发表时间：2024-07-20 05:48:37 │ 点击数：
图 ２ 污 染 层 吸 收 激 光 后 膨 胀 产 生 等 离 子 体 Ｆｉｇ．２Ｐｏｌｌｕｔｅｄｌａｙｅｒｅｘｐａｎｄｉｎｇｉｎｔｏ ｐｌａｓｍａａｆｔｅｒａｂｓｏｒｂｉｎｇｌａｓｅｒ
除锈试验选取 的 是 表 面 锈 蚀 厚 度 １ ｍｍ 以 上 的结构钢。激光光斑和振镜参数与上面试验相同， 平移速度为８ｍｍ／ｓ，功率增大到最大值１６０ Ｗ、频 率 为 １０ ＫＨｚ时 ，激 光 除 锈 效 果 最 好 。
图９为锈蚀钢板清洗前后对比照片。上面为 未清洗的钢材，下面 是 激 光 清 洗 过 的 钢 材 （两 块 样
随着全球人类生存环境的逐渐恶化和人类环 保 和 安 全 意 识 日 益 增 强 ，利 用 化 学 药 剂 和 机 械 方 法 进行传统工业清洗逐渐将被更环保更安全的清洗 方式替代。使用纳秒脉冲光的激光清洗方式具有 无研磨、非接触、无 热 效 应 和 适 用 于 各 种 材 质 的 物 体 等 特 点 ，因 此 被 认 为 是 目 前 最 可 靠 、最 有 效 、最 环 保的解决办 法 。 ［１］ 激 光 清 洗 还 可 以 解 决 传 统 清 洗 方 式 无 法 解 决 的 问 题 。 例 如 ，脉 冲 激 光 可 以 清 除 工 件表面尤其是光学元件表面的亚微米级的污染颗 粒［１］，可以清除微电子元件上的微小颗 粒 。 ［２］ 激 光 清 洗 无 接 触 的 特 点 ，保 证 了 激 光 清 洗 对 精 密 部 件 或 物品精细部位清 洗 的 安 全 性，可 以 维 持 其 精 度，九游会官网 J9平台特 别适合文物和艺术品的清洗 。 ［４］ 除此以外，激 光 清 洗技术在城市涂鸦清除等日常使用中也逐渐得到 认 可 。 ［５］
脉冲式激光清洗的过程依赖于激光器所产生 的光脉冲的特性，基 于 由 高 强 度 的 光 束、短 脉 冲 激 光及污染层之间的相互作用所导致的光物理反应， 从而去除基材上的污染物。
清洗工 作 过 程 如 图 １～３ 所 示，可 概 括 为 以 下 几部分：
１）激 光 器 发 射 的 脉 冲 光 束 被 待 清 洁 表 面 上 的 污染层所吸收。
收 稿 日 期 ２０１２－１１－０３； 收 到 修 改 稿 日 期 ２０１３－０１－１６ 作 者 简 介 魏 兴 春 （１９８５－ ），男 ，硕 士 ，主 要 研 究 方 向 为 激 光 技 术 及 应 用 。Ｅ－ｍａｉｌ：２８５９３２５０８＠ｑｑ．ｃｏｍ
则基底材 料 将 被 破 坏。 在 两 个 阈 值 之 间 的 激 光 脉冲才能 在 不 损 伤 基 底 材 料 的 前 提 下 进 行 有 效 清 洁 。 对 于 不 同 的 基 底 和 污 染 物 ，使 用 不 同 波 长 的 激 光 器 ，清 洗 前 都 必 须 对 激 光 参 数 进 行 相 应 调 整 。 ［６］
本文介绍了 采 用 新 型 方 案 的 手 持 ＤＰＳＳ 激 光 清洗机。激光器输出平均功率超过１６０ Ｗ，可适用 于多种污染的清洗和去除任务。本清洗机调整参 数后对轮胎模具和铁锈的清洗效果明显。随着技 术 研 究 的 不 断 深 入 ，激 光 清 洗 在 其 他 物 质 材 料 清 洗 中的机理和效果也将逐渐了解和发现。该型激光 清 洗 机 与 传 统 清 洗 方 式 相 比 具 有 环 保 高 效 、使 用 费 用 低 、不 损 伤 基 底 等 诸 多 优 势 和 优 点 。 激 光 清 洗 必 将在国内外清洗行业中占据越来越大的份额。九游会官网 J9平台
图 ９ 锈 蚀 钢 材 清 洗 效 果 Ｆｉｇ．９Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｒｕｓｔｃｌｅａｎｉｎｇ
不 同 基 材 、不 同 污 染 物 的 清 洗 所 需 的 单 脉 冲 能 量、功 率 密 度、激 光 重 频 均 不 同，所 以 针 对 不 同 材 料、不同状态下的 清 洗，需 要 对 相 关 参 数 进 行 摸 底 和 实 验 ，否 则 会 存 在 烧 伤 基 底 或 者 清 除 效 果 不 明 显 的问题。其他材质的清洗和清洗效果将在以后的 研究中进行深入探索。
根据国内 技 术 储 备 和 器 件 水 平，我 们 提 出 了 Ｎｄ∶ＹＡＧ 激光手持清洗方案。本 方 案 中，整 个 激
图 ４ 激 光 器 原 理 图 Ｆｉｇ．４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｌａｓｅｒ
图 ５ 清 洗 装 置 示 意 图 Ｆｉｇ．５Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｌａｓｅｒ－ｃｌｅａｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ
２）大 能 量 的 吸 收 形 成 急 剧 膨 胀、高 度 电 离 的 不 稳 定 气 体 （等 离 子 体 ），产 生 冲 击 波 。
３）若 使 用 高 功 率 高 重 频 的 激 光 脉 冲，脉 冲 激 光冲击被清洗表 面，产 生 一 定 声 波，声 波 在 基 材 表 面经过反射与入 射 的 声 波 干 涉 叠 加，产 生 高 能 波， 使 污 染 物 内 部 产 生 微 爆 炸 ，脱 离 基 材 表 面 。
４）冲 击 波 与 微 爆 炸 一 起 作 用 使 污 染 物 变 成 碎 片脱离基材并被剔除。
激 光 清 洗 用 激 光 器 并 不 是 功 率 越 大 越 好 ，要 实 现 清 洗 ，首 先 激 光 功 率 要 达 到 清 洗 阈 值 ，然 后 才能将污 染 物 从 基 底 上 去 除。 第 二 个 阈 值 是 基 底 材 料 损 伤 阈 值 ，如 果 能 量 密 度 超 过 这 一 阈 值 ，
摘要针对轮胎模具和金属锈迹去除，介绍了自主研发 生 产 的 一 种 新 型 手 持 激 光 清 洗 机。 采 用 半导体泵浦固体激光器（ＤＰＳＳ）手 持 方 案，使 光－光 转 换 效 率 和 清 洁 速 率 得 到 提 升。 激 光 平 均 功 率超过１６０ Ｗ。对橡胶轮胎模具和 严 重 锈 蚀 钢 板 进 行 清 洗，效 果 明 显，清 洗 速 度 分 别 达 到 １．０８ ｍ２／ｈ、１．４４ ｍ２／ｈ。 参 数 调 整 后 可 适 应 多 种 其 他 清 洗 应 用 。 关 键 词 半 导 体 泵 浦 固 体 激 光 ；手 持 ；模 具 清 洗 ；除 锈 中 图 分 类 号 ＴＮ２４９ 文 献 标 识 码 Ａ
国外激光 清 洗 机 的 产 品 已 经 有 很 多，主 要 包 括：法 国 Ｑｕａｎｔｅｌ 公 司 的 Ｌａｓｅｒｂｌａｓｔ 系 列、德 国 ＣｌｅａｎＬａｓｅｒ公司 的 ＣＬ 系 列、美 国 ＵＳＨＩＯ 公 司 的 Ｅｘｃｉｍｅｒ系列产品等。国内在 １０ 年 前 开 始 对 激 光 清 洗 进 行 研 究 ，但 仅 有 几 款 小 功 率 激 光 清 洗 机 产 品 问世。国内清洗机产品都是基于小功率光纤激光 器的方案，功率小于３０ Ｗ，不能满足诸多情况下的 应用。２０１２年国内刚 具 备 ５０ Ｗ 脉 冲 光 纤 激 光 器 的批产 能 力，对 于 １００ Ｗ 及 以 上 的 脉 冲 光 纤 激 光 器 还 处 在 试 验 阶 段 ，无 法 满 足 市 场 的 需 要 。 本 文 提
图 ３ 污 染 物 产 生 微 爆 炸 脱 离 基 材 Ｆｉｇ．３Ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎｍｉｎｉ－ｅｘｐｌｏｄｉｎｇａｎｄ
式（１）中 Ｅ 为 单 脉 冲 能 量，ＰＡｖｇ为 激 光 输 出 平 均功率，Ｆ 为 激 光 重 频。 计 算 得 出 单 脉 冲 能 量 为
品取自同一块 钢 板）。 图 片 中 可 明 显 对 比 看 出，清 洗过后的钢材表 面 锈 迹 清 除 干 净，整 体 光 洁 度 高， 适 合 进 行 进 一 步 的 处 理 ，如 刷 漆 等 。 对 该 程 度 锈 蚀 钢 材 ，本 清 洗 机 可 达 到 １．４４ ｍ２／ｈ。
Ｍ２ 透射率 Ｔ 为 ４０％。 在 ２００ ｍｍ 短 谐 振 腔 情 况
下，１．０６μｍ 静态激光输出功率达到２００ Ｗ。 采用北京 光 电 所 生 产 的 Ｍ９２Ｃ 激 光 功 率 计，
光 光 学 部 分 密 集 集 成 在 手 持 枪 内 部 ，降 低 了 光 传 输
试 验 激 光 器 光 路 如 图 ４ 所 示 ，清 洗 装 置 示 意 图
如 图 ５ 所 示 。 使 用 国 产 连 续 泵 浦 半 导 体 模 块 、古 奇
理 论 上 任 何 波 长 的 激 光 都 可 以 用 来 清 洗 ，但 是 根 据 材 料 对 激 光 的 吸 收 率 和 激 光 的 易 得 性 考 虑 ，被 广泛使用的激光 以 Ｎｄ∶ＹＡＧ 激 光［３，７］、二 氧 化 碳 激光 和 ［８，９］ 准 分 子 激 光 为 主 。 ［１０］ 本 文 采 用 半 导 体 泵浦的 Ｎｄ∶ＹＡＧ 产 生 清 洗 用 １０６４ｎｍ 脉 冲 激 光。 ３．１ 试 验 方 案
３．２ 清 洗 试 验 本 文 主 要 研 究 橡 胶 轮 胎 模 具 、严 重 锈 蚀 钢 板 的
橡胶轮胎模具。在实际使用中因为清洗不方便或 者清洗成 本 过 高 的 原 因，厂 家 清 洗 的 频 率 不 是 很 高，所以造成橡胶残留较多较厚 。 ［５］ 试验激光 光 斑 直径为０．５ ｍｍ，振镜以宽度 ５０ ｍｍ、４０ Ｈｚ扫描。 试 验 中 清 洗 机 功 率 从 小 到 大 调 整 以 防 损 伤 基 底 ，以 ６ｍｍ／ｓ的速度平移，当功率调整到１４８ Ｗ、频率为 ８ｋＨｚ时，清洗 效 果 最 明 显。 继 续 增 加 功 率，基 底 出现浅黑色烧伤迹象。图８ 所示为 １４８ Ｗ 激 光 清 洗模具的照片。从图中可看出清洗过的部分清洁 度 很 高 ，效 果 很 明 显 。 对 轮 胎 模 具 的 清 洗 速 度 可 达 到 １．０８ ｍ２／ｈ。
出了国内首创的手持激光清洗方案：将 ＤＰＳＳ激光 器置于手持部分，避 开 了 器 件 “瓶 颈”，提 高 了 最 大 输出 功 率 和 有 效 光－光 转 换 效 率，弥 补 了 小 功 率 激 光清洗的不足，可 满 足 轮 胎 模 具、锈 蚀 金 属 板 等 情 况下的多种工业清洗应用。
图 ６ 激 光 清 洗 机 手 持 枪 Ｆｉｇ．６Ｈａｎｄｈｏｌｄｉｎｇｇｕｎｏｆｌａｓｅｒ－ｃｌｅａｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ
图 ８ 轮 胎 模 具 清 洗 效 果 Ｆｉｇ．８Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｉｒｅ－ｍｏｌｄｃｌｅａｎｉｎｇ
图 ７ 激 光 清 洗 机 整 体 图 Ｆｉｇ．７Ｐｉｃｔｕｒｅｏｆｌａｓｅｒ－ｃｌｅａｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ
