【推荐文章】激光清洗技术规模化应用发展现状(特邀)

   2024-01-30 1370
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#激光清洗

撰稿人:江宇宏

单位:江苏大学 机械工程学院

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江宇宏, 何玉洋, 符永宏, 纪敬虎, 佟艳群. 激光清洗技术规模化应用发展现状(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(2): 20220753. doi: 10.3788/IRLA20220753

导读


伴随着我国绿色制造的深入推进,工业清洗得到了蓬勃的发展,其对整个制造业品质的提升非常关键。在此大背景下,传统的表面清洗方法如机械摩擦、化学腐蚀、高频超声波等,虽然满足了性能要求,但对基体产生了损伤,也对环境造成了污染,已无法满足绿色制造发展的需求。激光清洗作为一种理想的绿色清洗技术,不仅具有广泛的适用性,还便于集成智能化设备,必将给清洗工业带来变革。本文梳理了三种典型的激光清洗方法,总结了激光清洗相关的机理。同时,阐述了面向航天航空、船舶建造、轨道交通等领域开展的激光清洗应用进展。根据近年来国内外院校和企业在激光清洗系统、设备方面的科技成果,提出国内激光清洗推广应用所面临的瓶颈,展望了激光清洗技术在未来的发展方向。
研究背景


自20世纪60年代世界上第一台激光器问世,激光凭借能量大、方向可控等特点开始应用于材料表面处理。1969年,物理学家Bedair首次提出了激光清洗的概念,并成功使用功率密度为30 MW/cm2 的红宝石调Q激光清除了硅片表面的污染物,这也是干式激光清洗的最初应用;1974年,加利福尼亚大学的学者Asmus开展了利用激光修复雕塑等艺术品的研究工作,验证了激光清洗用于文物保护的可行性;20世纪80年代,美国国际商业机器公司利用激光成功去除了掩模板表面附着的微米级的污染颗粒,化解了传统清洗无法清除微小颗粒的难题;到了90年代,研究人员开始意识到激光清洗在工业发展中的巨大应用价值,逐步开展了对激光清洗技术的研究和设备的研发。

目前,欧美一些发达国家的激光清洗技术已在航空、船舶、汽车和模具等领域得到良好的应用。我国对激光清洗技术的研究和设备开发起步较晚,由于工艺理论研究不足以及国外高端装备封锁等原因,激光清洗的工业应用仍处于起步阶段。
主要内容


本文首先介绍了三种典型的激光清洗方法及其机理,其中干式激光清洗目前的使用最为广泛,该方法利用高能量激光直接辐照在基体表面,使污染物或基体产生瞬时热膨胀后克服二者间的结合力,或是使污染物直接汽化挥发,以达到清洗的效果。湿式激光清洗通过液膜起辅助作用,用于去除一些较难清除的附着物。等离子冲击波清洗通过激光束的汇聚,将焦点处的空气电离,电离产生的冲击波扩张延伸与微粒接触,使微粒受到冲击后滚动去除。

图1 激光清洗的方法及原理

随后,概括了国内外激光清洗技术在在航空航天、船舶建造和轨道交通三个领域的研究应用进展,总结得出近年来我国对激光清洗技术的研究在清洗机理、工艺等方面取得了长足的进步,一些自主研发的装备已投入工业生产。但与国外相比,许多领域的研究还停留在实验室阶段,由于大功率短脉冲激光器和高速扫描振镜等核心部件被国外垄断,阻碍了高效激光清洗成套装备的开发,现有装备在面对一些大面积顽固污染物时,难以满足清洗质量和清洗效率的双重要求。此外,清洗设备的稳定性和灵活性还有待进一步提高,以适应更复杂的作业环境。

图2 ARLCRS系统对F16战机进行激光除漆                                  激光清洗爬壁机器人

最后梳理了近年来研究人员在激光清洗系统优化方面所取得的一些关键性技术突破:

①激光复合清洗:当前的激光清洗系统大多采用单一激光束进行加工 (连续或脉冲),而在面对一些较厚的污染层时,单一激光清洗往往会暴露出各自的缺陷。通过复合利用连续激光高效率和脉冲激光高精度的特点,可以在提高激光清洗效率的同时保证表面质量。


②扫描路径优化:二维激光清洗主要以打标式的填充模式进行逐行扫描,易造成边缘区域过度烧蚀,最终留下焦深印痕。通过采用螺旋扫描路径,同时引入随机偏摆因子,可减少出现未烧蚀与重复烧蚀现象,实现整体均匀清洗。


③曲面激光清洗:现阶段的激光清洗设备仍以手持式为主,或采用移动平台实现二维平面清洗,在面对曲面等复杂表面时,难以保证清洗时激光同步聚焦。学者们提出了基于三维扫描的清洗路径自动规划、利用以太网通信和激光测距仪实现了曲面随形聚焦。


④在线检测技术:目前,针对激光清洗质量的评定方法多为离机器检测,需要花费大量时间。由此演化出了基于声、光、光谱和图像等信号的在线检测方法,均能对一定情况下激光清洗进程监测,但各有其明显的优缺点。


图3 机器视觉技术快速、高效识别锈蚀

结论


据前瞻产业研究院的统计报告显示,预计到2022年底我国工业清洗行业的规模将突破千亿元,而激光清洗目前的市场占比仅为1% 左右,化学清洗和机械清洗仍是工业应用最多的两种清洗方式。虽然激光清洗还无法大范围取代传统清洗技术,但是随着激光技术的进步和环保法规要求的提高,激光清洗终将在更多领域大有作为,而且激光制造是我国 “十三五”期间的重点研发领域,激光清洗技术作为激光制造技术大领域中的一个分支,在工业生产中的作用会越来越大,积极发展激光清洗技术对提高我国高端激光制造水平、国际竞争力的大幅提升、经济和社会的发展具有非常重要的战略意义。
团队介绍


江苏大学表界面科学与技术研究所及紧密围绕表界面科学与工程领域的高性能、自动化、绿色化和节能降耗发展主题, 跟踪当今国际上激光技术发展的趋势,在激光冲击强化成形、界面强度激光检测、光电子功能材料与器件先进制备和激光表面工程及快速制造等方面的研究具有鲜明特色,并取得了一批高水平的、具有自主知识产权的研究成果。通过“内求精干,外联合作,服务社会”,逐步形成较好的研究特色和行业影响。



原文链接:

http://www.irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20220753(阅读原文)


End


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文章转载自微信公众号:光电e+

 
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