国内激光清洗产业环境如何,姚建铨院士是这样认为的

来源:光电汇OESHOW    关键词:激光清洗, 激光技术,    发布时间:2018-12-25

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作者简介

姚建铨 中国科学院院士 天津大学教授 激光与光电子研究所所长

中国是公认的制造大国,也是全球最大的加工国家,工业体量也是世界第一。 随着带来环境的问题,改变一些生产工序上的工艺和升级更加环保的清洗工艺,就成为非常迫切与必要的任务,激光清洗/除锈就是一项非常有发挥潜力的选择。

据市场调研报告显示,2018年,全球激光清洗市场的规模将达到5.89亿美元,到2023年这一数值预计将达到7.24亿美元,2018年和2023年之间的复合年增长率(CAGR)为4.22%。在不少属于国民经济的支柱产业中使用激光清洗技术,产生的经济效益和社会效益是十分可观的。利用我国现有的激光技术条件,开发配套的激光清洗设备,并使其在短时间内实用化、产业化,是完全可能的,对推动高新技术产业的发展本身亦具有重要意义。

技术原理及优势

激光清洗是利用窄脉宽、高功率密度的激光作用于待清洗物表面,在快速光振动、气化、分解和等离子体剥离等机理的共同作用下,使污染物脱离基底,实现表面清洗。

由于传统的清洗方法已不能满足高效低成本、无污染、无能耗的清洗要求,因此目前迫切需要一种新型的、绿色的清洗技术,而激光清洗则具备的优势使它成为最佳选择:

  1. 安全,对基底基本无损伤;
  2. 环保,不产生二次污染,去除物质可回收;
  3. 精准,可实现微米级精度控制;
  4. 低能耗,仅消耗电能;
  5. 适用性和机动性强。

图 传统清洗方法

市场上的激光清洗机一般主要由激光器、光束传输整形单元、自动控制操作系统、清洗质量检测保护单元、位移平台等组成。

图 激光清洗机组成示意

众多领域已应用

激光清洗目前已应用在众多领域,如下所示:

微电子领域:半导体元件、微电子器件、存储器模板、硅模板等去除微粒以及元器件针脚去除氧化物;

文物保护:石雕、青铜器、玻璃、纸张、布面、皮质、壁画等;

模具清洗:橡胶模具、复合模具、金属模具等;

表面处理:亲水性处理、表面粗糙化、焊接前预处理;

其他:城市涂鸦、印刷滚筒、精密机械工业零件上润滑油、建筑外墙、核管道等危险行业清洗。

未来激光清洗将更大范围的应用在大型装备的除漆除锈,如飞机、舰船、武器装备、桥梁、铁塔等全自动化激光除漆、除锈系统;应用在精密部件精确除漆如飞机零部件、电气产品(代替刻蚀)等。

关键技术要知道

激光清洗用激光器

光束高效传输、高精度匀化整形、精准聚焦扫描技术;光束长焦深、大有效清洗范围、激光参量调节控制技术;快速、高效、基底无损伤清洗技术。

工艺

工艺技术:基底无损伤清洗

应用对象:高铁变流器柜

基底材质:主流柜材质铝合金,辅助变流器为碳钢

漆层:柜体表面底漆和面漆,总厚度0.1 mm

清洗部位:吊点、挡板

清洗要求:去除油漆、 无污物、基底材料无损伤

激光清洗能够有效去除变流器柜体油漆,不损伤基底材料,清洗效果满足要求。

分离

工艺技术:油漆分层剥离

应用对象:高铁车厢表面油漆

基底材质:铝合金

清洗要求:分层剥离表面清漆层,下层面漆层无损伤,不影响重新喷涂效果。

激光清洗能够分层剥离高铁车厢表面油漆,剥离前后油漆结合力和硬度无变化。

不同物质

工艺技术:不同种类污染物清洗

应用对象:油漆、铁锈、金属表面氧化物清洗试验

清洗效果可达到GB8923-88《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》Sa2.5级~Sa3级

激光清洗技术还可利用高功率密度脉冲激光辐照材料表面产生微纳米结构,改变材料表面的物理、化学性质,显著提高材料表面对光的吸光率,产生黑化或抛光效果。材料表面激光黑化可用于光阑、光闸以及各类光吸收体的表面黑化工作,同时也可用于光伏产业等,如在硅片上制备精细陷光结构,制备新一代太阳能电池。

国内外发展现状

国外应用历史已久,应用范围广泛

激光清洗技术研究起步于20世纪80年代中期,但直到20世纪90年代初期才真正步入工业生产中,在许多场合逐步取代传统清洗方法。欧洲国家普遍保留了大量的历史文物和古老建筑,许多教堂、城堡、大学、博物馆、雕塑等均有数百年甚至千年历史,欧洲人十分注重这些“古董”的保护和修复,自1990年代中已开始把激光清洗技术用于文物修复去污。

国外激光清洗的去污范围非常广泛,从厚锈层到激光表面微细颗粒都可以去除,已有近30年的使用经验。

主要供应商包括:P-laser,CleanLaser,Adapt Laser Systems,General Lasertronics,IPG等,目前欧美国家的激光清洗市场表现稳定。

主要技术研究方向如下所示:

Wavelength、Power or energy、Repetition rate、Moving velocity、Focus、Other equipment、Procession technology、激光清洗最佳化、激光参数、清洗运转参数、外界参数。

国内设备公司取得增长,市场成长仍需时间

尽管自2016-2017年,激光清洗的工业应用吸引了各行各业的普遍关注,然而市场的成长与用户接受还需要一些时间,直至2017年底,预估全国有超过40家企业与科研机构从事激光清洗系统的研究与开发,总体激光清洗相关产品的营收不超过5亿元。因为激光清洗的工业应用在中国还是比较新,有些是初创企业,其业绩还不到一千万,而像大族激光、华工激光、铭镭激光等兼做清洗设备的,可依靠原来积累的品牌影响赢得一些订单。

据悉,进入2018年各家激光清洗设备公司均取得了不错的增长,保守估计上半年的销售额比去年增长了超过60%。一部分原因是目前从事激光清洗设备的企业增加,各式机器层出不穷,价格也有一定下降,另外就是以往一些潜在用户在观望了解后,今年下决心采购用上激光清洗。

如今国内从事激光清洗的科研机构包括中国工程物理研究院激光聚变中心、解放军装甲兵工程学院再制造中心、哈尔滨工业大学、天津大学、江苏大学、华中科技大学、南开大学等,相关激光器厂家主要有创鑫激光、锐科激光、海富光子、珠西激光、飞博激光、中科四象、国科激光等,而从事激光清洗设备开发的企业就更多了,大族激光智能装备集团、华工激光、铭镭激光、帝耐激光、艾思兰、纽芬奇机电、武钢华工、嘉信激光、奥华激光、汇泽激光、瑞丰光电、翔明激光、三江航天激光研究院等,其中个别企业最高可以提供1000 W的清洗机。目前国内提供激光清洗用的光纤激光器最高功率水平达到800 W,由海富光子生产,创鑫激光正在研发;而在1000 W功率水平则仅是IPG一家提供。

国内的激光清洗发展受到环保需求和政策的驱动,目前仍存在以下问题:

  1. 用于清洗的国产激光器技术和产业化还落后国外厂家很多;
  2. 激光清洗工艺应用点很多,但没有形成成熟的体系;
  3. 还没有具备指导性的检测方法、仪器和行业标准。

目前,由作者带领的团队正集合国内激光器生产企业、激光清洗技术研究所和高校、集成单位和应用单位四类代表性组织,联合成立专家委员会及行业标准筹备组,为激光清洗技术和产业指引方向。

由于脉冲光纤激光器的功率局限,更高功率的激光清洗应用,目前则要用上固体激光器,英国的Powerlase公司可提供1600 W用于激光清洗的固体激光器。一些从事配套产品的企业也顺势推出了激光清洗头,比如金海创科技。较早开发的激光清洗机主要是手持式的,但由于激光的高亮度和高能量,使用高功率的激光时采用手持式也许不太适合,一些企业逐渐研发出了机器人激光清洗系统,包括铭镭、嘉信、汇泽几家,实现了自动化清洗控制,大大提高了清洗效率和人的安全。

中国未来激光清洗产业的发展方向

在国家项目上,围绕军民用飞机蒙皮除漆清洗的重大需求,攻克多组分材料逐层精密无损去除机理、工艺技术,突破激光清洗质量控制及其成套装备研发等关键技术,实现大功率光纤激光清洗技术在军民飞机蒙皮清洗领域的示范应用,为激光清洗技术和装备的辐射和推广提供技术、硬件和实践基础。

未来国内激光清洗产业将呈集群产业化的爆发式需求增长,具体表现在:传统方法被快速替代;激光器技术突破性发展;产业集群的成本大幅降低;高效率、小型化、专业化发展,同时追求高效率、小型化和专业化。

关于可应用领域的几点思考

模具的清洗

每年全世界的轮胎生产企业制造数亿个轮胎,生产过程中轮胎模具的清洗必须迅速可靠,以节省停机的时间。传统的清洗方法包括喷沙、超声波或二氧化碳清洗等,但这些方法通常必须在高热的模具经数小时冷却后,再移往清洗设备进行清洁,清洁所需的时间长,并容易损害模具的精度,化学溶剂及噪声还会产生安全和环保等问题。

利用激光清洗方式,可利用光纤来传输,在使用上深具弹性;光纤连接而将光导至模具的死角或不易清除的部位进行清洗,因此使用方便;同时,橡胶并无气化,因此不会产生有毒害的气体,影响工作环境的安全。

激光清洗轮胎模具的技术已经大量在欧美的轮胎工业中被采用,虽然初期投资成本较高,但可在节省待机时间、避免模具损坏、工作安全及节省原材料上所获得的收益迅速得到回收。根据作者所研发的激光清洗器换算,重轮胎公司生产线上进行的清洗试验表明,仅需2个小时就可以在线清洗一套大型载重轮胎的模具。和常规清洗方法相比,经济效益是显而易见的。食品工业模具上防粘的弹性膜层需要定期更换以保证卫生,激光清洗特别适合应用在该领域。

武器装备的清洗

激光清洗技术在武器维护保养上广泛应用。采用激光清洗系统,可以高效、快捷地清除锈蚀、污染物,并可以对清除部位进行选择,实现清洗的自动化。采用激光清洗,不但清洁度高于化学清洗工艺,而且对于物体表面几乎无损害。通过设定不同参数,还可以在金属物体表面形成一层致密的氧化物保护膜或金属熔融层,提高表面强度和耐腐蚀性。激光清除的废料对环境基本上不构成污染,还可以进行远距离操作,有效减少了对操作人员的健康损害。

飞机旧漆的清除

在欧洲激光清洗系统早已应用在航空工业中。飞机的表面经过一定时间后要重新喷漆,但是喷漆之前需要将原来的旧漆完全除去。传统的机械清除油漆法容易对飞机的金属表面造成损伤,给安全飞行带来隐患。如采用多个激光清洗系统,可在两天之内将一架A320空中客车表面的漆层完全除掉,且不会损伤到金属表面。

楼宇外墙的清洗

随着我国经济的飞速发展,越来越多的摩天大楼被建立起来,大楼外墙的清洁问题日益凸现,激光清洗系统可以通过最长70米的光纤对建筑物外墙的清洗提供了很好的解决方法,它可以对各种石材、金属、玻璃上的各种污染物进行有效清洗,且比常规清洗效率高很多倍。还可以对建筑物的各种石材上的黑斑、色斑进行清除。嵩山少林寺对建筑物、石碑进行的清洗试验表明,采用激光清洗对保护古建筑恢复外观效果非常好。

电子工业中的清洗

电子工业使用激光去除氧化物:电子工业需要高精度地去污,特别适合采用激光去氧化物。在电路板焊接前,元件针脚必须彻底去氧化物以保证最佳的电接触,在去污过程中还不能损坏针脚。激光清洗可以满足使用要求,且效率很高,一个针脚只需照射一次激光。

精密机械工业中的精确去酯清洗

精密机械工业常常需对零件上用来润滑和抗腐蚀的酯类及矿物油加以清除,通常是用化学方法,而化学清洗往往仍有残留物。激光去酯可以将酯类及矿物油完全去除,不损伤零件表面。其污染物去除是由冲击波完成,零件表面氧化物薄层爆炸性气化形成了冲击波,导致污物去除,而非机械互作用。材料彻底去酯用于航天工业机械零件的清理。机械零件加工中的油酯去除同样可采用激光清洗。