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激光清洗替代传统的工业清洗方法

 

图1 传统清洗技术与DRAGO激光清洗技术的对比

 

Advantages : 优点

Chemical products:化学清洗

Sand-blasting:喷砂

Cryogenics: 低温

Hand cleaning:手工清洗

DRAGO laser machines:激光清洗

No repair or replacement of the tools: 无需维修或更换工具

Reduced work area:减少工作面积

No dismantling of the tools/molds:无需拆卸工具/模具

Possibility to clean hot tools/molds: 清洗热工具/模具的可能性

No rinsing/drying:无需冲洗/干燥

Possibility to clean in motion: 运行中清洗的可能性

Reduction of labor time:减少劳动时间

No noise pollution:无噪声污染

Cleaning sensitive parts:no erosion or wear 清洗敏感部件:无腐蚀或磨损

Precise and selective cleaning: 精确选择性清洗

Repeatable:可重复性

No infiltration:无渗透

No waste to sort/manage:无需分类/管理废弃物

No consumables needed:无需消耗品

 

激光技术能够清洗或剥离所有类型的金属和敏感表面

 

作者:Julien Decloux  法国saclay silltec公司首席执行官/光学工程师

 

激光清洗在工业界发挥着关键作用,其在多个领域可以得到应用:产品的清洁和表面处理(装运前、焊接前和涂漆前)、废物的回收和机器的清洁(清洁、除垢、脱氧和脱脂)。企业经常必须面对的一个主要问题是工装的维护,尤其是模具的清洁。

目前,有许多传统的清洗方法,如喷砂、低温、卷边、化学清洗以及手工清洗。然而,这些方法存在很多问题-对处理过的产品会造成损伤、产生大量的废物、生产线的关闭、监管限制以及工作环境给技术人员带来的肌肉和骨骼疾病等。

 

激光清洗的优点

激光清洗是指利用高能量密度的激光束,通过几种效应(热效应、光化学、超快和热力)去除任何类型材料上不同厚度的涂层。

与传统的技术相比,激光清洗的好处包括精度、质量、盈利能力、生产率和生态效益(图1)。激光清洗是一种非接触、无创伤的技术,是唯一一种可以在剥离冲击下清洗精细表面的解决方案。不同于磨料或沙子的粗略喷涂清洗方式,激光可以让用户实现微细区域的清洗(图2)。

图2 激光清洗过程示意图

 

Handpiece exit:机头出口

Focusing lens:聚焦透镜

Laser beam:激光束

Plasma:等离子体

Coating:涂层

Material: 材料

Aspiration duct:吸入管

Vaporized residue:蒸发残渣

No modification or wear of the material:材料无修改或磨损

 

在安全性方面,激光清洗也有其优势之处。唯一需要佩戴的个人保护装备就是激光防护眼镜,这对操作人员以及任何接近激光清洗现场的人都是强制性的(更简单的方法就是用防护板隔离工作区域)。激光清洗不需要操作人员穿戴特殊的套装、手套或者其他可能约束操作员的设备。

激光清洗是一个光子与材料相互作用的过程,不需要任何消耗品,因此消除了分类和管理清洗废弃物的必要。激光清洗唯一需要回收的废弃物是清洗的涂层本身,根据所处理涂层类型的不同,这些涂层废弃物主要是少量的颗粒或者烟雾,因此激光清洗设备通常配置抽吸烟尘的装置。

激光清洗的成本

一台激光系统的成本在6~17万美元之间,主要取决于具体的配置—激光类型及功率、自动化程度、集成类型(在线或离线)以及一些特殊的配置。

因此,考虑到激光源的寿命以及操作和维护成本,激光清洗的成本约为6美元/小时,这取决于具体的技术需求以及激光功率。设备内部的过滤器成本低于560美元/年,耗电量小于5千瓦。

根据需要清洗的涂层性质和厚度,激光清洗速率可以在1到10平方米/小时之间。对于一些去除厚涂层的激光清洗技术,其清洗速度可达几十立方分米/小时。

应用案例

激光清洗设备已在汽车工业中得到应用-例如,用于去除轮胎模具上的胶或者塑料零件模具上的脱模剂。激光只将能量集中在待去除的涂层上,不会损坏和磨损模具结构,因此用户不再需要花钱去整体更换旧模具。

激光清洗也适用于喷漆零件。传统的清洗办法通常需要停止生产线,因此每年都是只安排集中的时间段进行清洗,这会导致需要清洗的油漆厚度由于长期累积可达几个毫米。而采用激光清洗,可以随时直接在生产线上进行,无需停止生产线,这可以避免由于停产带来的大量经济损失。

激光清洗应用实例包括:

  • 脱漆
  • 去除释放剂
  • 金属除锈
  • 去除油脂
  • 焊前和焊后处理
  • 喷漆摆动剥离
  • 轮胎模具清洗
  • 工具和机器维护
  • 瓶子脱脂
  • 表面处理

激光类型

光纤激光器目前主要应用于工业领域,它提供低峰值功率(<10千瓦)和高脉冲频率(≈100 kHz)的准高斯脉冲(M² <3)激光。该激光器热输入比较大并会产生热影响区(HAZ)。标准光纤激光器被证明可以清洗各种非易碎和导电材料,包括钢、铝、铸铁、不锈钢。为了达到良好的清洗效果,激光光斑尺寸应尽量小以达到足够的能量密度。光纤激光器是薄涂层和非附着涂层清洗的一个不错选择(图3)。

图3 光纤激光器是薄涂层和非附着涂层清洗的不错选择

 

Standard fiber laser:标准光纤激光器

Impact volume:冲击体积

Spot diameter:光斑直径

Low peak power (LPP):低峰值功率

Laser profile:激光能量分布

Quasi-Gaussian profile: 准高斯分布

High-quality stripping:高质量去除

Fits best for:最适合

Thickness:厚度

Adherence:粘附

Layer:涂层

Thermal sensibility:热灵敏度

Fragility:脆弱性

Material:材料

 

为了去除标准光纤激光器无法处理的材料和涂层,Silltec(法国Saclay)公司开发了一种新的激光器,具有市面上最高的峰值功率(HPP),如图4a所示。为了避免高功率对材料的热累积损伤,该激光器的平均功率被降低,从而保证在两个脉冲之间热量可以充分均匀扩散。为了避免HAZ,激光能量呈平顶分布(非高斯分布),可以清洗和去除所有类型的金属和敏感表面,如玻璃、复合材料、木头或石头。

DRAGO厚层去除激光技术具有较高的HPP,因此可以采用较大的激光光斑尺寸去提升单次去除量(清洗效率)。这种激光器以相对较低的脉冲频率(≈ 1 kHz)输出高峰值功率((>8 MW)的平顶脉冲激光。由于其峰值功率较高,可以消除厚的涂层以及粘附涂层。

此外,还可以通过减少光斑尺寸来进一步提高该激光器的能量密度,从而实现机械冲击分离作用,这对去除一些强粘附涂层是非常有用的。图4b显示了DRAGO激光器具有更宽泛的阈值工艺窗口。

图4 DRAGO厚层激光清洗设备具有市面上最高的峰值功率(a)以及更宽泛的阈值工艺窗口

 

DRAGO thick laser:DRAGO 厚层去除激光

Impact volume:冲击体积

Spot diameter:光斑直径

High peak power (HPP):高峰值功率

Bigger impact:更大的冲击

Laser profile:激光能量分布

Flat-top profile:平顶分布

High-resolution stripping:高精度剥离

Fits best for:最适合

Thickness:厚度

Adherence:粘附

Layer:涂层

Thermal sensibility:热灵敏度

Fragility:脆弱性

Material:材料

Ablation threshold:消融阈值

Damage of the substrate:基材损伤

Layer:涂层

Ablation of the substrate: 基材烧蚀

HAZ and damage:热影响区和损伤

Useful: 有用的

Standard fiber laser:标准光纤激光

Thick laser:厚层去除激光

Energy profile:能量分布

 

这项技术因其灵活的选择性而具有高的加工质量。采用平顶激光光斑可以改善基板和涂层工艺阈值之间的差异。这意味着在工艺阈值范围以外,没有激光能量传输到基板对其造成损坏。

此外,DRAGO厚层去除激光技术不会产生热影响区。激光束中的所有能量都被用于剥离涂层,由于其能量低于涂层的烧蚀阈值,因此不会有热量积聚。

激光技术是材料清洁和去除的一项突破性解决方案,因为它能够在没有任何污染的情况下对工艺进行有效控制。但直到现在,只是采用低能量激光去清洗一些薄的涂层。不过,DRAGO厚层去除激光技术可以清洁和剥离大量材料,并具有很好的加工质量和很高的加工效率。(李波译)

 

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