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YAG激光清洗原理在汽车工业中的应用综述

激光清洗已被确定为一种理想的技术,可以取代汽车涂层去除过程中的传统化学技术,以保持环境的可持续性。这是由于这种清洗技术的独特特性,如通用性、精确性、可控性、不产生废物以及环保工艺。这种激光技术可以在不使用化学产品的情况下去除涂层,并防止金属基底表面出现缺陷。根据这些特点,本文综述了脉冲Nd:YAG激光器及其原理在汽车工业涂层去除中的应用潜力。

1.介绍

Nd:YAG激光器由透明电介质晶体或非晶态玻璃组成,它们充当“主体”,其中一些离子原子物种散布或“掺杂”在主体内。在这种情况下,Y3Al5O12掺杂了钕,这会在活性介质中引起激光过程。当大约1%的钇被替代稀土钕取代时,晶格中Nd3+离子的电子能级之间的能量跃迁产生了激光作用,图1中的钕能级清楚地显示了这一点。这种转变将从亚稳态的上激光能级转变为终态的下激光能级。这种跃迁产生了波长为1.06 μm的近红外(NIR)光谱区域的激光辐射。

图1 钕能级的示意过程:晶格介质中Nd3+离子的电子能级之间的能量跳跃,以产生激光辐射(Steen & Mazumder,2010)。

激光涂层去除涉及几个复杂机制,即热烧蚀、机械效应以及热烧蚀和机械效应的组合。这些机制通常取决于激光束的特性及其传输方法。然而,主要影响机理的因素是激光参数以及涂层材料的物理和化学性质。通过适当控制激光功率或通量、脉冲宽度、重复频率和光束大小,可以获得高质量的激光涂层去除。这对我们至关重要;(a)优化涂层去除过程,(b)最小化基底损坏的风险,(c)减少对从业人员的健康影响,(d)维持环境,以及(e)降低劳动力成本。因此,必须解决与激光涂层去除技术相关的重要因素。

汽车行业理想的涂层去除工艺应具备以下特点:a、可复制的清洁表面,b.可控且准确的去除区域,c.对汽车金属基底的有害影响最小。使用激光技术从表面去除涂层已经研究了很多年,涉及各种激光器、涂层和基底。这种优越的特性已被证明在清洗聚合物、橡胶轮胎模具、大型镜子、艺术品和历史文物以及半导体方面取得了成功。

水射流辅助激光除漆装置示意图。

激光清洗技术在汽车行业受到的关注较少。此外,尽管美国空军研究实验室(AFRL)在实践,但由于缺乏对公众的接触,它们的有效过程和理想的激光机动没有很好的记录。Razab等人的研究表明,在特定的激光参数下,可以在选定的马来西亚和非马来西亚汽车基板上实现低功率脉冲Nd:YAG激光涂层去除。此外,与汽车行业当前采用的技术相比,该工艺获得的最佳参数产生的环境污染更小。为了支持研究结果,本文建议将激光清洗纳入汽车行业。

2.激光清洗

激光清洗可定义为从固体基底上去除不需要的基层或延长不需要的基层的污染。它包括清除外来有机杂质,即固体或金属基底上的涂层。用于去除涂层的激光清洗在替代耗水且成本高昂的湿化学方法方面具有很大潜力。应用激光清洗的另一个优点是金属基材上没有机械损伤,这同时提高了涂层去除的效率。激光清洗的独特特性包括通用性、精确性、可控性、选择性和环保性。它能够去除基底表面的涂层,并已用于各种行业。

目前的实验结果表明,激光清洗可以很好地替代传统的化学清洗工艺去除涂层。因此,迫切需要一个系统而有效的涂层去除系统,以便在汽车重新涂层过程中彻底去除旧涂层。与其他传统清洗技术相比,激光清洗后的金属基板再涂层具有更小的表面粗糙度和精细的微观结构,因此具有更好的附着力。

2.1. 汽车涂层去除

汽车涂料通常由多种材料组成,如树脂、颜料、溶剂和添加剂。丙烯酸树脂、醇酸树脂、环氧树脂、聚氨酯和纤维素等树脂是粘性材料,在涂层系统中起到粘合剂的作用。汽车涂层系统需要多层涂层的组合,因为它不能在一层中提供良好的附着力、防腐和耐环境性。根据制造商、颜色和涂层系统的类型,化学成分、层顺序和层厚度会有所不同。汽车涂层系统的典型组成包括预处理、第一道底漆、底涂层和一层顶层透明涂层,如图2所示。一般来说,除顶层透明涂层外,各涂层的化学成分将包含C、O、Al、Si、Ti和其他元素。这些剩余的元素对于每一种类型的层都是独特的,因此有助于其识别。

图2 典型多层汽车涂层中金属外观的横截面,以及按顺序近似计算每一层的厚度(Trejos等人,2006)。

传统的汽车涂层去除通常使用含有二氯甲烷、酚类化合物、活性酸、不含酚的碱和铬酸盐的化学品。剥离方法也可以使用清洁剂,如氯氟烃(CFC's)和其他化学溶剂,现在被认为对环境有害或对工人构成危险。这些技术也产生了额外的废液,从而增加了废液的数量。美国环境保护署(EPA)对传统的化学剥离技术进行了严格审查,因为它会产生大量的危险废物,导致后续处理问题。此外,使用化学试剂的清洁技术可能会对金属基板的深层造成严重损害。当化学液体,如二氯甲烷和苯酚到达底物表面时,会对金属造成不可逆的损伤。

之前的研究发现,在旧涂层系统和新涂层系统之间,激光涂层去除效率没有显著影响。然而,去除过程取决于颜料颜色、氧化、孔隙率和涂层系统的表面粗糙度。涂层系统中的某些颜料颜色能够吸收低峰值辐照度激光能量,可用于确定涂层去除过程的有效性。然而,由于产生的高峰值辐照度激光能量,所有涂层颜色在红外区域被认为是立即去除的。这导致Csingle bondC和Csingle bondO键的聚合物涂层中的主键对激光束的高吸收。此外,激光器参数的适当可控性可允许该技术去除任何单一涂层,而不会损坏涂层系统的下一层。

来自Universiti Malaysia Kelantan和Universiti SainsMalaysia的团队一直在研究Nd:YAG激光涂层去除系统在选定的马来西亚和非马来西亚涂层汽车上的效率。该研究得出结论,清洁效率取决于激光参数、激光类型和被辐照的涂层材料。研究结果基于无限聚焦气象(IFM)扫描图像,如图3所示。此外,研究结果还显示,嵌入涂层系统基涂层的铝片比例增强了热分布,并影响了涂层去除效率。

图3 脉冲宽度100 ms,重复频率1.0 Hz,光束尺寸5 mm和激光注量180 J/cm2,在马来西亚汽车涂层基板样品5倍放大的IFM图像:a.获得均匀的弹坑表面b.轮廓容易识别,获得的平滑图案及其光滑的“波状”环c.不受表面涂漆层的影响(Razab等人,2014d)。

理论上,涂层去除效率是激光参数的函数,包括光束强度、脉冲宽度、重复频率和辐照区域的光束大小。激光涂层去除可以通过烧蚀和热分解机制进行,可以是光热的,也可以是光化学的,或者两者兼而有之。在涂层去除的烧蚀和热分解机制期间,可能会发生三种类型的相互作用过程,即光热、光化学和光机相互作用。

2.2. 激光烧蚀与热分解

激光涂层去除有两种基本机制,即激光烧蚀和热分解过程。在技术方面,这两种机制都具有去除涂层的优势,例如与基材无直接机械或化学接触、原位清洁、清洁时间短、不使用有毒溶剂和化学产品、对金属基材无损坏以及可控制清洁。然而,如果没有使用正确的操作激光参数设置对机构进行适当控制,则这些优势将相反。这一点至关重要,因为激光烧蚀和热分解是不可逆的过程,可能会对去除区域构成威胁。

激光烧蚀是一种机械过程,可以通过应用高强度脉冲和连续激光照射来实现。Ready和他的团队于1963年开始通过摄影对消融羽流进行研究。然后,在同一年发表了许多相关论文,讨论了生物材料的首次烧蚀研究,以及使用分子发射带的旋转和振动方法来测量烧蚀羽流的温度。然而,使用激光消融去除材料的外层最早是在1987年提出的。在这种情况下,激光束将涂层的第一个微米转变为高度压缩的等离子体。这将产生冲击波,将该层喷射成细颗粒。通过将激光能量密度保持在损伤阈值以下,保护该层后面的衬底。虽然激光涂层去除的确切机理尚不完全清楚,但可以很容易地演示出来,如图4所示。

图4 激光烧蚀的示意图。激光束与涂层相互作用,从而产生表面等离子体和冲击波(Prinsloo等人,2007年)。

在这个过程中,涂层被烧蚀,流出物以高速从金属基体中喷出。这种条件将产生热解气体和无机材料作为副产品。烧蚀过程的更详细机理如图5所示。

图5 激光烧蚀机制的图解(Mongeli,2005)。(a)激光使涂层汽化,形成等离子体。(b)等离子体产生冲击波和裂纹网络。(c)烧蚀机制中的顶部透明涂层已被去除。

同时,热分解是加热涂层并将其烧掉的过程。这一过程可以通过在一定时间内从低功率连续或长脉冲激光器中应用热能来实现,直到成功去除涂层,如图6所示。

图6 激光热分解的图解(Mongeli,2005)。(a)激光能量沉积在最上面的透明涂层中。(b)激光能量诱导热分解机制。

2.3. 激光参数

在激光清洗过程中选择合适的激光参数非常重要。涂层去除过程中必须考虑几个参数,即激光波长(λ)、激光注量(F)、脉冲宽度(PW)和重复频率(RR)。激光参数选择不当可能会导致过度曝光,这可能会由于激光束的高能量密度而导致金属基板损坏,而曝光不足可能会在基板表面留下残余污染物。然而,在清洁过程中,在不受外部干扰的情况下,通过应用最佳操作激光参数,可以消除对基底材料的损坏。

涂层材料对激光辐射的吸收率取决于连续激光束的波长,而不是脉冲激光束的波长。由于脉宽激光束的主要应用,激光辐射吸收与其波长之间没有明确的关系。然而,南加州大学的一项研究表明,通过增加激光的波长,涂层系统吸收的能量的量减少。这是因为表面上最高的激光吸收和光化学分解通常在短辐射波长下实现。

同时,增加激光注量将提高不需要的涂层和污染物的去除效率。然而,激光辐照应达到最大层厚,直到所有涂层系统被移除。烧蚀涂层所需的激光注量水平在一定程度上取决于涂层材料的阈值注量(FT)和激光脉冲的重复频率。

每束光斑的激光强度或激光功率也是传热到涂层材料中的一个重要因素。增加激光功率将增加涂层去除的可能性,从而缩短激光束与基板表面的相互作用时间。这种情况将减少激光束在金属基底上引起的热效应。图7所示为典型的横向电磁高斯形束TEM00模式在涂层去除过程中的主要组成。

图7 高斯光束形成原理(B uelle,2011)。(a)激光束首先被放大,然后被透镜聚焦。(b)焦平面附近高斯型激光束的强度分布和形成。

STD受激光源产生的激光束强度的影响。改变STD值会导致激光束的大小发生变化。这是因为较长的STD会使光束大小发散,从而导致光束浓度降低。因此,可以通过操纵STD来轻松控制光束大小,以优化激光束浓度,实现最佳涂层去除过程。

另一方面,脉冲宽度(PW)可以定义为加工材料的脉冲激光系统的辐照时间。增加脉冲宽度将增加涂层系统弹坑深度周围的熔化效果。尽管涂层的光学吸收较低,但需要激光注量才能达到阈值注量,这在很大程度上取决于脉冲宽度参数。由于高强度激光束下涂层系统吸收系数(α)的变化,在较短的脉冲宽度下,阈值通量较低。然而,Zhigilei和他的团队得出结论,脉冲宽度对阈值注量没有任何显著影响。

研究发现,高重复频率(RR)激光可以降低涂层系统因热量积累而产生的阈值注量,并对激光涂层去除效率产生显著影响。通过增加重复频率、恒定的注量和脉冲宽度,可以增加去除涂层的凹坑深度。然而,在涂层去除过程中释放的颗粒的累积也可能随着重复率的增加而增加,从而由于激光束在产生的羽流中的吸收而降低烧蚀效率。

图8说明并总结了基于激光功率(P)与辐照时间(t)的脉冲激光束输出的一般参数。

图8 脉冲激光辐照波形传播、峰值功率、平均功率、脉冲宽度和脉冲持续时间的脉冲激光参数说明。

3.激光涂层去除过程中的热诱导

红外(IR)区域的脉冲激光往往会振动并激发涂层和金属基底内的自由电子,从而在短时间内将激光能量耗散为热量。因此,激光涂层去除过程中吸收的能量主要转化为热量。

3.1. 热影响区

受限激光烧蚀中的热效应称为热影响区(HAZ)。在激光烧蚀机制中,热影响区导致被辐照靶直接吸收的激光能量的剩余部分。由于涂层材料完全吸收了激光能量,热影响区在短激光相互作用中最小,因此激光烧蚀被认为在热扩散开始之前完成。涂层去除机制始于激光强度对涂层的吸收超过涂层材料的烧蚀阈值。

3.2 涂层材料的热稳定性

当激光束的能量被足够高的吸收并超过涂层附着力的热阈值时,涂层剥落可能会发生快速蒸发或热应力。当涂层开始烧蚀时,显著蒸发对应于达到的临界温度。在该过程中,只要涂层没有完全去除,热传递就被认为有助于涂层烧蚀和剥落。

长脉冲激光束应用的持续时间被认为对涂层材料热约束区的热扩散长度产生重大影响。涂层性能和激光束尺寸也是激光清洗过程中影响涂层材料热分布的主要因素。然而,从现在的发现来看,长脉冲Nd:YAG激光器如果不能如图9所示进行适当的控制,将会对涂层结构产生巨大的过热影响。

图9 脉冲宽度200 ms,重复频率1.5 Hz,光束尺寸3 mm,激光注量290 J/cm2在马来西亚汽车涂层基板样品上的IFM图像: a.不均匀的弹坑表面b.凹凸轮廓图案和粗糙的“波状”环c.表面涂覆层的影响(Razab等,2014a)。

3.3 金属基板的热效应

涂层去除过程中的金属基底损坏主要是由于热效应引起的应变和应力。由于整个涂层已被移除,当热量直接通过金属表面散发时,金属基材上的热效应至关重要。直接暴露于金属基体中的高温梯度会导致金属表面开裂、某些材料成分损耗、热应力、延展性退化和疲劳寿命延长效应。Shamsujjoha等人进行的一项研究已经证明,接受激光清洗的金属基底的拉伸残余应力和表面粗糙度会因散热而导致金属疲劳。

在激光涂层去除过程中,金属基底温度将持续升高,当所有涂层去除后,金属基底温度将急剧升高。

4.健康和环境影响

与传统化学技术相比,激光涂层去除过程中产生的有毒废物、空气污染物、颗粒物、各种金属颗粒和危险废物对健康的影响和环境污染被认为是最小的。然而,对这些条件的严重影响仍然存在。这是由于激光束与涂层之间的相互作用释放出的球形和聚集颗粒物(PM)数量很少,范围从纳米到亚微米。这种有害物质的排放率在很大程度上取决于不需要的表面涂层的厚度和物理条件。美国《清洁空气法》(CAA)宣布颗粒物为六种主要空气污染物之一,这促使EPA制定了国家环境空气质量标准(NAAQS)。

4.1. 颗粒物

颗粒物可以以各种大小的固体颗粒或液滴的形式存在。直径大于1.0 μm,等于或小于10 μm的气溶胶微粒称为PM10.0。PM10.0可在上呼吸道积聚至下呼吸道系统,并可引起疾病。此外,直径小于1.0 μm的气溶胶颗粒物被称为PM1.0 。颗粒物不仅影响激光去除过程的效率,而且最糟糕的是,直接暴露于这些气溶胶将增加从业者的健康风险。颗粒物暴露的主要途径是吸入,其次是摄入。

急性和慢性暴露于气溶胶颗粒物也可能导致有害的健康影响。颗粒物的主要入口是肺,因此颗粒物与呼吸上皮和肺泡巨噬细胞的相互作用将诱发肺部疾病。这种情况成为加重肺部疾病的主要因素,如哮喘和慢性阻塞性肺疾病(COPD),这会导致肺癌和心脏问题。超细颗粒物被确定为剧毒物质,由于其迁移和沉积到肺部深处的能力,造成最大的健康风险,并危害整个呼吸系统。

激光涂层去除过程中释放的颗粒物或气溶胶副产物的浓度取决于烧蚀涂层材料的物理和化学成分以及激光参数。激光涂层去除过程中产生的气溶胶可以很容易地用粒度分布(PM1.0和PM10.0)和平均颗粒质量浓度来表征。通过假设激光能量的空间分布在涂层材料上的每一次射击都是均匀的,就有可能对表面面积的相互作用进行标准化测量。

之前,由于无法定义低于预期不良影响的阈值,因此没有提出颗粒物的阈值浓度。然而,世界卫生组织(WHO)根据当前的科学发现和2005年基于世界各地选定城市的中期目标值,为颗粒物中的每种污染物提出了具体指南。

然而,世卫组织对这些颗粒物数据的AQG是在露天而不是在工作场所进行的。按照Kusch等人(2003)的建议,工作场所应该有一个阈值(TLV),对于呼吸性粉尘的完全独立化学成分,TLV为6 mg/m3 。这是因为这些颗粒物造成的健康风险高度依赖于工作场所的空气通风和颗粒物的体积。同时,使用Dustrak 8520在密闭制造室内进行10 min的Nd:YAG激光涂层去除过程中,发现PM1.0和PM10.0远远超过WHO建议的值。激光照射产生的空气污染物通常是有毒的、过敏的、致癌的,并且在多年接触后可导致严重的疾病。由于激光涂层去除过程中释放的PM的化学成分尚不清楚,因此应严格考虑对负责人员的详细预防和保护措施。工作场所必须适当设置顺畅的空气通风,从业人员应严格穿戴个人防护装备(PPE)。

5.结论

激光清洗技术在各个行业都优于传统的化学剥离工艺。本文阐述了脉冲Nd:YAG激光去除涂层的效果、质量和效率,以及激光参数的合理选择。因此,基于以往和目前的研究数据,建议激光清洗在不久的将来应用于汽车行业,以保证汽车重涂层技术的可持续性。此外,还应详细研究激光蒸汽清洗方法,即在涂层材料上涂薄一层水醇混合物,以加强汽车涂层去除过程。正如文献报道的那样,这种方法被认为显著强化了效率过程。然而,激光照射引起的化学蒸发和相互作用过程对健康的影响应严格考虑。

来源:A review of incorporating Nd:YAG laser cleaning principal in automotive industry,Journal of Radiation Research and Applied Sciences,doi.org/10.1016/j.jrras.2018.08.002

参考文献:A. Anthofer, W. Lippmann, A. Hurtado,Development and testing of a laser-based decontamination system,Optics & Laser Technology, 48 (2013), pp. 589-598, 10.1016/j.optlastec.2012.11.032

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