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激光清洗技术及其在工业中的应用

2008-06-10 15:07
汉水狂客
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    摘要:激光清洗技术是一种新的高效无污染的清洗技术,与传统的清洗技术相比有很大的优势。在工业生产中,也常常需要用到清洗技术。概述了激光清洗技术在微电子器件清洗、航空制造业、模具清洗等领域的应用。

    关键词:激光;非接触;“绿色”清洗;工业应用    

    1. 前言  

    随着科学技术的发展,激光清洗技术应运而生。  

    激光清洗技术是指采用高能激光束照射工作表面,使表面的污物,锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离,高速有效地清除清洁对象表面附着物或表面涂层,从而达到洁净的工艺过程。它是一种非接触加工,可方便地实现远距离操作,可以通过光导纤维传输与机器人或者机械手联合,方便地实现自动化操作;能清洗传统方法不易达到的部位;去污成本低;可以选择性地清洗材料表面的污物,不损伤材料的内部组成和结构。 

    在工业生产中,常常需要用到清洗技术。例如,工业制品在电镀、磷化、喷涂、焊接、包装以及集成线路的装配时,为保证下道工序中工件的质量,必须除去产品表面上的油脂、灰尘、锈垢或残留的溶剂、粘结剂等污物。
   
    2. 激光清洗的原理  

    激光同电子束和离子束统称为高能束,共同特点是束流携带着很高的能量在空间传输,通过聚焦,在焦点附近可得到104~1015W/cm2功率密度的照射,是强度最高的热源。激光具有高亮度,高方向性、高单色性和高相干性的特点,这是普通光源所无法比拟的。利用激光的高亮度,经过透镜聚焦后,能在焦点附近产生上千度甚至上万度的温度。激光的高方向性使得激光能有效进行长距离传输。激光的单色性极高,波长单一,有利于聚焦和波长选择。  

    激光器发出的激光从光纤中传输到聚焦镜头,聚焦后从喷嘴内孔抵达需清洗工件表面。通常使用喷嘴,借助于与激光同轴的小孔喷嘴将具有一定压力的气体吹到清洗区。气体由辅助气源提供,其主要作用为防止镜头被飞溅物和烟尘污染,并起到净化工件表面,强化激光与材料的热作用。  

    物体表面附着的细微颗粒主要有氧化物和灰尘。激光清洗颗粒的机制是在激光束辐射下颗粒的热膨胀、基体表面的热膨胀和施于颗粒的光压等三种。当这些作用力的合力(清洗力)大于物体表面对颗粒的粘着力时,颗粒就会脱落,而得到清洗。   

    3. 激光清洗技术的方法和特点 
  
    激光清洗方法有4种:  
   
    (1) 激光干洗法,即采用脉冲激光直接辐射去污; 
    
    (2) 激光+液膜方法,即首先沉积一层液膜于基体表面,然后用激光辐射去污;当激光照射于液膜上时,液膜急剧受热,产生爆炸性汽化,爆炸性冲击波使基体表面的污物松散。并随冲击波飞离加工物体表面,达到去污的目的。 
    
    (3) 激光+惰性气体的方法,即在激光辐射的同时,用惰性气体吹向基体表面,当污物从表面剥离后会立即被气体吹离表面,以避免表面被再次污染和氧化;

    (4) 运用激光使污垢松散后,再用非腐蚀性化学方法清洗。目前,常用的是前三种方法。
  
    工业中传统的清洗方法可以归纳为三类: 
 
    (1) 机械清洗法,即采用刮、擦、刷的等手段达到清除表面污染物的目的; 
  
    (2) 湿法化学清洗法,他利用有机清洗剂,通过喷、淋或高频振动一除去油污等表面附着物; 
  
    (3) 超声波清洗法,将零件放入水或有机溶剂中,足利用超声波振动效应清除污垢。其中,超声波清洗方法在传统清洗法中达到的洁净度最高,但是工件必须位于声波振动中心才能使清洗效果均匀,而且无法清洗大尺寸的零件或者物品,工件清洗后干燥时容易氧化。 
  
    目前这三种清洗方法在我国清洗市场中仍占主导地位,但在环境保护和高精度要求下其应用受到很大的限制。机械清洗法无法满足高清洁度清洗要求,容易损伤被清洗工件的表面;而化学清洗方法容易导致环境污染,获得的清洁度也很有限,特别是当污垢成分复杂时,必须选用多种清洗剂反复清洗才可能满足表面消洁度的要求。超声波清洗法尽管清洗效果不错,但对亚微米级污粒的清洗无能为力,清洗槽的尺寸限制了加工零件的范围和复杂程度,而且清洗后对工件的干燥亦是一大难题。  

    与传统清洗方法相比,激光清洗技术具有一些特有的优点: 
  
    (1) 不需要清洁液或其它化学溶液,它清除的废料基本上都是固体粉末,体积小,易于存放,对环境基本上不造成污染,是一种“绿色”清洗工艺,且清洁度远远高于化学清洗工艺; 
 
    (2) 清除污物的范围和适用的基材范围十分广泛;通过调控激光工艺参数,激光清洗还可以选择性地清洗材料表面的污物,不损伤材料的内部组成和结构,使表面复旧如新; 
  
    (3) 激光清洗是一种非接触加工,可方便地实现远距离操作,可以通过光导纤维传输,与机器人或者机械手联合,能清洗传统方法不易达到的部位。激光清洗有高的适应性和柔性,可以方便地实现自动化操作;
  
    (4) 激光去污设备可以长期稳定使用,一般只需要电费和维护费用,运行成本低,而且可以方便地实现自动化操作。

(编辑:文静)

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