一種激光清洗技術(shù)用于汽車綠色維修的研究*

張 飛，謝欣欣，潘偉榮

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510650；2.廣東道路運(yùn)輸管理局，廣東廣州 510101）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，汽車成為人們出行的必要交通工具。與此同時(shí)，汽車的維修逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，汽車維修的相關(guān)研究也越來(lái)越受重視。汽車維修領(lǐng)域的研究關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)從技術(shù)手段的優(yōu)化，逐漸向汽車維修過(guò)程中產(chǎn)生的危害處理方向深入。對(duì)于環(huán)境污染問(wèn)題，加強(qiáng)研究十分必要，利用一些新型綠色維修技術(shù)，降低汽車維修過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染是必行之路，也是未來(lái)汽車維修發(fā)展重要方向之一。

零件清洗在汽車維修過(guò)程中是極為關(guān)鍵的一環(huán)，主要是為了對(duì)零件檢驗(yàn)分類，便于發(fā)現(xiàn)零件的損傷并及時(shí)修復(fù)。零件清洗通常是指油污、積碳和水垢的清除。對(duì)于汽車零件清洗，過(guò)去一般常常使用汽油等有機(jī)溶劑，效果比較理想，但這種化學(xué)清洗方式產(chǎn)生的安全隱患也相對(duì)突出，還會(huì)對(duì)操作人員和周圍環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。因此，研究新型綠色清洗技術(shù)具有重要的意義。

圖1 激光清洗作用原理

1 激光清洗技術(shù)的分類及原理

許多研究人員對(duì)激光清洗過(guò)程的機(jī)理進(jìn)行了一系列的研究[1-2]，研究結(jié)果表明：激光清洗是激光與物質(zhì)之間一系列復(fù)雜的物理過(guò)程，污染物與物質(zhì)表面間粘著力一般包括：毛細(xì)作用、范德華力和靜電力。利用激光與物質(zhì)間的作用特性，克服污染物和待清洗物表面間的上述作用力，而待清洗物體未受到損壞，這是激光清洗的特別之處。激光清洗作用會(huì)根據(jù)污染物的組成結(jié)構(gòu)成分的不同，所運(yùn)用的作用機(jī)理也有差異，研究者們做了大量試驗(yàn)[3-4]，并對(duì)此過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)論一般為以下3種：（1）熱膨脹效應(yīng)，當(dāng)激光照射基底與污染物時(shí)，兩者對(duì)特定波長(zhǎng)激光存在能量吸收差異，這時(shí)污染物吸收激光發(fā)熱膨脹，克服基底對(duì)其的粘著力從而脫落；（2）光分解效應(yīng)，即激光直接將污染物分子或輔助液膜瞬間氣化、分解，促使污染物松散，從基底脫落；(3)光振動(dòng)效應(yīng)，待清洗表面在高頻率脈沖激光照射，光束轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡?，污染物被共振碎裂?/p>

根據(jù)以上3種理論，產(chǎn)生了干式激光清洗法、濕式激光清洗法。另外，近幾年又提出了激光等離子體沖擊波清洗法，原理是激光擊穿污染物周圍介質(zhì)，形成等離子體沖擊波，可以直接將污染物清除，避免前兩種方法中存在的問(wèn)題，例如波長(zhǎng)選擇不適宜時(shí)對(duì)機(jī)體的不必要的損傷。

1.1 干式激光清洗法

干式激光清洗法即為脈沖激光直接照射待清洗物，基底表面污染物或基底吸收激光后產(chǎn)熱升溫膨脹，造成污染物振動(dòng)或基底振動(dòng)，污染物克服基質(zhì)表面粘著力，從基底表面脫落[5]。雖然實(shí)際產(chǎn)生的熱膨脹較小，但由于激光作用時(shí)間短，產(chǎn)生的脫離加速度卻較大。選擇不同的激光波長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生兩種不同的清洗類型：一種類型是污染物不吸收選擇的激光波長(zhǎng)的能量，而基底對(duì)激光能量強(qiáng)吸收發(fā)生熱膨脹[6]，如圖2（a）所示；另一種基底不吸收選擇的激光波長(zhǎng)能量，但是污染物強(qiáng)吸收激光能量發(fā)生熱膨脹，如圖2（b）所示。所以在干式激光清洗前，分析基底材料性質(zhì)和污染物組成特性，及兩者對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收情況，選擇的激光波長(zhǎng)要使基底和污染物吸收差別較大。

圖2 干式激光清洗原理示意圖

1.2 濕式激光清洗法

在脈沖激光照射前，待清洗物體表面需要事先涂上一層液體薄膜。激光照射后，液膜急劇產(chǎn)熱，瞬間發(fā)生氣化，沖擊力使基底表面的污染物脫離基底表面，清洗效果產(chǎn)生[7]。與干式清洗法一樣，激光波長(zhǎng)選擇不同，清洗類型也不同。一種類型是基底對(duì)選擇波長(zhǎng)的激光能量強(qiáng)吸收，液膜對(duì)激光能量不吸收，如圖3（a）所示；第二種是液膜對(duì)選擇波長(zhǎng)的激光能量強(qiáng)吸收，基底不吸收激光能量，如圖3（b）所示；第三種是液膜和基底對(duì)選擇波長(zhǎng)的激光能量都吸收，如圖3（c）所示。

圖3 濕式激光清洗法原理示意圖

1.3 激光等離子體沖擊波清洗法

激光等離子體沖擊波清洗法的實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示[8]，脈沖激光束作用在基底上方，達(dá)到周圍介質(zhì)的擊穿閾值時(shí)會(huì)擊穿氣體，產(chǎn)生等離子體沖擊波，球狀的沖擊波傳播到基底時(shí)，沖擊力作用清除了基底表面污染物。該方法不依賴波長(zhǎng)選擇產(chǎn)生作用，且由于激光未直接照射基底，所以幾乎不會(huì)對(duì)基底造成任何損傷。

以上介紹了3種主要激光清洗方法的原理[9-10]。目前，上述方法都能夠進(jìn)行有效清洗操作。在應(yīng)用過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇最優(yōu)方法和適宜參數(shù)。

2 激光用于汽車零件清洗的研究

在汽車維修過(guò)程中做好零件的清洗工作是保證其維修質(zhì)量的關(guān)鍵步驟，通過(guò)清洗后檢測(cè)零件表面尺寸、幾何形狀、粗糙情況、性能、磨損度及污物粘著情況，來(lái)鑒定零件的準(zhǔn)確情況，保證維修質(zhì)量、降低維修成本、提高維修后零件的壽命等起到至關(guān)重要的作用。

零件表面粘附的污染物微粒主要成分為氧化物和灰塵。微粒在脈沖激光不斷照射下以極快的速度產(chǎn)熱，通過(guò)微粒和基底表面之間的熱膨脹效應(yīng)，克服基底表面對(duì)微粒的粘著力，零件表面的顆粒脫除，故而形成強(qiáng)大的清洗作用。由于基底材料表面的剝離閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微粒從零件表面的剝離閾值，故雖然微粒已經(jīng)脫落，但是基底材料本身不會(huì)受到影響造成損傷。而濕式清洗技術(shù)是零件表面的事先涂抹上的液體薄膜在激光作用下，瞬間被氣化發(fā)生膨脹，產(chǎn)生的作用力將顆粒拋除。

圖4 激光等離子體沖擊波清洗法原理示意圖

2.1 零件與污染物之間的粘著力

（1）采用干式激光清洗技術(shù)時(shí)的粘著力

微粒在零件表面的粘著力一般以范德華力為主，故單位面積上微粒與零件表面的粘著力F可以由下式計(jì)算。式中：h為零件材料的LW常數(shù)；r為微粒半徑；δ為粘著點(diǎn)半徑；z為零件表面和微粒之間的距離。

（2）采用干式激光清洗技術(shù)時(shí)的粘著力

當(dāng)零件表面存在液膜時(shí)，粘著力增加了表面張力，故單位面積上微粒與零件表面的粘著力的公式如下：

式中：γ為表面張力。

2.2 零件與污染物之間的清洗力

（1）采用干式激光清洗技術(shù)時(shí)的清洗力

通過(guò)脈沖激光不斷的照射，微粒內(nèi)部溫度急劇升高且出現(xiàn)分布不勻的情況，即熱效應(yīng)，伴隨產(chǎn)生應(yīng)力。而微粒脫落于零件表面時(shí)，此時(shí)相當(dāng)于發(fā)生位移?？紤]應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，若想取得高質(zhì)量的清洗效果，則需要達(dá)到下述條件：

σ（d,t）/E+νΔT(d，t)=ε(d,t)＞z

式中：σ(d，t)為在t時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)產(chǎn)生在微粒和零件界面間的熱應(yīng)力；E為彈性模量；v為熱脹系數(shù)；△T(d，t)為微粒和零件界面間的上升的溫度；ε(d，t)為在t時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)產(chǎn)生在微粒和零件界面間的應(yīng)變位移；z為零件表面和微粒之間的距離。

ΔT(d，t)=T(d,t)-T0

式中：T0為微粒和零件界面的起始溫度。

只有克服表面粘著力F，才能使微粒脫落，故其熱效應(yīng)力需要滿足下述條件：

σ（d,t）=-F

若假設(shè)定單位面積的清洗力f為 f =γEΔT(d,t)

故只有當(dāng)f＞F時(shí)，即當(dāng)清洗力高于零件表面的粘著力時(shí)，微粒從零件表面脫落，激光作用產(chǎn)生清洗效果。清洗力與粘著力相等時(shí)即為剝落閾值，也被定義為清洗力閾值。

（2）采用濕式激光清洗技術(shù)時(shí)的清洗力

清洗前在零件表面上涂液膜，液膜被要求不能吸收清洗波長(zhǎng)的激光。在脈沖激光照射下，零件表面迅速產(chǎn)熱，液膜在界面瞬間氣化產(chǎn)生氣泡，關(guān)于氣泡內(nèi)部溫度和壓力的研究分析如下：

式中： p∞為液膜內(nèi)壓力， pν為氣泡內(nèi)壓力； psat為飽和的氣壓； T∞為液膜內(nèi)溫度； Tν為氣泡內(nèi)溫度。

當(dāng)零件表面完全潤(rùn)濕，Tν≈T∞，則有pν=ps（atTν） ≈psat(T∞)。氣泡瞬時(shí)增大速度v，經(jīng)分析得到下列關(guān)系式：

式中：ρ1(T)為液體的密度（溫度T）。

氣泡增大不會(huì)超過(guò)液膜的厚度。據(jù)相關(guān)研究可計(jì)算出應(yīng)力波造成的壓力。設(shè)定在液膜與零件界面之間，由于液體氣化，液膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力；氣泡內(nèi)部壓力相當(dāng)于平均飽和壓力；氣泡增大的速度相當(dāng)于氣化層的膨脹速度，于是氣化層與液膜界面獲得的能量的平均值計(jì)算為∫(pV-p∞)vf d t，其中f和v分別是氣化層的體積比和膨脹速度。由此可知，單位面積上壓力能量可以由下式計(jì)算：

式中：p為應(yīng)力波產(chǎn)生壓力；ρ為液體本身密度；c為應(yīng)力傳遞速度。

在液膜與零件界面之間產(chǎn)生的應(yīng)力波壓力的計(jì)算公式如下：

如果清洗力與粘著力保持一致時(shí)，清洗閾值即為激光的能量密度。

2.3 影響激光清洗效果的因素

（1）光斑面積及功率密度

光斑的面積決定激光清洗面積，同時(shí)決定兩次脈沖之間的搭接量，故光斑面積會(huì)影響清除效率。但是清除面積增大的同時(shí)會(huì)降低功率密度，光斑面積要適宜。功率密度一般通過(guò)聚焦透鏡來(lái)調(diào)整。由此產(chǎn)生的參數(shù)是與焦點(diǎn)之間的位置關(guān)系，即離焦量。離焦量發(fā)生改變，光斑面積改變，激光的功率密度隨之改變。因此，在激光清洗過(guò)程中，光點(diǎn)位置必須要保證穩(wěn)定，再通過(guò)增加激光能量，才能保證清洗效果。

（2）激光波長(zhǎng)

當(dāng)激光能量密度恒定時(shí)，選擇的波長(zhǎng)越短，激光能量就越大，清洗力越高，清洗效果越好。因此，提高清洗效率，要選擇有利于零件材料吸收的激光波長(zhǎng)。

（3）能量密度和脈沖數(shù)

在小于零件表面損傷閾值的前提下，激光脈沖數(shù)量越多，最后清洗效果越好。通常為避免物體表面的損傷，降低能量密度和增加脈沖數(shù)可以獲得較好的清洗效果；若采用較高的大于零件表面的損傷閾值的能量密度，可減少脈沖數(shù)，可以獲得較高的清洗效率。

（4）峰值功率

光束中央的功率越高，清洗效果越好。但是，功率應(yīng)保證不超過(guò)零件表面的損傷閾值。同時(shí)，采用均化裝置可以使激光照射能量分布更均勻。

（5）離焦量和光斑距離

離焦量的選擇是為了達(dá)到調(diào)整光斑內(nèi)激光平均功率大于清洗閾值且小于損傷閾值的目的。一般情況下，在能夠保證清洗效果時(shí)，離焦量越大，清洗效率越高。當(dāng)保證離焦量恒定時(shí)，光斑距離越小，形成兩次激光照射之間的光斑搭接時(shí)，清洗效率會(huì)提高。

3 結(jié)論

激光清洗技術(shù)是基于激光與物質(zhì)之間的相互作用，作為一項(xiàng)新型清洗技術(shù)，與傳統(tǒng)清洗技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不需要有機(jī)溶劑，沒(méi)有廢液排放，清洗殘?jiān)苌?，?duì)環(huán)境無(wú)污染；

（2）能有效去除難以清洗干凈的吸附在物體表面的亞微米粒子；

（3）可以通過(guò)光纖傳播，能到達(dá)其他方法難以清洗的地方；

（4）激光清洗效率較高，前期投入后，后期成本較低，不造成浪費(fèi)；

（5）激光可控性好，易于實(shí)現(xiàn)選區(qū)定域、實(shí)時(shí)的精密清洗；

（6）熱影響區(qū)小，沒(méi)有熱作用發(fā)生，對(duì)周邊材料沒(méi)有熱損傷。

激光清洗與汽車維修中傳統(tǒng)清洗技術(shù)，如化學(xué)清洗、機(jī)械清洗和超聲波清洗相比體現(xiàn)出一定的優(yōu)越性，可以應(yīng)用于汽車維修中，實(shí)現(xiàn)維修綠色化，而且這一新型清洗技術(shù)將更廣泛的應(yīng)用于更多領(lǐng)域。