激光清洗技術概論及其在輪胎業上的應用

一、引言

在工業生產、文物保護以及牙科疾病的治療中，常常需要用到清洗技術。例如：工業製品在電鍍、磷化、噴塗、焊接、包裝以及集成線路的裝配時，為保證下道工序中工件的質量，必須除去產品表面上的油脂、灰塵、銹垢或殘留的溶劑、粘結劑等污物。由於環境污染和保護不善等原因，很多的文物和藝術品正逐漸被鏽蝕和污損，為恢復舊貌，需對文物表面的污垢及銹跡進行清洗。

傳統的清洗方法包括機械清洗法、化學清洗法和超聲波清洗法，機械清洗法即採用刮、擦、刷、噴砂等機械手段去除表面污物；濕法化學清洗法是利用有機清洗劑，通過噴、淋、浸泡或高頻振動等措施去除表面附著物業超聲波清洗法是將被處理零件放入清洗劑中，利用超聲波產生的振動效應除去污垢。

目前這三種清洗方法在我國清洗市場中仍佔主導地位，但在環境保護和高精度要求下其應用受到很大的限制。機械清洗法無法滿足高清潔度清洗要求，容易損傷被清洗工件的表面積而化學清洗方法容易導致環境污染，獲得的清潔度也很有限，特別是當污垢成分複雜時，必須選用多種清洗劑反覆清洗才可能滿足表面消潔度的要求。超聲波清洗法儘管清洗效果不錯，但對亞微米級污粒的清洗無能為力，清洗槽的尺寸限制了加工零件的範圍和複雜程度，而且清洗後對工件的乾燥亦是一大難題。

近年來，隨著人們環保意識的增強，給世界範圍內清洗業的發展帶來了巨大的挑戰，各種有利於環境保護的清洗技術應運而生，激光清洗技術就是其中之一。

所謂激光清洗技術是指利用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、銹斑或塗層發生瞬間蒸發或剝離，高速有效地清除清潔對象表面附著物或表面塗層，從而達到潔凈的工藝過程。它是基於激光與物質相互作用效應的一項新技術，與傳統的機械清洗法、化學腐蝕清洗、液體固體強力衝擊清洗、高頻超聲清洗等傳統清洗方法相比，有明顯的優點。它高效、快捷、成本低，對基片產生的熱負荷和機械負荷小，清洗為非損傷；廢物可回收，無環境污染物安全可靠，不損害操作人員健康證可以清除各種不同厚度、不同成份的塗層次清潔過程易於實現自動化控制，實現遠距離遙控清洗等。

二、激光清洗的原理和方法

激光的特點是具有高方向性，單色性，高相干性和高亮度。通過透鏡的聚焦和Q開關，可以把能量集中到一個很小的空間範圍和時間範圍內。在激光清洗處理中，主要利用了激光的以下特性：

1

1、 激光可以實現能量在時間和空間上的高度集中，聚焦的激光束在焦點附近可產生幾千度甚至幾萬度的高溫，使污垢瞬間蒸發、氣化或分解。

2

2、激光束的發散角小，方向性好，通過聚光系統可以使激光束聚集成不同直徑的光斑。在激光能量相同的條件下，控制不同直徑的激光束光斑可以調整激光的能量密度，使污垢受熱膨脹。當污垢的膨脹力大於污垢對基體的吸附力時，污垢便會脫離物體的表面。

3

3、激光光束可以通過在固體表面產生超聲波，產生力學共振，使污垢破碎脫落。

激光清洗技術正是利用了上述激光的特性從而達到清洗的目的。根據被清洗基體物質與被清除污垢的光學特性，可以將激光清洗機理分為兩大類：

一類是利用清洗基片（也稱為母體）與表面附著物（污物）對某一波長激光能量的吸收係數具有很大的差別。輻射到表面的激光能量大部分被表面附著物所吸收，從而受熱或氣化蒸發，或瞬間膨脹，並被形成的氣流帶動，脫離物體表面，達到清洗目的。而基片由於對該波長的激光吸收能量極小，不會受到損傷。對此類激光清洗，選擇合適的波長和控制好激光能量大小，是實現安全高效清洗的關鍵。

另一類適用於清潔基片與表面附著物的激光能量吸收係數差別不大，或基片對塗層受熱形成的酸性蒸氣較為敏感，或塗層受熱後會產生有毒物質等情況的清洗方法。該類方法通常是利用高功率高重複率的脈衝激光衝擊被清洗的表面，使部分光束轉換成聲波。聲波擊中下層硬表面後，返回的部分與激光產生的入射聲波發生干涉，產生高能波，使塗層發生小範圍的爆炸，塗層被壓成粉末，再被真空泵清除，而底下的基片卻不會損傷。

從方法上分析，激光清洗方法有4種：1、激光乾洗法，即採用脈衝激光直接輻射去污；2、激光 液膜方法，即首先沉積一層液膜於基體表面，然後用激光輻射去污；當激光照射於液膜上時，液膜急劇受熱，產生爆炸性汽化，爆炸性衝擊波使基體表面的污物鬆散。並隨衝擊波飛離加工物體表面，達到去污的目的。3、激光 惰性氣體的方法，即在激光輻射的同時，用惰性氣體吹向基體表面，當污物從表面剝離後會立即被氣體吹離表面，以避免表面再次污染和氧化；4、運用激光使污垢鬆散後，再用非腐蝕性化學方法清洗。目前，常用的是前3種方法。第4種方法僅應用於石質文物的清洗中，而一個完整的激光清洗系統包括：激光器或YAG激光器）、試樣加工台、導光系統、控制台、輔助系統（如量熱計、光束輪廓儀及其附件）。對於激光 液膜的清洗方法，還有液膜沉積系統。當採用激光 惰性氣體的清洗方法時，還應該包括惰性氣體的進入和排除系統。

三、激光清洗的應用現狀

石雕和石刻等年代久遠的高檔石質藝術品，由於其極精細和易損的表面結構，成為激光清洗技術應用最早的領域。人們發現，用激光清除石質文物表面的污垢有其獨特的優勢，它能夠十分精確地控制光束在複雜的表面上移動，清除污垢而不損傷文物石材。

例子

例如:1992年9月聯合國教科文組織所屬的世界文化遺產保護組織為紀念該組織創建二十周年，實施了對著名的英國亞明大教堂的維修工程。亞明大教堂西側的聖母門上精美的大理石雕刻是工程的關鍵。在為期一年的聖母門維修工程中，維修人員藉助於激光，用激光光束除去了覆蓋在大理石雕刻花紋上幾毫米厚的黑色垢層，大理石表面原來的色澤體現出來，使精美的雕刻重現光彩。

又如：英國最重要的石雕收藏處之一的英斯布倫蒂爾的石雕收藏品經激光清洗後，也得到了同樣的效果。人們用電子顯微鏡觀察激光清洗後的石雕表面，發現激光清洗後石頭的結構沒有變化，被清洗的表面既光滑又平坦，沒有損傷。這跟用微粒子噴射法（噴砂法）清洗後的表面完全不同。微粒子噴射法清洗後大理石表面結構的損傷是難以避免的，特別是對已有硫酸鹽垢層的大理石表面。電子顯微鏡的觀察還發現，激光照射後，表層下岩石材料的各項性質既無退化，也無改變。

目前，用激光清洗石灰石、大理石等高檔石材料表面污垢的工作已成為一項新的很有前途的業務項目。除了對石材料的清洗外，激光清洗在玻璃、金屬、模具、磁碟以及各種微電子產品的清洗中都有很好的效果，在汽車輪胎的生產中，輪胎模具的底部及周邊花紋每隔二至三周需要清洗一次，每隔幾個月就要將整個模具徹底清洗一次。傳統方法是用化學藥水浸泡或噴砂清洗，不但費用昂貴、噪音大、污染嚴重，而且還影響到模具的表面質量。

另外，這類清洗方法不能實現在線清洗，清洗前的拆卸模具和清洗後的安裝模具耗時長，影響生產流水線正常運轉。利用激光技術清洗模具即可實現在線清洗作業。根據模具表面有機附著物的多少和膠料結構的不同，清洗一套模具僅需45-90分鐘（包括裝卸和清洗模具兩側的零件）。由於模具表面可以反射激光束，因此模具表面不會被激光損傷。激光清洗具有很高的靈活性，用戶完全可以用此技術替代正在使用的其它方法。目前國外已用YAG激光器在輪胎生產線上實現了輪胎模具的在線清洗，並已應用到工業中。當模具需要清洗時，在硫化結束的同時打開硫化機，將激光模具清洗系統移到硫化機前對模具進行清洗，無需等待模具冷卻。

同時注意

清洗模具的時間與模具的溫度無關。操作者將激光清洗系統的頭部靠緊模具即可開始清洗。清洗過程中，激光束掃描模具表面，並從四個不同角度照射模具表面，這樣能夠保證各種類型的模具都能被清洗乾淨。清洗完一半後，將清洗機的頭部移向模具的另一半進行清洗。模具完全清洗乾淨後，將清洗裝置移向另一台需清洗的硫化機模具。清洗完的硫化機可立即投入生產。除清洗模具外，工業應用還包括為輪胎作標誌，除去制動線等零部件的塗層或扁平導線上電線的剝離。

目前國外已用YAG激光器在輪胎生產線上實現了輪胎模具的在線清洗，並已應用到工業中。系統若滿負荷運行，以原配輪胎生產廠一年清洗1500副模具計，可節省生產時間6000h；輪胎產量可增加約3萬套。不僅環保，經濟效益也相當可觀。

激光清洗技術應用在歐洲推廣應用至今已數年了，並且已有產品，而我國僅剛剛起步，主要是激光設備的投資昂貴，普遍應用還有一定難度，激光清洗技術與傳統清洗技術相比較，有無法比擬的優點。目前輪胎模具高效率低成本的清洗方法急需推廣，據不完全統計，我國輪胎及其製品廠家數千家，年產一百萬套以上輪胎的企業也不下2000家。年產量在一百萬套輪胎的廠家擁有的模具就有幾萬套，且一套模具使用3周左右就需清洗一次。可見推廣應用激光技術清洗的意義重大。相信在此技術不斷完善的基礎上，隨著設備的批量生產，激光清洗技術將在輪胎模具清洗或其他的清洗業中發揮重要的作用，具有很好的發展前景。

四、激光清洗效益分析

下面以激光清洗輪胎模具為例，說明激光清洗與離線噴砂清洗和乾冰清洗設備相比的經濟效益。激光清洗技術具有明顯優勢：清洗快速，勞動強度低，無磨損，對操作員無危險。

然而，設備的首期投資較高，達30-60萬美元。因此工廠需要確立一個合理的投資回收計劃。典型的JET激光系統工廠可以在18個月內取得投資回收。硫化停工時間短，勞動力成本低，模具磨損少以及較低的生產成本是潛在的效益。譬如，一台日產20000條輪胎的設備，按8台硫化機（16模）每天平均清洗一次的要求，假設每班清洗3台硫化機或每天清洗9台硫化機（有的工廠清洗兩次）從硫化機上拆下兩半模具進行離線清洗，大約需要15h的作業和10h的停機時間，如採用激光對兩半模具進行清洗，則需要0.3h的作和3h的停機時間，這樣，清洗完一台硫化機就可以節約14h的作業和7h的停機時間。又假設，只做10次清洗（5台硫化機），5次在模具車間進行離線清洗，採用激光清洗將產生巨大的回報：每天可節約70小時的作業和35小的的停機時間，那麼按一年320天的工作日算，每年可增加22400小時作業和11200小時的上機時間。

激光清洗設備的維修和維護費用也應該計算在內，為擦乾淨激光鏡和清除沉積在過濾器上的殘餘物，每周需對裝置進行30min的維護，每4周對主要部件進行60min的檢修。每6個月按照製造商的要求對裝置進行常規維護並運行一次激光系統。大部分機械部件可以和激光器機架一樣都有10年以上的使用壽命，一些激光部件在使用大約300h後要求替換。這些零部件可在常規預防維修期間進行現場更換。激光裝置加上其一年的保修服務。包括易損件的更換並提供典型備件，總算起來操作成本約為第小時4-8美元。所有設備都有安裝有Modem(調製調節器)，這樣製造商可以提供遠程服務。

綜合以上因素，總體來看，激光清洗技術的經濟效益是十分顯著的。

五、小結和展望

激光清洗技術比傳統的清洗技術有很大的優勢，在經濟效益和「綠色」工程方面都能給社會帶來很大的好處，市場前景相當廣闊。而我國現在在這方面的研究還是不夠的，如果能夠利用我們現有的激光技術，開發配套的激光清洗設備，並使之投入生產，實現產業化，是完全可能的。隨著激光器成本的下降，必將使得激光清洗技術逐漸得以普及，這對推動高新技術產業發展的本身也是有重要意義的。

來源：中國生物器材網

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！