清洗后的石雕表面，發(fā)現(xiàn)激光清洗后石頭的結構沒有變化，被清洗的表面既光滑又平坦，沒有損傷。這跟用微粒子噴射法（噴砂法）清洗后的表面完全不同。微粒子噴射法清洗后大理石表面結構的損傷是難以避免的，特別是對已有硫酸鹽垢層的大理石表面。電子顯微鏡的觀察還發(fā)現(xiàn)，激光照射后，表層下巖石材料的各項性質既無退化，也無改變。目前，用激光清洗石灰石、大理石等高檔石材料表面污垢的工作已成為一項新的很有前途的業(yè)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(chǎn)品的清洗中都有很好的效果，在汽車輪胎的生產(chǎn)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，每隔幾個月就要將整個模具徹底清洗一次。傳統(tǒng)方法是用化學藥水浸泡或噴砂清洗，不但費用昂貴、噪音大、污染嚴重，而且還影響到模具的表面質量。另外，這類清洗方法不能實現(xiàn)在線清洗，清洗前的拆卸模具和清洗后的安裝模具耗時長，影響生產(chǎn)流水線正常運轉。利用激光技術清洗模具即可實現(xiàn)在線清洗作業(yè)。根據(jù)模具表面有機附著物的多少和膠料結構的不同，清洗一套模具僅需45-90分鐘（包括裝卸和清洗模具兩側的零件）。由于模具表面可以反射激光束，因此模具表面不會被激光損傷。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(chǎn)線上實現(xiàn)了輪胎模具的在線清洗，并已應用到工業(yè)中。當模具需要清洗時，在硫化結束的同時打開硫化機，將激光模具清洗系統(tǒng)移到硫化機前對模具進行清洗，無需等待模具冷卻。同時注意：清洗模具的時間與模具的溫度無關。操作者將激光清洗系統(tǒng)的頭部靠緊模具即可開始清洗。清洗過程中，激光束掃描模具表面，并從四個不同角度照射模具表面，這樣能夠保證各種類型的模具都能被清洗干凈。清洗完一半后，將清洗機的頭部移向模具的另一半進行清洗。模具完全清洗干凈后，將清洗裝置移向另一臺需清洗的硫化機模具。清洗完的硫化機可立即投入生產(chǎn)。除清洗模具外，工業(yè)應用還包括為輪胎作標志，除去制動線等零部件的涂層或扁平導線上電線的剝離。

目前國外已用YAG激光器在輪胎生產(chǎn)線上實現(xiàn)了輪胎模具的在線清洗，并已應用到工業(yè)中。系統(tǒng)若滿負荷運行，以原配輪胎生產(chǎn)廠一年清洗1500副模具計，可節(jié)省生產(chǎn)時間6000h；輪胎產(chǎn)量可增加約3萬套。不僅環(huán)保，經(jīng)濟效益也相當可觀。

激光清洗技術應用在歐洲推廣應用至今已數(shù)年了，并且已有產(chǎn)品，而我國僅剛剛起步，主要是激光設備的投資昂貴，普遍應用還有一定難度，激光清洗技術與傳統(tǒng)清洗技術相比較，有無法比擬的優(yōu)點。目前輪胎模具高效率低成本的清洗方法急需推廣，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國輪胎及其制品廠家數(shù)千家，年產(chǎn)一百萬套以上輪胎的企業(yè)也不下2000家。年產(chǎn)量在一百萬套輪胎的廠家擁有的模具就有幾萬套，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(chǎn)，激光清洗技術將在輪胎模具清洗或其他的清洗業(yè)中發(fā)揮重要的作用，具有很好的發(fā)展前景。

四、激光清洗效益分析

下面以激光清洗輪胎模具為例，說明激光清洗與脫機噴砂清洗和干冰清洗設備相比的經(jīng)濟效益。激光清洗技術具有明顯優(yōu)勢：清洗快速，勞動強度低，無磨損，對操作員無危險

然而，設備的首期投資較高，達30-60萬美元。因此工廠需要確立一個合理的投資回收計劃。典型的JET激光系統(tǒng)工廠可以在18個月內取得投資回收。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(chǎn)成本是潛在的效益。譬如，一臺日產(chǎn)20000條輪胎的設備，按8臺硫化機（16模）每天平均清洗一次的要求，假設每班清洗3臺硫化機或每天清洗9臺硫化機（有的工廠清洗兩次）從硫化機上拆下兩半模具進行脫機清洗，大約需要15h的作業(yè)和10h的停機時間，如采用激光對兩半模具進行清洗，則需要0.3h的作和3h的停機時間，這樣，清洗完一臺硫化機就可以節(jié)約14h的作業(yè)和7h的停機時間。又假設，只做10次清洗（5臺硫化機），5次在模具車間進行脫機清洗，采用激光清洗將產(chǎn)生巨大的回報：每天可節(jié)約70小時的作業(yè)和35小的的停機時間，那么按一年320天的工作日算，每年可增加22400小時作業(yè)和11200小時的上機時間。

激光清洗設備的維修和維護費用也應該計算在內，為擦干凈激光鏡和清除沉積在過濾器上的殘余物，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個月按照制造商的要求對裝置進行常規(guī)維護并運行一次激光系統(tǒng)。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后要求替換。這些零部件可在常規(guī)預防維修期間進行現(xiàn)場更換。激光裝置加上其一年的保修服務。包括易損件的更換并提供典型備件，總算起來操作成本約為第小時4-8美元。所有設備都有安裝有Modem(調制調節(jié)器)，這樣制造商可以提供遠程服務。

綜合以上因素，總體來看，激光清洗技術的經(jīng)濟效益是十分顯著的。

五、小結和展望

激光清洗技術比傳統(tǒng)的清洗技術有很大的優(yōu)勢，在經(jīng)濟效益和“綠色”工程方面都能給社會帶來很大的好處，市場前景相當廣闊。而我國現(xiàn)在在這方面的研究還是不夠的，如果能夠利用我們現(xiàn)有的激光技術，開發(fā)配套的激光清洗設備，并使之投入生產(chǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的本身也是有重要意義的。