高能光纖脈沖激光清洗技術(shù)工藝研究

關(guān)雪丹，高瀚，吳夢瑩，吳玉，陳嘉杰

（1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000；2.廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538000）

0 引言

我國是傳統(tǒng)制造業(yè)大國，根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2020年我國工業(yè)增加值達到31.31萬億元，連續(xù)11年位居世界第一制造業(yè)大國，工業(yè)清洗是工業(yè)發(fā)展不可或缺的重要組成部分。長期以來，工業(yè)清洗領(lǐng)域一直以物理及化學(xué)方式清洗主導(dǎo)，隨著工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的清洗方式由于人工成本、環(huán)保及效率的問題正逐漸被淘汰。激光清洗，由于其綠色環(huán)保、質(zhì)量可控，可方便集成自動化產(chǎn)線，在出現(xiàn)之初就受到廣泛關(guān)注。長期以來，受制于激光器價格居高不下，及脈沖激光器功率限制，一直不能實現(xiàn)大規(guī)模廣泛應(yīng)用，特別是以美國為首的國家更是在高端激光器領(lǐng)域?qū)ξ覈M行出口限制和禁售，隨著國內(nèi)激光器廠家的不斷發(fā)展壯大，目前國內(nèi)激光器已能實現(xiàn)從100W到1KW的自主產(chǎn)權(quán)研發(fā)、自主供貨，擺脫了對國外的依賴。目前國內(nèi)激光清洗還處于示范應(yīng)用階段，主要應(yīng)用在國有大型制造企業(yè)及修理廠，如船舶、鐵路、飛機、輪胎行業(yè)的除銹、除漆、除膠等領(lǐng)域。由于國內(nèi)研究激光器起步較晚，在使用性能上比國外比較仍有一定差距，本文使用一款國產(chǎn)激光器進行工藝實驗，研究自主激光器性能對激光清洗表面的影響。

1 激光清洗組成

激光清洗的本質(zhì)在于污染物和基體對激光的吸收率不同[1]，污染物在激光能量的作用下通過物理或化學(xué)反應(yīng)克服與基體的結(jié)合力并脫離。其原理可以歸納為吸熱效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)。通過高能脈沖激光束照射在待處理工件表面，形成沖擊氣化，其在工件表面產(chǎn)生的瞬間高溫，能使工件表面污染物瞬間膨脹剝離甚至氣化，同時，區(qū)別于連續(xù)激光，脈沖作用在工件表面的時間非常短，達到納秒級別，在控制好激光參數(shù)的情況下并不會在工件表面造成基材損傷，質(zhì)量可控。

激光清洗由高能脈沖發(fā)生器，傳輸光纖、清洗頭，吸塵器等組成，其中清洗頭由X-Y兩組高性能振鏡組成，通過振鏡對激光的折射，可把單點光源的激光光斑整形成掃描線或掃描矩陣，從而作用在工件表面實現(xiàn)大面積的快速清洗。激光清洗在工作時，會大產(chǎn)大量的煙塵碎屑，作為綠色環(huán)保清洗的代表，激光清洗機配有煙塵凈化系統(tǒng)，可對清洗過程中飛濺的附著物及煙霧進行收集過濾，減少對工作環(huán)境的污染。200W以下脈沖激光器為自然風(fēng)冷，300W及以上清洗機配有專門水冷系統(tǒng)，以防止激光頭和激光器在連續(xù)滿功率運行的情況下元器件過熱損壞。其組成如下圖1：

圖1 激光清洗組成

2 清洗工藝實驗

高能脈沖激光清洗相對于傳統(tǒng)的物理化學(xué)清洗，擁有更高的清洗效率和效果，但同時也對清洗設(shè)備提出了更高的精度和控制要求。激光清洗工藝比較復(fù)雜，清洗工件在高頻激光脈沖高密度轟擊下[2]，同時涉及物理及化學(xué)的多重作用，工件微觀層面表面產(chǎn)生劇烈的變化，不同的激光平均功率、峰值功率、脈沖頻率、脈沖寬度、掃描速度，清洗速度、掃描模式等均對清洗結(jié)果產(chǎn)生直接影響，同時針對不同的基材及污染物類型，同一條件下的激光清洗工藝在清洗后對工件表面硬度、粗糙度、金相也產(chǎn)生不同的影響，本文針對典型的不銹鋼表面除銹應(yīng)用使用國產(chǎn)脈沖激光器進行了相關(guān)實驗，通過不同的參數(shù)組合，對激光作用在工件表面后的特性進行對比、分析，對激光清洗工藝進行初步的驗證。實驗用到的激光器指標(biāo)如下表1：

表1 激光器參數(shù)

為了提高實驗的準(zhǔn)確性，將激光清洗頭固定在XY移動實驗平臺上，Z軸方向通過手輪調(diào)節(jié)對焦，XY方向由高性能交流伺服電機驅(qū)動，實驗工件放置在平臺上，可實現(xiàn)均速清洗掃描。清洗頭上固定有吸塵裝置，可吸附煙塵減少對激光穿透的影響。實驗結(jié)果如下圖2：

圖2 激光清洗實驗

3 實驗結(jié)論

如圖2實驗結(jié)果所示，選取不同的激光工藝參數(shù)對不銹鋼表面的清洗結(jié)果差異明顯，總結(jié)如下：同等條件下，清洗速度越快，因為振鏡偏轉(zhuǎn)角速度保持不變，此時，由XY振鏡產(chǎn)生的菱形激光填充網(wǎng)狀紋路痕跡就越明顯，影響工件外觀及粗糙度，同樣，線掃寬度越寬，由菱形填充的密度下降，激光清洗的紋路越明顯，縮短掃描寬度，填充密度增大，清洗越細膩，在單脈沖能量保持不變的情況下，脈沖頻率越高，激光平均功率越大，激光能量越密集，加熱效應(yīng)也越大[3]，此時，表面銹點越容易去除，但同時也容易造成材基損傷發(fā)藍，如清洗速度較慢，同樣激光在工件表面停留時間過長，也容易損傷基材，造成不可逆。因此為了達到特定的清洗效果，需針對不同的基材、去污類型及厚度選取合適的激光清洗工藝參數(shù)，在實驗過程中，建立激光清洗工藝數(shù)據(jù)庫尤為重要。

4 結(jié)語

隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展，過去低成本、高污染的粗放型的產(chǎn)業(yè)已不適應(yīng)社會的可持續(xù)發(fā)展需求。激光清洗，由于體積小、移動便捷，可方便集成機器人自動化方案，已成為替代傳統(tǒng)清洗行業(yè)的首選方案，同時，在特殊行業(yè)領(lǐng)域，激光清洗還能完成傳統(tǒng)清洗不能勝任的工作，如替代人工完成高危行業(yè)的清洗，如核電領(lǐng)域乏池、管路閥門、核島建筑物表面的放射性表面去污。激光清洗是未來高效綠色環(huán)保要求的趨勢，作為一種新興清洗方式，激光清洗工藝不斷地發(fā)展積累成熟，但要真正做到大批量規(guī)模化應(yīng)用還需很長的路，包括建立完整的工藝數(shù)據(jù)庫，減少用戶使用難度，提高便捷性，這樣才能可持續(xù)發(fā)展，把激光清洗行業(yè)做強做大。