激光清洗与激光表面毛化处理

精密钣金制造如果没有激光技术，今天的成就根本无法实现。激光切割已经无处不在，激光焊接（无论是自动化还是手动）也在迅速普及。但激光不仅仅是切割和焊接，它还能进行清洁。

激光清洗技术虽然尚未普及，但它已经在油漆和除锈等应用中站稳了脚跟，特别是在航空航天、汽车等行业的专业清洗应用中。大多数激光清洗设备使用扫描光学元件，这些元件能以每秒数米的速度移动激光束，将其投影成所需的形状（如圆形或矩形）到表面。

激光清洗到底是什么？

激光清洗包含一系列不同的过程，主要分为两类。一类是去除表面污染物，另一类是“雕刻”或“毛化”表面，以适应特定的涂层、粘合剂粘接或其他应用需求。虽然去除污染物（称为“清洁”）和激光毛化可以使用类似甚至相同的设备，但这两种工艺是不同的，制造商根据需求选择不同的类别。

激光如何清洁

激光清洗的核心是去除表面污染物，如锈蚀和不需要的油漆。设备通常配备烟雾提取系统，能够捕捉激光去除的污染物。在一些关键的航空航天应用中，如钛的清洁，需要使用保护气体以防止氧化物的形成。

在许多常见应用中，激光通过烧蚀表面污染物来工作。烧蚀（将固体直接转化为气体）在污染物的烧蚀阈值远低于基体金属的烧蚀阈值时效果最佳，这样激光可以雾化污染物而不会影响金属表面。

激光传递的能量通过不同方式执行清洁操作，具体方式取决于要去除的物质。例如，有时激光会在表面产生热冲击效应，促使铁锈等表面碎片与基体金属之间的热膨胀系数不同，产生的冲击将铁锈颗粒“抖落”到表面。其他情况下，激光的热量会燃烧待去除的材料，通常是油漆或其他有机涂层。

油污对激光是透明的，因此不会通过烧蚀或热冲击去除。在这种情况下，激光会“煮沸”油的某些部分。具体来说，激光加热金属表面的小区域，导致油滴从表面跳入空气中，烟雾提取系统会捕捉这些油滴。“在这些应用中，烟雾提取系统与激光本身同样重要。

激光毛化表面

激光具有其他工具难以匹敌的精度。激光功率、脉冲持续时间和光束轮廓可以调整，因此该过程只去除预定的部分，不会影响其他区域。激光清洗同样如此，激光去除污染物时，基体金属保持不变，激光毛化则同样能在精确控制下进行。

在这些过程中，激光束通常是高斯光束，在光束的中心具有高能量，激光烧蚀金属层并导致其下方的金属发生从固体到液体再到固体的瞬时状态变化。这个过程通常使用单模激光，能够实现非常小的光斑，从而创造出极为精确的纹理。

可以将其类比为爆破过程中，每个砂粒的大小都经过精确控制，尽管激光毛化是以完全不同的方式进行的——用激光的热量而非砂粒的物理冲击来处理表面。

一些金属制造应用中，激光毛化可以精确图案化表面，以改变其特性，如使表面具有疏水性。这些精密毛化应用通常使用脉冲持续时间非常短的激光，通常以皮秒或飞秒为单位。许多其他毛化应用用于为金属表面准备涂层，无需使用砂粒或清洁化学品。

自动化应用

自动化激光清洗在低混合、高容量的环境中越来越常见。举例来说，电池焊接的清洁就是一个典型的应用。“这些系统处理数百万个零件，每秒焊接多个工件，清洁表面。”

冲压后的润滑去除是另一个日益增长的应用。以前，这些操作依赖于大型清洗线来准备冲压件进行涂层，使用大量的水，这些水很容易受到金属和其他碎片的污染，处理起来困难且费用高。

粘合准备是另一个重要应用领域，特别是激光毛化。在某些情况下，外壳可能需要用特定的粘合剂组装，这种粘合剂能与具有特定纹理或图案的表面匹配。刹车片制造采用类似技术，在放置刹车片之前，激光对金属表面进行毛化。

替代喷砂？

激光焊接的速度和质量优势众所周知，这也是它越来越多出现在车间的原因。那么，激光毛化能否替代喷砂？

自动化设备在大批量、低混合的情况下能很好地工作，特别是对于简单的零件几何形状。然而，随着零件变得越来越复杂，零件组合越来越大，自动化的难度也随之增加。这与激光毛化的性质有关，理想情况下，光束应该垂直于金属表面，或者尽可能接近垂直。

一种新兴的替代方案

激光清洗和毛化并非在所有情况下都适用，这取决于需要去除的污染物以及表面处理要求。例如，激光在去除厚热轧板上的氧化皮时并不擅长，尤其是在需要高吞吐量的自动化环境中。

尽管如此，激光清洗和毛化仍然展示出巨大的潜力，尤其是在寻找熟练工人的行业中。喷砂和化学清洁剂往往使环境变得不够原始。

“许多人希望在制造业中看到更环保、更可持续的工艺，”Laser Photonics的内容经理Miller Cordeiro表示。“激光清洗和类似技术为制造商提供了更多选择，同时帮助他们提高投资回报率。”

用激光替代所有的砂粒和化学物质，通过正确的安全协议（个人防护装备、光安全、带适当激光安全玻璃的联锁外壳），可以使工厂车间成为一个更清洁、更具吸引力的工作场所。对于一个不断寻求新方法吸引工人的行业来说，创造更好的工作环境无疑是一个好主意。

来源：IPG光纤激光器

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