那么，什么是激光清洗呢？激光清洗技術(shù)主要是利用激光高能、高重復(fù)頻率、高功率的特性，把高能量密度的光束打在待清洗物體表面的較小區(qū)域，利用基底材料與附著物對(duì)激光吸收能力的差異，使物體表面“藏污納垢”的附著物或涂層瞬間“蒸發(fā)”或剝離。相比于傳統(tǒng)清洗方式，激光清洗具有非接觸、無(wú)磨刷、無(wú)污染物排放和適用性廣等諸多優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最可靠、最有效的“清潔工”，目前已經(jīng)在武器裝備清洗、文物保護(hù)、精密零件維護(hù)、飛行航空器、軌道機(jī)車(chē)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
激光清洗技術(shù)實(shí)際應(yīng)用
激光清洗不但可以用來(lái)清洗有機(jī)的污染物，也可以用來(lái)清洗無(wú)機(jī)物，包括金屬的銹蝕、金屬微粒、灰塵等。一般激光清洗技術(shù)應(yīng)用于模具的清洗、飛機(jī)舊漆的清除、樓宇外墻的清洗、電子工業(yè)中的清洗、精密機(jī)械工業(yè)中的精確去酯清洗、核電站反應(yīng)堆內(nèi)管道清洗等領(lǐng)域。
激光清洗它不需要使用任何化學(xué)藥劑，清洗下來(lái)的固體廢料更易存放回收?！叭彳洘o(wú)形”的光更不會(huì)對(duì)裝備表面產(chǎn)生機(jī)械作用等“二次傷害”，且清潔度較高。同時(shí)，激光清洗效率高、用時(shí)少、使用成本低，購(gòu)買(mǎi)激光清洗系統(tǒng)雖然前期一次性投入較高，但清洗系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定使用，運(yùn)行成本低，每小時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用僅為10元左右，更重要的是可以方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。
圖1 激光清洗金屬部件的效果
激光清洗在國(guó)外的發(fā)展
激光清洗技術(shù)研究起步于20世紀(jì)80年代中期，但直到20世紀(jì)90年代初期才真正步入工業(yè)生產(chǎn)中，在許多場(chǎng)合逐步取代傳統(tǒng)清洗方法。眾所周知，歐洲國(guó)家普遍保留了大量的歷史文物和古老建筑，許多教堂、城堡、大學(xué)、博物館、雕塑等均有數(shù)百年甚至千年歷史，歐洲人十分注重這些“古董”的保護(hù)與修復(fù)，自1990年代中已經(jīng)開(kāi)始把激光清洗技術(shù)用于文物修復(fù)去污。
國(guó)外激光清洗的去污范圍非常廣泛，從厚銹層到激光表面微細(xì)顆粒都可以去除，在去污中涉及激光清洗實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備種類(lèi)也比較多，所用激光器的波長(zhǎng)范圍廣，但激光清洗技術(shù)的發(fā)展不平衡，有些已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，有的還處于實(shí)驗(yàn)室階段。目前發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于激光清洗的應(yīng)用并不陌生，已有近30年的使用經(jīng)驗(yàn)。值得一提的是，發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)歷了過(guò)百年的現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展史，也曾經(jīng)有過(guò)嚴(yán)重的空氣、水、土壤污染等環(huán)境問(wèn)題，倫敦還曾被稱(chēng)為霧都，而洛杉磯也有過(guò)“毒霧”事件，經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的環(huán)境整治和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，加上使用了像激光加工、清洗這樣的清潔技術(shù)，發(fā)達(dá)國(guó)家目前環(huán)保問(wèn)題做得非常不錯(cuò)。值得一提的是，如今發(fā)達(dá)國(guó)家環(huán)保工藝發(fā)展高峰已過(guò)，激光清洗使用率也高，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也已整合完成，主要供應(yīng)商包括P-laser, CleanLaser, Adapt Laser Systems, General Lasertronics等，目前歐美國(guó)家的激光清洗市場(chǎng)表現(xiàn)穩(wěn)定，但由于市場(chǎng)空間有限，并沒(méi)有表現(xiàn)出爆發(fā)性增長(zhǎng)，真正的大市場(chǎng)在中國(guó)以及一些新興工業(yè)國(guó)家。
圖2 銘鐳激光的激光清洗設(shè)備
中國(guó)激光清洗發(fā)展
中國(guó)是公認(rèn)的制造大國(guó)，也是全球最大的加工國(guó)家，工業(yè)體量也是世界第一。為了工業(yè)現(xiàn)代化，解決大量的勞動(dòng)力問(wèn)題，中國(guó)在1990年代至今的20多年里，從引進(jìn)外企到內(nèi)生企業(yè)，用了25年的時(shí)間走完了歐美國(guó)家100年的工業(yè)化進(jìn)程，繼而帶來(lái)的是環(huán)境惡化和工業(yè)污染，廢水、廢氣、廢棄物品毫無(wú)節(jié)制的排放。藍(lán)天被霧霾覆蓋、飲用水帶異味、土壤重金屬超標(biāo)、各種廢棄垃圾圍城，都是當(dāng)下環(huán)境突出問(wèn)題。我國(guó)政府早已意識(shí)問(wèn)題，也大力建設(shè)污水處理廠、廢氣吸附過(guò)濾設(shè)施等，然而這種措施只是先排放后處理，成本也非常高。在這種背景下，改變一些生產(chǎn)工序上的工藝和升級(jí)更加環(huán)保的清洗工藝，就成為非常迫切與必要的任務(wù)。激光清洗/除銹就是一項(xiàng)非常有發(fā)揮潛力選擇。
筆者一直認(rèn)為激光清洗技術(shù)不能算作一項(xiàng)激光加工，它是區(qū)別于激光加工的一種工件表面處理技術(shù)，它與以往的激光切割、焊接、鉆孔、標(biāo)刻、熔覆等不一樣，這些是利用激光高能量與材料作用，改變材料的形狀、性質(zhì)或部件之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)加工效果，而激光清洗是不改變材料基質(zhì)，只是把表面的污跡、銹跡、粉塵或者殘留物清除干凈，是一項(xiàng)表面“洗刷”工藝，而不是一項(xiàng)激光加工技術(shù)。盡管如此，并不意味著激光清洗就是一項(xiàng)毫無(wú)技術(shù)可言的工藝，相反，它的應(yīng)用必須考慮到材料的材質(zhì)、污跡的厚度、激光功率與能量適度等的因素，因其適用面較廣泛，不同的材料應(yīng)用需要不同參數(shù)的激光清洗系統(tǒng)，因此在工藝探索、研究、測(cè)試方面仍然有很多文章可做。
我國(guó)激光清洗技術(shù)的研究和設(shè)備的開(kāi)發(fā)起步晚，基本上是跟蹤國(guó)外的發(fā)展，雖然在較短時(shí)間內(nèi)取得了一些成果，但是與國(guó)外相比存在明顯的差距。自2004年始，我國(guó)學(xué)術(shù)界陸續(xù)出現(xiàn)一些關(guān)于激光清洗的研究文章，至2010年，中國(guó)工程物理研究院激光聚變中心在國(guó)內(nèi)最早嘗試開(kāi)發(fā)了激光清洗設(shè)備，并成功運(yùn)用在云岡石窟、石壁、石像、壁畫(huà)等文物古跡。接著幾年內(nèi)國(guó)內(nèi)各種科研機(jī)構(gòu)關(guān)于激光清洗工藝的論文逐漸增加，關(guān)注度也頗多。
至2015年以前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于激光清洗應(yīng)用的主要是固態(tài)激光器，2016年外國(guó)激光器巨頭IPG Photonics推出了可用于激光清洗的高頻率光纖激光器，引起廣泛的關(guān)注。國(guó)內(nèi)的激光器廠商創(chuàng)鑫激光首先跟進(jìn)，于2016年下半年最早在國(guó)內(nèi)推出了100W的用于激光清洗的脈沖光纖激光器。2016年10月，位于深圳的銘鐳激光首次在國(guó)內(nèi)推出了200W 和500W 的工業(yè)激光清洗機(jī)。2017年3月，國(guó)內(nèi)主要的幾家光纖激光器廠商均推出了可用于激光清洗的激光器產(chǎn)品，而從事激光清洗設(shè)備開(kāi)發(fā)的企業(yè)也層出不窮，激光清洗從一項(xiàng)“黑科技”逐漸顯露在人們眼前，為更多的人所認(rèn)識(shí)，從事汽車(chē)、模具、家電、電子制造、噴涂、金屬制品等各行各業(yè)的人知道了激光清洗神奇的效率與環(huán)保“功效”后，都表示非常有興趣試用一下。2017年9月，《激光制造商情》在江門(mén)智博會(huì)期間，舉辦了國(guó)內(nèi)第一場(chǎng)“中國(guó)激光清洗應(yīng)用技術(shù)論壇”，及時(shí)響應(yīng)業(yè)界需求舉辦這場(chǎng)活動(dòng)，有效探討了激光清洗的不同技術(shù)工藝和發(fā)展方向。
早期的激光清洗機(jī)由于科技含量高、激光器采購(gòu)成本高，整機(jī)定價(jià)也偏高，過(guò)百萬(wàn)的一臺(tái)機(jī)都有，許多潛在用戶盡管表達(dá)了想用的意愿，但是面對(duì)過(guò)百萬(wàn)的采購(gòu)成本，還是猶豫不決。由于過(guò)去一年多時(shí)間，從事類(lèi)似激光器生產(chǎn)的廠家也有了，做激光清洗整機(jī)的廠家更多了，整體的價(jià)格有所下降，現(xiàn)在一臺(tái)中等功率的激光清洗機(jī)從30萬(wàn)至70萬(wàn)的都有，當(dāng)然產(chǎn)品質(zhì)量方面也是良莠不齊，在采購(gòu)時(shí)必須認(rèn)真甄別。
如今國(guó)內(nèi)從事激光清洗的科研機(jī)構(gòu)包括中國(guó)工程物理研究院激光聚變中心、解放軍裝甲兵工程學(xué)院再制造中心、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)等，相關(guān)激光器廠家主要有創(chuàng)鑫激光、銳科激光、海富光子、飛博激光、中科四象、國(guó)科激光等，而從事激光清洗設(shè)備開(kāi)發(fā)的企業(yè)就更多了，大族激光智能裝備集團(tuán)、華工激光、銘鐳激光、帝耐激光、艾思蘭、紐芬奇機(jī)電、武鋼華工、嘉信激光、奧華激光、匯澤激光、瑞豐光電、翔明激光等，其中個(gè)別企業(yè)最高可以提供1000W的清洗機(jī)。目前國(guó)內(nèi)提供激光清洗用的光纖激光器最高功率水平去到800W，由海富光子生產(chǎn)，創(chuàng)鑫激光正在研發(fā)；而在1000W功率水平則僅是IPG一家提供。由于脈沖光纖激光器的功率局限，更高功率的激光清洗應(yīng)用，目前則要用上固體激光器，英國(guó)的Powerlase公司可提供1600W用于激光清洗的固體激光器。一些從事配套產(chǎn)品的企業(yè)也順勢(shì)推出了激光清洗頭，比如金海創(chuàng)科技。較早開(kāi)發(fā)的激光清洗機(jī)主要是手持式的，但由于激光的高亮度和高能量，使用高功率的激光時(shí)采用手持式也許不太適合，一些企業(yè)逐漸研發(fā)出了機(jī)器人激光清洗系統(tǒng)，包括銘鐳、嘉信、匯澤幾家，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化清洗控制，大大提高了清洗效率和人的安全。
盡管自2016年至2017年，激光清洗的工業(yè)應(yīng)用吸引了各行各業(yè)的普遍關(guān)注，然而市場(chǎng)的成長(zhǎng)與用戶接受還是需要一些時(shí)間，直至2017年底，筆者預(yù)估全國(guó)有超過(guò)40家企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)從事激光清洗系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，總體激光清洗相關(guān)產(chǎn)品的營(yíng)收不超過(guò)5億元。因?yàn)榧す馇逑吹墓I(yè)應(yīng)用在中國(guó)還是比較新，有些是初創(chuàng)企業(yè)，其業(yè)績(jī)還不到一千萬(wàn)，而像大族激光、華工激光、銘鐳激光等兼做清洗設(shè)備的，可依靠原來(lái)積累的品牌影響贏得一些訂單。據(jù)悉，進(jìn)入2018年各家激光清洗設(shè)備公司均取得了不錯(cuò)的增長(zhǎng)，保守估計(jì)上半年的銷(xiāo)售額比去年增長(zhǎng)了超過(guò)60%。一部分原因是目前從事激光清洗設(shè)備的企業(yè)增加，各式機(jī)器層出不窮，價(jià)格也有一定下降，另外就是以往一些潛在用戶在觀望了解后，今年下決心采購(gòu)用上激光清洗。
激光清洗挑戰(zhàn)與憧憬
如今，激光清洗工藝的持續(xù)發(fā)展為激光技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟了許多新的機(jī)遇，這一工藝在微電子、建筑、汽車(chē)制造、醫(yī)療、船舶清洗保養(yǎng)等領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)方興未艾，應(yīng)用市場(chǎng)前景極為廣闊。在當(dāng)前對(duì)于環(huán)保和安全意識(shí)日益增強(qiáng)的時(shí)代背景下，如何尋找更清潔，且不具損傷性的清洗方式是亟需思考的課題。
激光清洗技術(shù)的出現(xiàn)，開(kāi)辟了激光技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用的新領(lǐng)域，它在微電子、建筑、核電站、汽車(chē)制造，醫(yī)療、文物保護(hù)等領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)方興未艾，應(yīng)用市場(chǎng)前景廣闊。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，激光加工我國(guó)的應(yīng)用已初具規(guī)模，激光加工設(shè)備不僅進(jìn)入了一些大型企業(yè)生產(chǎn)線，還布滿了大大小小的臨街激光加工站，這些為推廣激光加工作出了重要貢獻(xiàn)。激光清洗在金屬除銹和模具去污方面的應(yīng)用還非常少，而激光清洗技術(shù)在汽車(chē)制造、建筑等領(lǐng)域的市場(chǎng)仍在開(kāi)發(fā)之中，在臨街代加工門(mén)店更是看不到。因此激光清洗還有很長(zhǎng)的路要走。
據(jù)市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告顯示， 2018年，全球激光清洗市場(chǎng)的價(jià)值將達(dá)到5.89億美元，到2023年這一數(shù)值預(yù)計(jì)將達(dá)到7.24億美元，2018年和2023年之間的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為4.22％。上述領(lǐng)域不少屬于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，激光清洗技術(shù)添入其中后，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是十分可觀的，利用我國(guó)現(xiàn)有的激光技術(shù)條件，開(kāi)發(fā)配套的激光清洗設(shè)備，并使其在短時(shí)間內(nèi)實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化、是完全可能的，對(duì)推動(dòng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展本身亦具有重要意義。
另外一個(gè)問(wèn)題，目前還有些潛在用戶認(rèn)為激光清洗設(shè)備價(jià)格偏高，同時(shí)對(duì)各種清洗要求的工藝開(kāi)發(fā)不夠充分，導(dǎo)致還非常猶豫未能采購(gòu)使用。筆者認(rèn)為隨著激光清洗應(yīng)用的推廣發(fā)展，未來(lái)設(shè)備系統(tǒng)價(jià)格還是有一些下降空間，然而機(jī)械設(shè)備價(jià)格不可能無(wú)限下降，就像激光打標(biāo)機(jī)，經(jīng)歷了幾年慘烈價(jià)格戰(zhàn)后現(xiàn)在已經(jīng)降無(wú)可降了。
激光清洗的繼續(xù)發(fā)展必然會(huì)帶來(lái)更多款式的產(chǎn)品，這不僅僅是一項(xiàng)工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，筆者相信它還可以結(jié)合生活應(yīng)用，盡管現(xiàn)在不銹鋼和鋁制品應(yīng)用廣泛，但是每家每戶都有金屬用品和工具，許多人會(huì)因?yàn)橐患ぞ呱P了而把它丟掉。假如以后臨街的大小激光加工門(mén)店都配備了激光清洗機(jī)器，家里的農(nóng)具、刀具、鉗子等生銹了，拿去給人家清洗修復(fù)后，煥然一新，就像20年前那些進(jìn)村里給人提供磨刀服務(wù)。試想一下，這樣的激光清洗是多大的一門(mén)生意！
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