技术聚焦 | 光纤激光器与激光清洗的那些事儿
2021年12月27日
激光表面处理技术是指通过激光与材料的相互作用使材料表面发生所希望的物理化学变化，从而达到改善其表面性能的一种技术。它是利用激光束快速、局部地加热材料，以实现局部急热、熔融或烧蚀等，并可在多种环境下进行处理；通过改变激光源或激光参数，可解决不同材料表面处理的工艺问题。
近年来，随着机械制造等行业的不断发展以及工业4.0与智能制造的提出，与之相适应的激光表面处理的研究和应用也呈快速发展的趋势，其加工对象、工艺方法、应用领域等也在不断拓展之中。根据表面处理目的不同，激光表面处理通常分为：表面改性处理（如激光上釉、激光重熔等）与去除处理（如激光清洗等）。
激光清洗作为激光表面处理技术中的一种，近年来也愈发获得广泛关注和快速发展。激光清洗主要通过低功率、高能量密度的脉冲激光束作用于工件表面，使其表面的污物、氧化层、镀层或涂层等受热发生瞬间的熔融、烧蚀、蒸发或剥离，从而达到工件表面洁净化的工艺过程。
激光清洗属于干洗，与传统的机械及化学等清洗方法相比，具有清洗效果好、控制精度高、对环境无污染、基本不损伤基体、属于非接触式的清洗等优点，由此可见，激光清洗工艺是一种“绿色”清洗工艺。目前，激光清洗已被广泛应用于多个行业中，常见的应用如表1所示。
表1 激光表面清洗的主要应用
大脉冲能量光纤激光器的优势
光纤激光器相较于固体激光器、CO2激光器等具有电光转化效率高、结构小巧、性能稳定、免维护、易集成等优势。随着国内外光纤激光技术的不断突破与发展，采用光纤激光器的激光清洗设备在激光清洗领域正逐步展现出良好的性能优势及广阔的应用前景。
上海飞博激光科技有限公司生产的Pluto系列大脉冲能量光纤激光器（图1）具有较高单脉冲能量、较好光束质量、较大的光斑及可匹配较长的焦深等特点。由于上述特点，使得该类激光器在激光清洗、去除、深雕等表面处理领域将展现出非常大的应用优势。目前，飞博激光大脉冲能量光纤激光器最大功率已达到200W，其单脉冲能量可达到4mJ且光束质量M2接近3。
图1 飞博激光Pluto大脉冲能量光纤激光器
大脉冲能量光纤激光器在激光清洗中的应用
以下部分是采用飞博激光Pluto大脉冲能量光纤激光器进行的激光清洗（除铁锈、除漆）及其它表面处理方面的实验验证、效果分析及相关说明。
实验装置及方法
实验装置示意图如下图2所示，整个清洗系统由飞博激光大脉冲能量光纤激光器、振镜扫描系统、控制系统、工作台及相关辅助设备构成。其工作方法为：将激光器发出的光束通过扫描振镜和场镜后作用于工件表面，同时调节相关工艺参数使工件表面实现或达到所要求的工艺效果。
图2 实验装置示意图
实验中采用的是飞博激光Pluto系列150W大脉冲能量光纤激光器，其主要参数指标由表2列出。
表2 飞博Pluto150W主要参数指标
清洗工艺过程说明
激光清洗是一个复杂的过程，该过程中包括燃烧气化、热冲击与热振动、声波震碎等一系列复杂的化学物理效应，其中燃烧气化是主要因素。但除了这三个主要机理外，其过程中还可能包括光子压力、激光软烧蚀、等离子体产生爆炸等机理。
激光清洗的工艺参数
激光清洗的工艺主要受激光器类型、激光功率、清洗速度、填充密度及清洗次数等因素影响，且这些因素是相互影响、共同作用的。实际清洗过程中需根据去除层材料性能（如生锈程度、涂层厚度）等具体情况来综合匹配符合工艺要求的工艺参数。其匹配原则应是：快速高效，清洗效果优良。
1、激光清洗应用——除铁锈
激光除锈应用的范围非常广泛。如桥梁、电视发射塔、高压输电线路的铁架等高架建筑物的表层锈蚀、镀锌板表面的红锈、铜材表面的氧化层等。如果利用传统的除锈方法进行清除，工程庞大而复杂，并且锈粉不仅有害于工人的身体健康，而且严重污染环境。而激光在这方面却大显身手，可以高效快捷的除去金属表面或角落的锈蚀，并且还可防止进一步氧化。
激光除锈作为一项新兴的清洗工艺，在碳钢表面除锈领域存在巨大的发展前景。下图3是使用飞博激光Pluto150W光纤激光器进行的除铁锈实验时所获得的除铁锈样件。
图3 激光除铁锈样件
实验时，采用Pluto150W光纤激光器作为清洗光源，通过配置焦距为330mm的场镜，匹配出了接近10mm的激光焦深。实验结果表明：这样的光学配置有效的实现并提高了激光的除铁锈工艺效果，并且清洗过程中工件表面的凹凸部分可同时得到清洗且与其他部分的效果一致。可见，飞博Pluto激光器非常适合进行基于除锈的激光表面清洗；并且在实验中发现，当其他参数不变时，对工件表面进行两次不同方向的扫描清洗时，清洗效果最佳。
2、激光清洗应用——除漆
激光除漆作为一种高效、快捷的清洗方法，通常应用于宏观工业领域。在激光除漆过程中，激光作用于油漆涂层上，油漆涂层在脉冲时间内吸收激光能量并将其转化为热能使油漆的温度在极短的时间内达到其气化温度从而达到除漆的效果。
用激光除去物体表面漆层是一种先进的退漆工艺，同传统的溶剂系统和喷砂法相比，激光除漆不会造成环境污染，并且激光束易于控制，能除掉不规则表面上的漆层。下图4是使用飞博激光Pluto150W光纤激光器进行的除漆实验时所获得的除漆样件。
图4 激光除漆样件
由于非金属的油漆对1080nm波段光的吸收率较低，为了提高除漆的效率，实验时，采用给Pluto 150W光纤激光器配置焦距为160mm的场镜，以提高作用于工件表面光斑的能量密度。实验结果表明：激光除漆的效率受油漆的颜色、漆层厚度及附着强度等因素的影响明显，不同除漆工件的除漆效率差异较大。图4中灰色漆层较厚且附着力较强，去除时需几次重复清洗才可完全去除，去除效果如图中除漆区所示。总之，只要匹配出好的工艺参数，上述油漆都可实现相对快速的去除，并且除漆效果优良。
3、大脉冲能量激光器表面处理的其他用途
飞博激光大脉冲能量激光器在激光深雕和激光毛化的处理方面也展现出非常好的性能优势。下图5和图6分别为采用此种大脉冲能量激光器在铝板上的深雕样件及在铸铁表面的毛化样件。
图5 激光深雕样件； 图6 激光毛化样件
结束语
飞博激光大脉冲能量光纤激光器（Pluto系列）可对多种材料的表面进行清洗或处理，并展现出优良、高效的工艺效果；而且相比于当前市场上用于激光清洗的固体激光器具有电光转化效率高，结构小巧，性能稳定，免维护、成本低等优势。
目前，公司正致力于将此类激光器与清洗设备的结合开发中，预期将有效提高激光清洗设备的性价比，以进一步推动国内激光清洗行业的快速发展。
文章来源 荣格激光加工
