激光清洗與激光表面毛化處理

精密鈑金制造如果沒有激光技術(shù)，今天的成就根本無法實現(xiàn)。激光切割已經(jīng)無處不在，激光焊接（無論是自動化還是手動）也在迅速普及。但激光不僅僅是切割和焊接，它還能進(jìn)行清潔。

激光清洗技術(shù)雖然尚未普及，但它已經(jīng)在油漆和除銹等應(yīng)用中站穩(wěn)了腳跟，特別是在航空航天、汽車等行業(yè)的專業(yè)清洗應(yīng)用中。大多數(shù)激光清洗設(shè)備使用掃描光學(xué)元件，這些元件能以每秒數(shù)米的速度移動激光束，將其投影成所需的形狀（如圓形或矩形）到表面。

激光清洗到底是什么？

激光清洗包含一系列不同的過程，主要分為兩類。一類是去除表面污染物，另一類是“雕刻”或“毛化”表面，以適應(yīng)特定的涂層、粘合劑粘接或其他應(yīng)用需求。雖然去除污染物（稱為“清潔”）和激光毛化可以使用類似甚至相同的設(shè)備，但這兩種工藝是不同的，制造商根據(jù)需求選擇不同的類別。

激光如何清潔

激光清洗的核心是去除表面污染物，如銹蝕和不需要的油漆。設(shè)備通常配備煙霧提取系統(tǒng)，能夠捕捉激光去除的污染物。在一些關(guān)鍵的航空航天應(yīng)用中，如鈦的清潔，需要使用保護(hù)氣體以防止氧化物的形成。

在許多常見應(yīng)用中，激光通過燒蝕表面污染物來工作。燒蝕（將固體直接轉(zhuǎn)化為氣體）在污染物的燒蝕閾值遠(yuǎn)低于基體金屬的燒蝕閾值時效果最佳，這樣激光可以霧化污染物而不會影響金屬表面。

激光傳遞的能量通過不同方式執(zhí)行清潔操作，具體方式取決于要去除的物質(zhì)。例如，有時激光會在表面產(chǎn)生熱沖擊效應(yīng)，促使鐵銹等表面碎片與基體金屬之間的熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生的沖擊將鐵銹顆粒“抖落”到表面。其他情況下，激光的熱量會燃燒待去除的材料，通常是油漆或其他有機(jī)涂層。

油污對激光是透明的，因此不會通過燒蝕或熱沖擊去除。在這種情況下，激光會“煮沸”油的某些部分。具體來說，激光加熱金屬表面的小區(qū)域，導(dǎo)致油滴從表面跳入空氣中，煙霧提取系統(tǒng)會捕捉這些油滴。“在這些應(yīng)用中，煙霧提取系統(tǒng)與激光本身同樣重要。

激光毛化表面

激光具有其他工具難以匹敵的精度。激光功率、脈沖持續(xù)時間和光束輪廓可以調(diào)整，因此該過程只去除預(yù)定的部分，不會影響其他區(qū)域。激光清洗同樣如此，激光去除污染物時，基體金屬保持不變，激光毛化則同樣能在精確控制下進(jìn)行。

在這些過程中，激光束通常是高斯光束，在光束的中心具有高能量，激光燒蝕金屬層并導(dǎo)致其下方的金屬發(fā)生從固體到液體再到固體的瞬時狀態(tài)變化。這個過程通常使用單模激光，能夠?qū)崿F(xiàn)非常小的光斑，從而創(chuàng)造出極為精確的紋理。

可以將其類比為爆破過程中，每個砂粒的大小都經(jīng)過精確控制，盡管激光毛化是以完全不同的方式進(jìn)行的——用激光的熱量而非砂粒的物理沖擊來處理表面。

一些金屬制造應(yīng)用中，激光毛化可以精確圖案化表面，以改變其特性，如使表面具有疏水性。這些精密毛化應(yīng)用通常使用脈沖持續(xù)時間非常短的激光，通常以皮秒或飛秒為單位。許多其他毛化應(yīng)用用于為金屬表面準(zhǔn)備涂層，無需使用砂�；蚯鍧嵒瘜W(xué)品。

自動化應(yīng)用

自動化激光清洗在低混合、高容量的環(huán)境中越來越常見。舉例來說，電池焊接的清潔就是一個典型的應(yīng)用。“這些系統(tǒng)處理數(shù)百萬個零件，每秒焊接多個工件，清潔表面。”

沖壓后的潤滑去除是另一個日益增長的應(yīng)用。以前，這些操作依賴于大型清洗線來準(zhǔn)備沖壓件進(jìn)行涂層，使用大量的水，這些水很容易受到金屬和其他碎片的污染，處理起來困難且費用高。

粘合準(zhǔn)備是另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，特別是激光毛化。在某些情況下，外殼可能需要用特定的粘合劑組裝，這種粘合劑能與具有特定紋理或圖案的表面匹配。剎車片制造采用類似技術(shù)，在放置剎車片之前，激光對金屬表面進(jìn)行毛化。

替代噴砂？

激光焊接的速度和質(zhì)量優(yōu)勢眾所周知，這也是它越來越多出現(xiàn)在車間的原因。那么，激光毛化能否替代噴砂？

自動化設(shè)備在大批量、低混合的情況下能很好地工作，特別是對于簡單的零件幾何形狀。然而，隨著零件變得越來越復(fù)雜，零件組合越來越大，自動化的難度也隨之增加。這與激光毛化的性質(zhì)有關(guān)，理想情況下，光束應(yīng)該垂直于金屬表面，或者盡可能接近垂直。

一種新興的替代方案

激光清洗和毛化并非在所有情況下都適用，這取決于需要去除的污染物以及表面處理要求。例如，激光在去除厚熱軋板上的氧化皮時并不擅長，尤其是在需要高吞吐量的自動化環(huán)境中。

盡管如此，激光清洗和毛化仍然展示出巨大的潛力，尤其是在尋找熟練工人的行業(yè)中。噴砂和化學(xué)清潔劑往往使環(huán)境變得不夠原始。

“許多人希望在制造業(yè)中看到更環(huán)保、更可持續(xù)的工藝，”Laser Photonics的內(nèi)容經(jīng)理Miller Cordeiro表示。“激光清洗和類似技術(shù)為制造商提供了更多選擇，同時幫助他們提高投資回報率。”

用激光替代所有的砂粒和化學(xué)物質(zhì)，通過正確的安全協(xié)議（個人防護(hù)裝備、光安全、帶適當(dāng)激光安全玻璃的聯(lián)鎖外殼），可以使工廠車間成為一個更清潔、更具吸引力的工作場所。對于一個不斷尋求新方法吸引工人的行業(yè)來說，創(chuàng)造更好的工作環(huán)境無疑是一個好主意。

來源：IPG光纖激光器

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