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激光清洗技術(shù)是近10年來飛速發(fā)展的新型清洗技術(shù)，它以自身的許多優(yōu)點在眾多領域中逐步取代傳統(tǒng)清洗工藝。本文介紹了激光清洗的原理和激光清洗的一些典型應用，展示了激光清洗這一"綠色"清洗技術(shù)廣闊的發(fā)展前景。
一、激光清洗原理
激光具有高亮度，高方向性、高單色性和高相干性的特點，這是普通光源所無法比擬的。利用激光的高亮度，經(jīng)過透鏡聚焦后，能在焦點附近產(chǎn)生上千萬度甚至上萬度的溫度。激光的高方向性使得激光能有效進行長距離傳輸。激光的單色性極高，波長單一，有利于聚焦和波長選擇。
激光清洗就其清洗機理而言，可分為兩大類：一類是利用清潔基片（也稱為母體）與表面附著物（污物）對某一波長激光能量，具有差別很大的吸收系數(shù)。輻射到表面的激光能量，大部分被表面附著物所吸收，使之受熱或氣化蒸發(fā)、或瞬間膨脹，并被表面形成的蒸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，不會被損傷。對此類激光清洗，選擇合適的波長和控制好激光能量，是實現(xiàn)安全高效清洗的關鍵。另一類是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敏感，或涂層受熱后會產(chǎn)生有毒物質(zhì)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(zhuǎn)換成聲波。聲波擊中下層硬表面后，近回的部分與激光產(chǎn)生的入射聲波微小爆炸，涂層被粉碎、壓成粉末，再被真空泵清除，而底下的基片不會損傷。
激光清洗與機械磨擦清洗、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；安全可靠，不損害操作人員健康；多功能，可以清除各種不同厚度、不同成份的涂層；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、激光清洗的方法
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；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，以避免表面被再次污染和氧化；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種方法僅見于石質(zhì)文物的清洗中。
三、激光清洗的應用
石雕和石刻等年代久遠的高檔石質(zhì)藝術(shù)品，由于其極精細和易損的表面結(jié)構(gòu)，成為激光清洗技術(shù)應用最早的領域。人們發(fā)現(xiàn)，用激光清除石質(zhì)文物表面的污垢有其獨特的優(yōu)勢，它能夠十分清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)合國教材文組織的世界文化遺產(chǎn)保護組織為紀念該組織創(chuàng)建20周年，對十分著名的英國亞眠大教堂進行了維修，亞眠大教堂西側(cè)圣母門十分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，也得到同樣的效果。圖1為奧地利的文物保護工作者用帶有關節(jié)臂的YAG激光對14世紀中葉的St.Stephen大教堂上的石雕進行清洗。
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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，表面下巖石材料的各項性質(zhì)既無退化，也無改變。目前，用激光清洗石灰后，大理石等高檔石質(zhì)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。除了對石質(zhì)材料的清洗外，激光清洗在玻璃、石英、金屬、模具、牙齒、芯片、電極、磁頭、磁盤以及各種微電子產(chǎn)品的清洗中都有很好的效果，已經(jīng)有了一定的應用。
四、激光清洗效益分析
除此以外，工業(yè)上還用激光對模具進行定期清洗，以保證產(chǎn)品sample/的質(zhì)量，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(shù)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現(xiàn)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(nèi)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），從友誼比賽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的作業(yè)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臺友誼硫機），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小時的停機時間，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(nèi)，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3000h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每小時4～8美元。所有設備都安裝有Modem(調(diào)制調(diào)解器），這樣制造商就可以提供遠程服務。
綜合以上因素，總體來看，激光清洗技術(shù)的經(jīng)濟效益是十分顯著的。
五、結(jié)束語
用激光進行焊接和切割等加工工藝已經(jīng)有多年的歷史，然而用激光清洗表面卻是一項相對年輕的技術(shù)。盡管這項工藝能清除所有有機材料（如口香糖的清除），但在工業(yè)清洗中的應用直到最近才開始。相信隨著激光器的發(fā)展和激光清洗技術(shù)的不斷完善，將會在各種清洗領域里得到越來越多的應用。
一、激光清洗原理
激光具有高亮度，高方向性、高單色性和高相干性的特點，這是普通光源所無法比擬的。利用激光的高亮度，經(jīng)過透鏡聚焦后，能在焦點附近產(chǎn)生上千萬度甚至上萬度的溫度。激光的高方向性使得激光能有效進行長距離傳輸。激光的單色性極高，波長單一，有利于聚焦和波長選擇。
激光清洗就其清洗機理而言，可分為兩大類：一類是利用清潔基片（也稱為母體）與表面附著物（污物）對某一波長激光能量，具有差別很大的吸收系數(shù)。輻射到表面的激光能量，大部分被表面附著物所吸收，使之受熱或氣化蒸發(fā)、或瞬間膨脹，并被表面形成的蒸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，不會被損傷。對此類激光清洗，選擇合適的波長和控制好激光能量，是實現(xiàn)安全高效清洗的關鍵。另一類是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敏感，或涂層受熱后會產(chǎn)生有毒物質(zhì)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(zhuǎn)換成聲波。聲波擊中下層硬表面后，近回的部分與激光產(chǎn)生的入射聲波微小爆炸，涂層被粉碎、壓成粉末，再被真空泵清除，而底下的基片不會損傷。
激光清洗與機械磨擦清洗、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；安全可靠，不損害操作人員健康；多功能，可以清除各種不同厚度、不同成份的涂層；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、激光清洗的方法
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；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，以避免表面被再次污染和氧化；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種方法僅見于石質(zhì)文物的清洗中。
三、激光清洗的應用
石雕和石刻等年代久遠的高檔石質(zhì)藝術(shù)品，由于其極精細和易損的表面結(jié)構(gòu)，成為激光清洗技術(shù)應用最早的領域。人們發(fā)現(xiàn)，用激光清除石質(zhì)文物表面的污垢有其獨特的優(yōu)勢，它能夠十分清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)合國教材文組織的世界文化遺產(chǎn)保護組織為紀念該組織創(chuàng)建20周年，對十分著名的英國亞眠大教堂進行了維修，亞眠大教堂西側(cè)圣母門十分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，也得到同樣的效果。圖1為奧地利的文物保護工作者用帶有關節(jié)臂的YAG激光對14世紀中葉的St.Stephen大教堂上的石雕進行清洗。
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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，表面下巖石材料的各項性質(zhì)既無退化，也無改變。目前，用激光清洗石灰后，大理石等高檔石質(zhì)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。除了對石質(zhì)材料的清洗外，激光清洗在玻璃、石英、金屬、模具、牙齒、芯片、電極、磁頭、磁盤以及各種微電子產(chǎn)品的清洗中都有很好的效果，已經(jīng)有了一定的應用。
四、激光清洗效益分析
除此以外，工業(yè)上還用激光對模具進行定期清洗，以保證產(chǎn)品sample/的質(zhì)量，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(shù)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現(xiàn)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(nèi)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），從友誼比賽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的作業(yè)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臺友誼硫機），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小時的停機時間，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(nèi)，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3000h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每小時4～8美元。所有設備都安裝有Modem(調(diào)制調(diào)解器），這樣制造商就可以提供遠程服務。
綜合以上因素，總體來看，激光清洗技術(shù)的經(jīng)濟效益是十分顯著的。
五、結(jié)束語
用激光進行焊接和切割等加工工藝已經(jīng)有多年的歷史，然而用激光清洗表面卻是一項相對年輕的技術(shù)。盡管這項工藝能清除所有有機材料（如口香糖的清除），但在工業(yè)清洗中的應用直到最近才開始。相信隨著激光器的發(fā)展和激光清洗技術(shù)的不斷完善，將會在各種清洗領域里得到越來越多的應用。
