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                  大脈沖能量光纖激光器在激光清洗領域的應用

                  日期: 2020-08-26
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                  激光表面處理技術是指通過激光與材料的相互作用使材料表面發生所希望的物理化學變化,從而達到改善其表面性能的一種技術。它是利用激光束快速、局部地加熱材料,以實現局部急熱、熔融或燒蝕等,并可在多種環境下進行處理;通過改變激光源或激光參數,可解決不同材料表面處理的工藝問題。

                  近年來,隨著機械制造等行業的不斷發展及工業4.0與智能制造的提出,與之相適應的激光表面處理的研究和應用也呈快速發展的趨勢,其加工對象、工藝方法、應用領域等也在不斷拓展之中[1]。根據表面處理目的不同,激光表面處理通常分為:表面改性處理(如激光上釉、激光重熔等)與去除處理(如激光清洗等)。

                  激光清洗作為激光表面處理技術中的一種,近年來也越來越獲得廣泛關注和快速發展。激光清洗主要通過低功率、高能量密度的脈沖激光束作用于工件表面,使其表面的污物、氧化層、鍍層或涂層等受熱發生瞬間的熔融、燒蝕、蒸發或剝離,從而達到工件表面潔凈化的工藝過程[2]。

                  激光清洗屬于干洗,與傳統的機械及化學等清洗方法相比,具有清洗效果好、控制精度高、對環境無污染、基本不損傷基體、屬于非接觸式的清洗等優點,由此可見,激光清洗工藝是一種“綠色”清洗工藝。目前,激光清洗已被廣泛應用于多種行業之中[3],常見的應用如表1所示。

                  表1 激光表面清洗的主要應用

                  大脈沖能量光纖激光器在激光清洗領域的應用

                  大脈沖能量光纖激光器的優勢

                  光纖激光器相較與固體激光器、CO2激光器等具有電光轉化效率高,結構小巧,性能穩定,免維護、易集成等優勢。隨著國內外光纖激光技術的不斷突破與發展,采用光纖激光器的激光清洗設備在激光清洗領域正逐步展現出良好的性能優勢及廣闊的應用前景。

                  上海飛博激光科技有限公司生產的Pluto系列大脈沖能量光纖激光器(圖1)具有較高單脈沖能量、較好光束質量、較大的光斑及可匹配較長的焦深等特點。由于上述特點,使得該類激光器在激光清洗、去除、深雕等表面處理領域將展現出非常大的應用優勢。目前,飛博激光大脈沖能量光纖激光器最大功率已達到200W,其單脈沖能量可達到4mJ且光束質量M2接近3。

                  大脈沖能量光纖激光器在激光清洗領域的應用

                  大脈沖能量光纖激光器在激光清洗中的應用

                  本部分是采用飛博激光Pluto大脈沖能量光纖激光器進行的激光清洗(除鐵銹、除漆)及其它表面處理方面的實驗驗證、效果分析及相關說明。

                  實驗裝置及方法

                  實驗裝置示意圖如下圖2所示,整個清洗系統由飛博激光大脈沖能量光纖激光器、振鏡掃描系統、控制系統、工作臺及相關輔助設備構成。其工作方法為:將激光器發出的光束通過掃描振鏡和場鏡后作用于工件表面,同時調節相關工藝參數使工件表面實現或達到所要求的工藝效果。

                  大脈沖能量光纖激光器在激光清洗領域的應用


                  圖2 實驗裝置示意圖。

                  實驗中采用的是飛博激光Pluto系列150W大脈沖能量光纖激光器,其主要參數指標由表2列出。

                  表2 飛博Pluto150W主要參數指標。

                  大脈沖能量光纖激光器在激光清洗領域的應用

                  清洗工藝過程說明

                  激光清洗是一個復雜的過程,該過程中包括燃燒氣化、熱沖擊與熱振動、聲波震碎等一系列復雜的化學物理效應,其中燃燒氣化是主要因素。但除了這三個主要機理外,其過程中還可能包括光子壓力、激光軟燒蝕、等離子體產生爆炸等機理。?

                  激光清洗的工藝參數

                  激光清洗的工藝主要受激光器類型、激光功率、清洗速度、填充密度及清洗次數等因素影響,且這些因素是相互影響、共同作用的。實際清洗過程中需根據去除層材料性能(如生銹程度、涂層厚度)等具體情況來綜合匹配符合工藝要求的工藝參數。其匹配原則應是:快速高效,清洗效果優良。

                  1、激光清洗應用——除鐵銹

                  激光除銹應用的范圍非常廣泛。如橋梁、電視發射塔、高壓輸電線路的鐵架等高架建筑物的表層銹蝕、鍍鋅板表面的紅銹、銅材表面的氧化層等。如果利用傳統的除銹方法進行清除,工程龐大而復雜,并且銹粉不僅有害于工人的身體健康,而且嚴重污染環境[4]。而激光在這方面卻大顯身手,可以高效快捷的除去金屬表面或角落的銹蝕,并且還可防止進一步氧化。

                  激光除銹作為一項新興的清洗工藝,在碳鋼表面除銹領域存在巨大的發展前景[5]。下圖3是使用飛博激光Pluto?150W光纖激光器進行的除鐵銹實驗時所獲得的除鐵銹樣件。

                  大脈沖能量光纖激光器在激光清洗領域的應用

                  圖3、激光除鐵銹樣件。

                  實驗時,采用Pluto?150W光纖激光器作為清洗光源,通過配置焦距為330mm的場鏡,匹配出了接近10mm的激光焦深。實驗結果表明:這樣的光學配置有效的實現并提高了激光的除鐵銹工藝效果,并且清洗過程中工件表面的凹凸部分可同時得到清洗且與其他部分的效果一致??梢?,飛博Pluto激光器非常適合進行基于除銹的激光表面清洗;并且在實驗中發現,當其他參數不變時,對工件表面進行兩次不同方向的掃描清洗時,清洗效果最佳。

                  2、激光清洗應用——除漆

                  激光除漆作為一種高效、快捷的清洗方法,通常應用于宏觀工業領域。在激光除漆過程中,激光作用于油漆涂層上,油漆涂層在脈沖時間內吸收激光能量并將其轉化為熱能使油漆的溫度在極短的時間內達到其氣化溫度從而達到除漆的效果。

                  用激光除去物體表面漆層是一種先進的退漆工藝,同傳統的溶劑系統和噴砂法相比,激光除漆不會造成環境污染,并且激光束易于控制,能除掉不規則表面上的漆層。下圖4是使用飛博激光Pluto?150W光纖激光器進行的除漆實驗時所獲得的除漆樣件。

                  大脈沖能量光纖激光器在激光清洗領域的應用

                  圖4、激光除漆樣件。

                  由于非金屬的油漆對1080nm波段光的吸收率較低,為了提高除漆的效率,實驗時,采用給Pluto?150W光纖激光器配置焦距為160mm的場鏡,以提高作用于工件表面光斑的能量密度。實驗結果表明:激光除漆的效率受油漆的顏色、漆層厚度及附著強度等因素的影響明顯,不同除漆工件的除漆效率差異較大。圖4中左圖由于白色漆層較薄,除漆效率較高;圖4右圖灰色漆層較厚,除漆效率稍低并且需幾次重復清洗才可完全去除??傊?,只要匹配出好的工藝參數,上述油漆都可實現相對快速的去除,并且除漆效果優良。

                  3、大脈沖能量激光器表面處理的其他用途

                  飛博激光大脈沖能量激光器在激光深雕和激光毛化的處理方面也展現出非常好的性能優勢。下圖5和圖6分別為采用此種大脈沖能量激光器在鋁板上的深雕樣件及在鑄鐵表面的毛化樣件。

                  大脈沖能量光纖激光器在激光清洗領域的應用大脈沖能量光纖激光器在激光清洗領域的應用

                  圖5、激光深雕樣件。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖6、激光毛化樣件。

                  結束語

                  飛博激光大脈沖能量光纖激光器(Pluto系列)可對多種材料的表面進行清洗或處理,并展現出優良、高效的工藝效果;而且相比于當前市場上用于激光清洗的固體激光器具有電光轉化效率高,結構小巧,性能穩定,免維護、成本低等優勢。

                  目前,公司正在進行將此激光器與清洗設備的結合開發中,預期將有效提高激光清洗設備的性價比,以推動國內激光清洗行業的快速發展。

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                  參考文獻

                  [1] 許并社. 激光表面處理現狀與趨勢[J]. 中國熱處理技術路線圖高層論壇暨第八屆中國熱處理活動周論文集, 2012年5月.

                  [2]?俞鴻斌,?王春明,?張威, 王軍, 閆飛, 胡席遠. 激光清洗應用發展現狀及展望[J]. 電焊機, 2014,44(10): 80-84.

                  [3] 巴瑞章. 激光表面清除處理及應用[J]. 激光加工技術,1999:25-27.

                  [4]?宋峰,?劉淑靜,?鄒萬芳. 激光清洗——脫漆除銹[J]. 清洗世界, 2005,21(11): 38-41.

                  [5]?俞鴻斌,?王春明,?王軍, 閆飛, 胡席遠. 碳鋼表面激光除銹研究[J]. 應用激光, 2014,34(4): 310-314.


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