激光在石材清洗中的應用
[ 發布時間 : 2007-5-12 8:36:08 ] 瀏覽次數:
激光清洗技術是近10年來飛速發展的新型清洗技術，它以自身的許多優點在眾多領域中逐步取代傳統清洗工藝。本文介紹了激光清洗的原理和激光清洗的一些典型應用，展示了激光清洗這一"綠色"清洗技術廣闊的發展前景。
一、.激光清洗原理
激光具有高亮度，高方向性、高單色性和高相干性的特點，這是普通光源所無法比擬的。利用激光的高亮度，經過透鏡聚焦后，能在焦點附近產生上千萬度甚至上萬度的溫度。激光的高方向性使得激光能有效進行長距離傳輸。激光的單色性極高，波長單一，有利于聚焦和波長選擇。
激光清洗就其清洗機理而言，可分為兩大類：一類是利用清潔基片（也稱為母體）與表面附著物（污物）對某一波長激光能量，具有差別很大的吸收系數。輻射到表面的激光能量，大部分被表面附著物所吸收，使之受熱或氣化蒸發、或瞬間膨脹，并被表面形成的蒸氣流帶動脫離物體表面，達到清洗目的。而基片由于對該波長的激光吸收能量極小，不會被損傷。對此類激光清洗，選擇合適的波長和控制好激光能量，是實現安全高效清洗的關鍵。另一類是適用于清潔基片與表面附著物的激光能量吸收系數差別不大，或基片對涂層受熱形成的酸性蒸氣較敏感，或涂層受熱后會產生有毒物質等情況的清洗方法。 該類方法通常是利用高功率高重復率的脈沖激光沖擊被清洗的表面，使部分光束轉換成聲波。聲波擊中下層硬表面后，近回的部分與激光產生的入射聲波微小爆炸，涂層被粉碎、壓成粉末，再被真空泵清除，而底下的基片不會損傷。
激光清洗與機械磨擦清洗、化學腐蝕清洗、液體固體強力沖擊清洗，高頻超聲清洗等傳統清洗方法相比，有明顯的優點。它高效、快捷、成本低，對基片產生的熱負荷和機械負荷小，清洗為非損傷；廢物可回收，無環境污染；安全可靠，不損害操作人員健康；多功能，可以清除各種不同厚度、不同成份的涂層；清潔過程易于實現自動化控制，實現遠距離遙控清洗等。
二、.激光清洗的方法
從方法上分析，激光清洗方法有4種：1.激光干洗法，即采用脈沖激光直接輻射去污；2.激光+液膜方法，即首先沉積一層液膜于基體表面，然后用激光輻射去污；3.激光+惰性氣體的方法，即在激光輻射的同時，用惰性氣體吹向基體表面，當污物從表面剝離后會立即被氣體吹離表面，以避免表面被再次污染和氧化；4.運用激光使污垢松散后，再用非腐蝕性化學方法清洗。目前，常用的是前3種方法。第4種方法僅見于石質文物的清洗中。
三、.激光清洗的應用
1激光清洗石材
石雕和石刻等年代久遠的高檔石質藝術品，由于其極精細和易損的表面結構，成為激光清洗技術應用最早的領域。人們發現，用激光清除石質文物表面的污垢有其獨特的優勢，它能夠十分清確地控制光束在復雜的表面上移動，清除污垢而不損傷文物石材。例如，1992年9月，聯合國教材文組織的世界文化遺產保護組織為紀念該組織創建20周年，對十分著名的英國亞眠大教堂進行了維修，亞眠大教堂西側圣母門十分精美的大理石雕刻是工程的關鍵。在為期一年的圣母門維修工程中，維修人員借助于激光，用激光光束除去了覆蓋在大理石雕刻花紋上幾毫米厚的黑色垢層，大理石表面原來的色澤體現出來，使精美的雕刻重現光彩。又如，英國最重要的石雕收藏處之一的英斯布倫蒂爾的石雕收藏品經激光清洗后，也得到同樣的效果。圖1為奧地利的文物保護工作者用帶有關節臂的YAG激光對14世紀中葉的St.Stephen大教堂上的石雕進行清洗。
人們用電子顯微鏡觀察激光清洗后的石雕表面，發現激光清洗后石頭的結構沒有變化，被清洗的表面既光滑又平坦，沒有損傷。這跟用微粒子噴射法（噴砂法）清洗后的表面完全不同。微粒子噴射法清洗后大理石表面結構的損傷是難以避免的，特別是對已有硫酸鹽垢層的大理石表面。電子顯微鏡的觀察還發現，激光照射后，表面下巖石材料的各項性質既無退化，也無改變。目前，用激光清洗石灰后，大理石等高檔石質材料表面污垢的工作已成為一項新的很有前途的業務項目。除了對石質材料的清洗外，激光清洗在玻璃、石英、金屬、模具、牙齒、芯片、電極、磁頭、磁盤以及各種微電子產品的清洗中都有很好的效果，已經有了一定的應用。
四、激光清洗效益分析
除此以外，工業上還用激光對模具進行定期清洗，以保證產品的質量，下面以激光清洗輪胎模具為例，說明激光清洗與脫機噴砂清洗和干冰清洗設備相比的經濟效益。激光清洗技術具有明顯優勢：清洗快速，勞動強度低，無磨損，對操作員無危險。然而，設備的首期投資較高，達30～60萬美元。因此工廠需要確立一個合現的投資回收計劃。典型的JET激光系統工廠可以在18個月內取得投資回收。硫化停工時間短，勞動力成本低，模具磨損少以及較低的生產成本是潛在的效益。譬如，一臺日產20000條輪胎的設備，按8臺硫化機（16模）每天平均清洗一次的要求，假設每班清洗3臺硫化機或每天清洗9臺硫化機（有的工廠清洗兩次），從友誼比賽化機上拆下兩半模具進行脫機清洗，大約需要15h的作業和10h的停機時間，如采用激光對兩半模具進行清洗，則需要0.3h的作業和3h的停機時間，這樣，清洗完一臺硫化機就可以節約14h的作業和7h的停機時間。又假設，只做10次清洗（5臺友誼硫機），5次在模具車間進行脫機清洗，采用激光清洗將產生巨大的回報：每天可節約70小時的作業和35小時的停機時間，那么按一年320天的工作日算，每年可增加22400小時作業和11200小時的上機時間。
激光清洗設備的維修和維護費用也應該計算在內，為擦干凈激光鏡和清除沉積在過濾器上的殘余物，每周需對裝置進行30min的維護，每4周對主要部件進行60min的檢修。每6個月按照制造商的要求對裝置進行常規維護并運行一次激光系統。大部分機械部件可以和激光器機架一樣都有10年以上的使用壽命，一些激光部件在使用大約3000h后要求替換。這些零部件可在常規預防維修期間進行現場更換。激光裝置加上其一年的保修服務，包括易損件的更換并提供典型備件，總算起來操作成本約為每小時4～8美元。所有設備都安裝有Modem(調制調解器），這樣制造商就可以提供遠程服務。
綜合以上因素，總體來看，激光清洗技術的經濟效益是十分顯著的。
五、.結束語
用激光進行焊接和切割等加工工藝已經有多年的歷史，然而用激光清洗表面卻是一項相對年輕的技術。盡管這項工藝能清除所有有機材料（如口香糖的清除），但在工業清洗中的應用直到最近才開始。相信隨著激光器的發展和激光清洗技術的不斷完善，將會在各種清洗領域里得到越來越多的應用。 | |
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〈世界石材網〉
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