激光表面處理技術(shù)是指通過激光與材料的相互作用使材料表面發(fā)生所希望的物理化學(xué)變化，從而達(dá)到改善其表面性能的一種技術(shù)。它是利用激光束快速、局部地加熱材料，以實(shí)現(xiàn)局部急熱、熔融或燒蝕等，并可在多種環(huán)境下進(jìn)行處理；通過改變激光源或激光參數(shù)，可解決不同材料表面處理的工藝問題。
近年來，隨著機(jī)械制造等行業(yè)的不斷發(fā)展以及工業(yè)4.0 與智能制造的提出，與之相適應(yīng)的激光表面處理的研究和應(yīng)用也呈快速發(fā)展的趨勢(shì)，其加工對(duì)象、工藝方法、應(yīng)用領(lǐng)域等也在不斷拓展之中。根據(jù)表面處理目的不同，激光表面處理通常分為：表面改性處理（如激光上釉、激光重熔等）與去除處理（如激光清洗等）。
激光清洗作為激光表面處理技術(shù)中的一種，近年來也愈發(fā)獲得廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。激光清洗主要通過低功率、高能量密度的脈沖激光束作用于工件表面，使其表面的污物、氧化層、鍍層或涂層等受熱發(fā)生瞬間的熔融、燒蝕、蒸發(fā)或剝離，從而達(dá)到工件表面潔凈化的工藝過程。
激光清洗屬于干洗，與傳統(tǒng)的機(jī)械及化學(xué)等清洗方法相比，具有清洗效果好、控制精度高、對(duì)環(huán)境無污染、基本不損傷基體、屬于非接觸式的清洗等優(yōu)點(diǎn)，由此可見，激光清洗工藝是一種“綠色”清洗工藝。目前，激光清洗已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)中，常見的應(yīng)用如表1 所示。
表1 激光表面清洗的主要應(yīng)用
大脈沖能量光纖激光器的優(yōu)勢(shì)
光纖激光器相較于固體激光器、CO2 激光器等具有電光轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)構(gòu)小巧、性能穩(wěn)定、免維護(hù)、易集成等優(yōu)勢(shì)。隨著國(guó)內(nèi)外光纖激光技術(shù)的不斷突破與發(fā)展，采用光纖激光器的激光清洗設(shè)備在激光清洗領(lǐng)域正逐步展現(xiàn)出良好的性能優(yōu)勢(shì)及廣闊的應(yīng)用前景。
圖1 飛博激光Pluto 大脈沖能量光纖激光器
上海飛博激光科技有限公司生產(chǎn)的Pluto系列大脈沖能量光纖激光器（圖1）具有較高的單脈沖能量、較好的光束質(zhì)量、較大的光斑及可匹配較長(zhǎng)的焦深等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn)，使得這類激光器在激光清洗、去除、深雕等表面處理領(lǐng)域?qū)⒄宫F(xiàn)出非常大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。目前，飛博激光大脈沖能量光纖激光器最大功率已達(dá)到200W，其單脈沖能量可達(dá)到4mJ 且光束質(zhì)量M2接近3。
大脈沖能量光纖激光器在激光清洗中的應(yīng)用
以下部分是采用飛博激光Pluto 大脈沖能量光纖激光器進(jìn)行的激光清洗（除鐵銹、除漆）及其它表面處理方面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、效果分析及相關(guān)說明。
◆ 實(shí)驗(yàn)裝置及方法
實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如下圖2 所示，整個(gè)清洗系統(tǒng)由飛博激光大脈沖能量光纖激光器、振鏡掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工作臺(tái)及相關(guān)輔助設(shè)備構(gòu)成。其工作方法為：將激光器發(fā)出的光束通過掃描振鏡和場(chǎng)鏡后作用于工件表面，同時(shí)調(diào)節(jié)相關(guān)工藝參數(shù)使工件表面實(shí)現(xiàn)或達(dá)到所要求的工藝效果。
圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
實(shí)驗(yàn)中采用的是飛博激光Pluto系列150W大脈沖能量光纖激光器，其主要參數(shù)指標(biāo)由表2列出。
表2 飛博Pluto150W 主要參數(shù)指標(biāo)。
◆ 清洗工藝過程說明
激光清洗是一個(gè)復(fù)雜的過程，該過程中包括燃燒氣化、熱沖擊與熱振動(dòng)、聲波震碎等一系列復(fù)雜的化學(xué)物理效應(yīng)，其中燃燒氣化是主要因素。但除了這三個(gè)主要機(jī)理外，其過程中還可能包括光子壓力、激光軟燒蝕、等離子體產(chǎn)生爆炸等機(jī)理。
◆ 激光清洗的工藝參數(shù)
激光清洗的工藝主要受激光器類型、激光功率、清洗速度、填充密度及清洗次數(shù)等因素影響，且這些因素是相互影響、共同作用的。實(shí)際清洗過程中需根據(jù)去除層材料性能（如生銹程度、涂層厚度）等具體情況來綜合匹配符合工藝要求的工藝參數(shù)。其匹配原則應(yīng)是：快速高效，清洗效果優(yōu)良。
1、激光清洗應(yīng)用——除鐵銹
激光除銹應(yīng)用的范圍非常廣泛。如橋梁、電視發(fā)射塔、高壓輸電線路的鐵架等高架建筑物的表層銹蝕、鍍鋅板表面的紅銹、銅材表面的氧化層等。如果利用傳統(tǒng)的除銹方法進(jìn)行清除，工程龐大而復(fù)雜，并且銹粉不僅有害于工人的身體健康，而且嚴(yán)重污染環(huán)境。而激光在這方面卻大顯身手，可以高效快捷的除去金屬表面或角落的銹蝕，并且還可防止進(jìn)一步氧化。
圖3、激光除鐵銹樣件。
激光除銹作為一項(xiàng)新興的清洗工藝，在碳鋼表面除銹領(lǐng)域擁有巨大的發(fā)展前景。圖3是使用飛博激光Pluto150W光纖激光器進(jìn)行的除鐵銹實(shí)驗(yàn)時(shí)所獲得的除鐵銹樣件。
實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用Pluto150W光纖激光器作為清洗光源，通過配置焦距為330mm 的場(chǎng)鏡，匹配出了接近10mm的激光焦深。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：這樣的光學(xué)配置有效的實(shí)現(xiàn)并提高了激光的除鐵銹工藝效果，并且清洗過程中工件表面的凹凸部分可同時(shí)得到清洗且與其他部分的效果一致?？梢姡w博Pluto激光器非常適合進(jìn)行基于除銹的激光表面清洗；并且在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，對(duì)工件表面進(jìn)行兩次不同方向的掃描清洗時(shí)，清洗效果最佳。
2、激光清洗應(yīng)用——除漆
激光除漆作為一種高效、快捷的清洗方法，通常應(yīng)用于宏觀工業(yè)領(lǐng)域。在激光除漆過程中，激光作用于油漆涂層上，油漆涂層在脈沖時(shí)間內(nèi)吸收激光能量并將其轉(zhuǎn)化為熱能使油漆的溫度在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到其氣化溫度從而實(shí)現(xiàn)除漆的效果。
圖4、激光除漆樣件。
用激光除去物體表面漆層是一種先進(jìn)的退漆工藝，同傳統(tǒng)的溶劑系統(tǒng)和噴砂法相比，激光除漆不會(huì)造成環(huán)境污染，并且激光束易于控制，能除掉不規(guī)則表面上的漆層。圖4是使用飛博激光Pluto150W光纖激光器進(jìn)行的除漆實(shí)驗(yàn)時(shí)所獲得的除漆樣件。
圖5、激光深雕樣件。
由于非金屬的油漆對(duì)1080nm波段光的吸收率較低，為了提高除漆的效率，實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用給Pluto 150W光纖激光器配置焦距為160mm的場(chǎng)鏡，以提高作用于工件表面光斑的能量密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：激光除漆的效率受油漆的顏色、漆層厚度及附著強(qiáng)度等因素的影響明顯，不同除漆工件的除漆效率差異較大。圖4中灰色漆層較厚且附著力較強(qiáng)，去除時(shí)需幾次重復(fù)清洗才可完全去除，去除效果如圖中除漆區(qū)所示。總之，只要匹配出好的工藝參數(shù)，上述油漆都可實(shí)現(xiàn)相對(duì)快速的去除，并且除漆效果優(yōu)良。
圖6、激光毛化樣件。
3、大脈沖能量激光器表面處理的其他用途
飛博激光大脈沖能量激光器在激光深雕和激光毛化的處理方面也展現(xiàn)出非常好的性能優(yōu)勢(shì)。下圖5和圖6分別為采用此種大脈沖能量激光器在鋁板上的深雕樣件及在鑄鐵表面的毛化樣件。
結(jié)束語
飛博激光大脈沖能量光纖激光器（Pluto系列）可對(duì)多種材料的表面進(jìn)行清洗或處理，并展現(xiàn)出優(yōu)良、高效的工藝效果；而且相比于當(dāng)前市場(chǎng)上用于激光清洗的固體激光器具有電光轉(zhuǎn)化效率高，結(jié)構(gòu)小巧，性能穩(wěn)定，免維護(hù)、成本低等優(yōu)勢(shì)。
目前，公司正致力于將此類激光器與清洗設(shè)備的結(jié)合開發(fā)中，預(yù)期將有效提高激光清洗設(shè)備的性價(jià)比，以進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)激光清洗行業(yè)的快速發(fā)展。
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