Die beginsel, tipes en toepassings vanlaser skoonmaaktegnologie
Laserskoonmaaktegnologie is 'n suksesvolle toepassing van lasertegnologie in die ingenieurswese. Die basiese beginsel daarvan is om die hoë energiedigtheid van laser te gebruik om met die kontaminante wat aan die substraat van die werkstuk kleef, te kommunikeer, wat veroorsaak dat hulle van die substraat skei in die vorm van oombliklike termiese uitbreiding, smelting en gasverdamping. Laserskoonmaaktegnologie word gekenmerk deur hoë doeltreffendheid, omgewingsvriendelikheid en energiebesparing. Dit is suksesvol toegepas in velde soos bandskoonmaak, verwydering van vliegtuigbakverf en die herstel van kulturele oorblyfsels.
Tradisionele skoonmaaktegnologieë sluit inmeganiese wrywingsreiniging(sandblaasskoonmaak, hoëdruk-waterstraalskoonmaak, ens.), chemiese korrosieskoonmaak, ultrasoniese skoonmaak, droëysskoonmaak, ens. Hierdie skoonmaaktegnologieë word wyd in verskeie industrieë gebruik. Sandblaasskoonmaak kan byvoorbeeld metaalroeskolle, metaaloppervlakbrame en drie-bestande vernis op stroombaanborde verwyder deur skuurmiddels van verskillende hardheid te kies. Chemiese korrosieskoonmaaktegnologie word wyd gebruik in die skoonmaak van olievlekke op toerustingoppervlaktes, skaal in ketels en oliepyplyne. Alhoewel hierdie skoonmaaktegnologieë goed ontwikkel is, het hulle steeds probleme. Sandblaasskoonmaak kan byvoorbeeld maklik skade aan die behandelde oppervlak veroorsaak, en chemiese korrosieskoonmaak kan omgewingsbesoedeling en korrosie van die skoongemaakte oppervlak veroorsaak as dit nie behoorlik hanteer word nie. Die opkoms van laserskoonmaaktegnologie verteenwoordig 'n rewolusie in skoonmaaktegnologie. Dit benut die hoë energiedigtheid, hoë presisie en doeltreffende oordrag van laserenergie, en het duidelike voordele bo tradisionele skoonmaaktegnologieë in terme van skoonmaakdoeltreffendheid, skoonmaakpresisie en skoonmaakligging. Dit kan effektief omgewingsbesoedeling wat deur chemiese korrosieskoonmaak en ander skoonmaaktegnologieë veroorsaak word, vermy, en sal nie skade aan die substraat veroorsaak nie.
Diebeginsel van laser skoonmaak
So, wat is laserskoonmaak? Laserskoonmaak is 'n proses waar 'n laserstraal gebruik word om materiaal van die oppervlak van 'n vaste stof (of soms 'n vloeistof) te verwyder. By lae laservloei word die materiaal verhit deur die geabsorbeerde laserenergie en verdamp of sublimeer. By hoë laservloei verander die materiaal gewoonlik in plasma. Gewoonlik verwys laserskoonmaak na die verwydering van materiaal met behulp van gepulseerde lasers, maar as die laserintensiteit hoog genoeg is, kan 'n kontinue golflaserstraal gebruik word om die materiaal te ablasieer. Die eksimeerlaser van diep ultravioletlig word hoofsaaklik vir optiese ablasie gebruik. Die lasergolflengte wat vir optiese ablasie gebruik word, is ongeveer 200 nm. Die diepte van absorpsie van die laserenergie en die hoeveelheid materiaal wat deur 'n enkele laserpuls verwyder word, hang af van die optiese eienskappe van die materiaal, sowel as die lasergolflengte en pulslengte. Die totale massa wat deur elke laserpuls van die teiken geablateer word, word gewoonlik die ablasietempo genoem. Die skanderingspoed van die laserstraal en die dekking van die skanderingslyn, ens., sal die ablasieproses aansienlik beïnvloed.
Tipes laserskoonmaaktegnologie
1) Laserdroogskoonmaak: Drooglaserskoonmaak verwys na die direkte bestraling van die skoonmaakwerkstuk deur 'n gepulseerde laser, wat veroorsaak dat die basis- of oppervlakkontaminante energie absorbeer en in temperatuur styg, wat lei tot termiese uitsetting of termiese vibrasie van die basis, waardeur die twee geskei word. Hierdie metode kan rofweg in twee situasies verdeel word: een is dat die oppervlakkontaminante laserenergie absorbeer en uitsit; die ander is dat die basis laserenergie absorbeer en termiese vibrasie genereer. In 1969 het SM Bedair et al. ontdek dat verskeie oppervlakbehandelingsmetodes soos hittebehandeling, chemiese korrosie en sandblaasskoonmaak almal verskillende nadele het. Terselfdertyd kan die hoë energiedigtheid na laserfokussering die verskynsel van materiaaloppervlakverdamping moontlik maak, wat die moontlikheid van nie-vernietigende skoonmaak van die materiaaloppervlak moontlik maak. Deur eksperimente is gevind dat die gebruik van 'n robyn Q-geskakelde laser met 'n kragdigtheid van 30 MW/cm2 die skoonmaak van silikonmateriaaloppervlakkontaminante kan bereik sonder om die basis te beskadig, en vir die eerste keer is laserdroogskoonmaak van materiaaloppervlakkontaminante gerealiseer. Die algehele tempo kan uitgedruk word deur die tempo van losmaking van filmlaagfragmente, soos volg:
In die formule verteenwoordig ε die laserpulsenergie-indeks, h verteenwoordig die dikte-indeks van die besoedelingsfilmlaag, en E verteenwoordig die elastiese modulus-indeks van die filmlaag.
2) Laser Nat Skoonmaak: Voordat die werkstuk wat skoongemaak moet word aan die gepulseerde laser blootgestel word, word 'n oppervlakvoorbedekkingsvloeistoffilm aangebring. Onder die werking van die laser styg die temperatuur van die vloeistoffilm vinnig en verdamp. Op die oomblik van verdamping word 'n impakgolf gegenereer wat op die besoedelende deeltjies inwerk en veroorsaak dat hulle van die substraat loskom. Hierdie metode vereis dat die substraat en die vloeistoffilm nie met mekaar reageer nie, wat die reeks toepaslike materiale beperk. In 1991 het K. Imen et al. die probleem van oorblywende submikron-deeltjiebesoedelingstowwe op die oppervlaktes van halfgeleierwafers en metaalmateriale aangespreek nadat tradisionele skoonmaakmetodes gebruik is, en die toepassing van die bedekking van 'n film op die oppervlak van die materiaalsubstraat bestudeer wat laserenergie doeltreffend kan absorbeer. Vervolgens het die film met behulp van 'n CO2-laser die laserenergie geabsorbeer en vinnig in temperatuur gestyg en gekook, wat plofbare verdamping gegenereer het, wat die besoedelingstowwe van die substraatoppervlak verwyder het. Hierdie skoonmaakmetode word laser nat skoonmaak genoem.
3) Laserplasma-skokgolfskoonmaak: Laserplasma-skokgolwe word gegenereer wanneer die laser die lugmedium bestraal en veroorsaak dat 'n sferiese plasma-skokgolf gevorm word. Die skokgolf werk in op die oppervlak van die werkstuk wat skoongemaak moet word en stel energie vry om die besoedelingstowwe te verwyder. Die laser werk nie op die substraat in nie, en veroorsaak dus nie skade aan die substraat nie. Die laserplasma-skokgolfskoonmaaktegnologie kan nou deeltjies met diameters van etlike tientalle nanometers skoonmaak, en daar is geen beperkings op die lasergolflengte nie. Die fisiese beginsel van plasmaskoonmaak kan soos volg opgesom word: a) Die laserstraal wat deur die laser uitgestraal word, word geabsorbeer deur die besoedelingslaag op die behandelde oppervlak. b) Die groot hoeveelheid absorpsie vorm 'n vinnig uitbreidende plasma (hoogs geïoniseerde onstabiele gas) en genereer 'n impakgolf. c) Die impakgolf veroorsaak dat die besoedelingstowwe fragmenteer en verwyder word. d) Die pulswydte van die ligpuls moet kort genoeg wees om termiese ophoping te vermy wat die behandelde oppervlak kan beskadig. e) Eksperimente het getoon dat wanneer daar oksiede op die metaaloppervlak is, plasma op die metaaloppervlak gegenereer word. Plasma word slegs gegenereer wanneer die energiedigtheid die drempel oorskry, wat afhang van die verwyderde kontaminasielaag of oksiedlaag. Hierdie drempel-effek is baie belangrik vir effektiewe skoonmaak terwyl die veiligheid van die substraatmateriaal verseker word. Die voorkoms van plasma het ook 'n tweede drempel. As die energiedigtheid hierdie drempel oorskry, sal die substraatmateriaal beskadig word. Om effektiewe skoonmaak uit te voer terwyl die veiligheid van die substraatmateriaal verseker word, moet die laserparameters volgens die situasie aangepas word om te verseker dat die energiedigtheid van die ligpuls streng tussen die twee drempels is. In 2001 het JM Lee et al. die eienskap gebruik dat hoëkraglasers plasmaskokgolwe produseer wanneer hulle gefokus word, en 'n pulslaser met 'n energiedigtheid van 2.0 J/cm2 (veel hoër as die skadedrempel van silikonwafers) gebruik om parallel met die silikonwafer te bestraal, en suksesvol 1 μm wolframdeeltjies wat op die oppervlak van die silikonwafer geadsorbeer is, skoongemaak. Hierdie skoonmaakmetode word laserplasmaskokgolfskoonmaak genoem, en streng gesproke is laserplasmaskokgolfskoonmaak 'n tipe droë laserskoonmaak. Die oorspronklike doel van hierdie drie laserskoonmaaktegnologieë was om die klein deeltjies op die oppervlak van halfgeleierwafers skoon te maak. Daar kan gesê word dat laserskoonmaaktegnologie ontstaan het met die ontwikkeling van halfgeleiertegnologie. Laserskoonmaaktegnologie word egter voortdurend toegepas op ander velde, soos die skoonmaak van bandvorms, die verwydering van vliegtuigvelverf en die herstel van artefakoppervlakke. Terwyl dit onder laserstraling gebeur, kan inerte gas op die substraatoppervlak geblaas word. Wanneer die kontaminante van die oppervlak afgeskil word, sal dit onmiddellik deur die gas van die oppervlak afgewaai word om herbesoedeling en oksidasie van die oppervlak te voorkom.
Dietoepassing van laser skoonmaaktegnologie
1) In die halfgeleierveld behels die skoonmaak van halfgeleierwafers en optiese substrate dieselfde proses, naamlik om die grondstowwe in die vereiste vorms te verwerk deur middel van sny, slyp, ens. Tydens hierdie proses word partikelvormige kontaminante ingebring, wat moeilik is om te verwyder en ernstige herhaalde kontaminasieprobleme veroorsaak. Die kontaminante op die oppervlak van halfgeleierwafers kan die kwaliteit van die druk van die stroombaanbord beïnvloed, wat die lewensduur van halfgeleierskyfies verkort. Die kontaminante op die oppervlak van optiese substrate kan die kwaliteit van optiese toestelle en bedekkings beïnvloed, en kan lei tot ongelyke energieverspreiding, wat die lewensduur verkort. Aangesien laserdroogskoonmaak geneig is om skade aan die substraatoppervlak te veroorsaak, word hierdie skoonmaakmetode minder gebruik in die skoonmaak van halfgeleierwafers en optiese substrate. Lasernatskoonmaak en laserplasmaskokgolfskoonmaak het meer suksesvolle toepassings in hierdie veld. Xu Chuanyi et al. het die afsetting van mikroskaalse spesiale magnetiese verf op die oppervlak van ultragladde optiese substrate as 'n diëlektriese film bestudeer, en toe 'n gepulseerde laser vir skoonmaak gebruik. Die skoonmaakeffek was goed, alhoewel die aantal onsuiwerheidsdeeltjies per eenheidsoppervlakte toegeneem het, die grootte en bedekkingsarea van die onsuiwerheidsdeeltjies aansienlik verminder is. Hierdie metode kan die mikroskaalse onsuiwerheidsdeeltjies op die oppervlak van ultragladde optiese substrate effektief skoonmaak. Zhang Ping het die invloed van werkafstand en laserenergie op die skoonmaakeffek van verskillende deeltjiegrootte-kontaminante in laserplasma-skoonmaaktegnologie bestudeer. Die eksperimentele resultate het getoon dat vir polistireendeeltjies op geleidende glassubstrate, die optimale werkafstand vir 'n energie van 240 mJ 1.90 mm was. Namate die laserenergie toegeneem het, het die skoonmaakeffek aansienlik verbeter, en groot deeltjie-kontaminante was makliker om skoon te maak.
2) In die metaalmateriaalveld verskil die skoonmaak van metaalmateriaaloppervlaktes van die skoonmaak van halfgeleierwafers en optiese substrate. Die kontaminante wat skoongemaak moet word, behoort tot die makroskopiese kategorie. Die kontaminante op die oppervlak van metaalmateriale sluit hoofsaaklik die oksiedlaag (roeslaag), verflaag, bedekking en ander aanhegsels in, en kan geklassifiseer word in organiese kontaminante (soos verflaag, bedekking) en anorganiese kontaminante (soos roeslaag). Die skoonmaak van metaalmateriaaloppervlakkontaminante is hoofsaaklik om aan die vereistes van daaropvolgende verwerking of gebruik te voldoen, soos om ongeveer 10 μm oksiedlaag van die oppervlak van titaniumlegeringsdele te verwyder voor sweiswerk, die oorspronklike verflaag op die veloppervlak te verwyder tydens groot vliegtuigherstelwerk om herspuiting te vergemaklik, en die gereelde skoonmaak van die rubberdeeltjies wat aan die rubberbandvorm vas is om die skoonheid van die oppervlak en die kwaliteit en lewensduur van die vorm te verseker. Die skadedrempel van metaalmateriale is hoër as dié van hul oppervlakkontaminante se laserskoonmaakdrempel. Deur 'n gepaste kraglaser te kies, kan 'n beter skoonmaakeffek bereik word. Hierdie tegnologie is volwasse in sommige velde toegepas. Wang Lihua et al. het die toepassing van laserskoonmaaktegnologie in die behandeling van oksiedvelle op die oppervlaktes van aluminiumlegerings en titaniumlegerings bestudeer. Die navorsingsresultate het getoon dat die gebruik van 'n laser met 'n energiedigtheid van 5.1 J/cm2 die oksiedlaag op die oppervlak van die A5083-111H-aluminiumlegering kan skoonmaak terwyl die goeie gehalte van die substraat gehandhaaf word, en die gebruik van 'n gepulseerde laser met 'n gemiddelde krag van 100 W op 'n skanderende manier kan die oksiedlaag op die oppervlak van titaniumlegerings effektief skoonmaak en die hardheid van die materiaaloppervlak verbeter. Binnelandse maatskappye soos Ruike Laser, Daqu Laser en Shenzhen Chuangxin het laserskoonmaaktoerusting ontwikkel wat wyd gebruik word vir die skoonmaak van rubbervorms soos bande, metaalroeslae en olievlekke op die oppervlak van komponente.
3) Op die gebied van kulturele oorblyfsels is die skoonmaak van metaal- en steenoorblyfsels en papieroppervlaktes nodig om kontaminante soos vuil en inkvlekke te verwyder wat op hul oppervlaktes verskyn as gevolg van hul lang geskiedenis. Hierdie kontaminante moet verwyder word om die oorblyfsels te herstel. Vir papierwerke soos kalligrafie en skilderye, wanneer dit onbehoorlik gestoor word, groei skimmel op hul oppervlaktes en vorm vlekke. Hierdie vlekke beïnvloed die oorspronklike voorkoms van die papier ernstig, veral vir papier met hoë kulturele of historiese waarde, wat die waardering en beskerming daarvan sal beïnvloed. Zhao Ying et al. het die haalbaarheid bestudeer van die gebruik van ultravioletlasers om skimmelvlekke op papierrolle skoon te maak. Die eksperimentele resultate het getoon dat die gebruik van 'n laser met 'n energiedigtheid van 3.2 J/mm2 om een keer te skandeer, dun vlekke kan verwyder, en twee keer skandeer die vlekke heeltemal kan verwyder. As die laserenergie wat gebruik word egter te hoog is, sal dit die papierrol beskadig terwyl die vlekke verwyder word. Zhang Xiaotong et al. het 'n vergulde bronsoorblyfsel suksesvol gerestoureer met behulp van die laser vertikale bestraling vloeistoffilmmetode. Zhang Licheng et al. het laserskoonmaaktegnologie gebruik in die restourasie van 'n Han-dinastie geverfde vroulike erdewerkbeeldjie. Yuan Xiaodong et al. het die effek van laserskoonmaaktegnologie in die skoonmaak van kliprelieke bestudeer en die skade aan die sandsteenliggaam voor en na skoonmaak vergelyk, asook die skoonmaakeffekte van inkvlekke, rookbesoedeling en verfbesoedeling.
Gevolgtrekking: Laserskoonmaaktegnologie is 'n relatief gevorderde tegniek, met breë navorsings- en toepassingsvooruitsigte in hoë-presisie velde soos lugvaart, militêre toerusting, en elektroniese en elektriese ingenieurswese. Tans is laserskoonmaaktegnologie suksesvol in sommige gebiede toegepas, danksy die doeltreffende, omgewingsvriendelike en uitstekende skoonmaakprestasie. Die toepassingsgebiede daarvan brei geleidelik uit. Die ontwikkeling van laserskoonmaaktegnologie is nie net volwasse toegepas in gebiede soos verfverwydering en roesverwydering nie, maar daar is ook berigte oor die gebruik van laser om die oksiedlaag op metaaldrade in onlangse jare skoon te maak. Die uitbreiding van bestaande toepassingsvelde en die ontwikkeling van nuwe velde is die fondament van die ontwikkeling van laserskoonmaaktegnologie. Die navorsing en ontwikkeling van nuwe laserskoonmaaktoerusting en die ontwikkeling van nuwe laserskoonmaaktoerusting sal differensiasie toon, wat tot verskeie funksies sal lei. In die toekoms is die bereiking van volledig outomatiese laserskoonmaak deur samewerking met industriële robotte ook haalbaar. Die ontwikkelingstendens van laserskoonmaaktegnologie is soos volg:
(1) Versterking van die navorsing oor laserskoonmaakteorie om die toepassing van laserskoonmaaktegnologie te lei. Na hersiening van 'n groot aantal dokumente, is bevind dat daar geen volwasse teoretiese stelsel is wat laserskoonmaaktegnologie ondersteun nie, en die meeste studies is gebaseer op eksperimente. Die vestiging van 'n laserskoonmaakteoretiese stelsel is die grondslag vir die verdere ontwikkeling en volwassenheid van laserskoonmaaktegnologie.
(2) Uitbreiding van bestaande toepassingsvelde en nuwe toepassingsvelde. Laserskoonmaaktegnologie is suksesvol toegepas in gebiede soos verfverwydering en roesverwydering, en daar is die afgelope paar jaar berigte oor die gebruik van laser om die oksiedlaag op metaaldrade skoon te maak. Die uitbreiding van bestaande toepassingsvelde en die ontwikkeling van nuwe velde is vrugbare grond vir die ontwikkeling van laserskoonmaaktegnologie.
(3) Navorsing en ontwikkeling van nuwe laserskoonmaaktoerusting. Die ontwikkeling van nuwe laserskoonmaaktoerusting sal onderskeid toon. Een tipe is toerusting met 'n sekere universaliteit wat verskeie toepassingsvelde dek, soos dat een toestel gelyktydig verfverwydering en roesverwydering kan verrig. Die ander tipe is gespesialiseerde toerusting vir spesifieke behoeftes, soos die ontwerp van spesifieke toebehore of optiese vesels om die funksie vir die skoonmaak van besoedelingstowwe in klein ruimtes te bereik. Deur samewerking met industriële robotte is volautomatiese laserskoonmaak ook 'n gewilde toepassingsrigting.
Plasingstyd: 17 Julie 2025
