直到最近，激光清洗在應(yīng)用上仍然受到限制，然而互聯(lián)網(wǎng)上那些關(guān)于手持式激光清洗系統(tǒng)的視頻卻已吸引了數(shù)以百萬計的點(diǎn)擊。毋庸置疑，激光清洗技術(shù)正不斷發(fā)力中。一些公司，如位于愛爾蘭Louth的Blueacre Technology正在執(zhí)行一些用于醫(yī)療器械和半導(dǎo)體加工中的類似準(zhǔn)則，其中激光加工工藝搭配輔助過程以提高合格率并降低整體生產(chǎn)成本。成立于2005年的Blueacre Technology開發(fā)和銷售的激光設(shè)備被用于諸多的行業(yè)，比如汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域。憑借ISO 9001和ISO 13485等認(rèn)證，公司在激光微加工、激光消融，以及激光清洗和激光拋光等技術(shù)領(lǐng)域也在開展各項(xiàng)研發(fā)工作。
激光清洗
在最基本的情況下，激光清洗是將光輻射到特定的部件上，以從其表面去除多余材料的一個過程。表面的污染多數(shù)是指鋼表面生銹，焊接之前的鋁的氧化層上生銹，以及涂料（例如油漆）上生銹等等。
圖1. 激光清洗在鋼部件除銹方面的應(yīng)用示例。
如圖1所示，激光清洗技術(shù)在表層去除方面非常有效。用于清洗的激光器具有高功率和高光束質(zhì)量（M2），可以產(chǎn)生更大的光斑直徑和更深的焦深。 因此，激光器可以清洗具有多個表面的零件，每個表面可能具有明顯不同的焦深。
取決于待清洗的部件和要去除的材料，激光清洗系統(tǒng)的功率范圍通常介于20W到1000W之間。功率為4kW的激光清洗系統(tǒng)正在研發(fā)中，并將很快投放市場。低功率激光清洗系統(tǒng)往往是便攜式的，適合手持使用，而高功率激光清洗系統(tǒng)集成到每周7天，每天24小時的全天候生產(chǎn)環(huán)境中，具有高度自動化的特點(diǎn)（圖2）。
圖2. 低功率（a）和高功率（b）激光清洗系統(tǒng)。
再制造是指采用專門的工藝和技術(shù)，在原有制造的基礎(chǔ)上進(jìn)行一次新的制造，而且重新制造出來的產(chǎn)品無論是性能還是質(zhì)量都不亞于原先的新品。歐盟最近發(fā)表的一份研究報告顯示，歐洲市場規(guī)模達(dá)300億歐元，在航空，鐵路和汽車等多個行業(yè)共雇用了13萬人。
激光清洗成為這個領(lǐng)域的關(guān)鍵工具，因?yàn)樗邆湓诓煌脚_上處理多種材料的能力。 例如，圖3顯示的是一個已被局部激光清洗的剎車片，再次煥然一新并重獲出售價值。
圖3. 汽車剎車片經(jīng)過局部激光清洗后轉(zhuǎn)售。
集成的機(jī)器視覺
使用傳統(tǒng)的清洗方法如介質(zhì)噴射或化學(xué)清洗，實(shí)時監(jiān)測過程往往很困難。爆破介質(zhì)和隨之而來的灰塵會使部件和光學(xué)涂層部件變得模糊，而化學(xué)清洗，從本質(zhì)上講是一種腐蝕性的工藝環(huán)境。這些工藝流程也會對基材造成更大的損害，這一點(diǎn)是不置可否的。
然而，使用激光清洗，可以將機(jī)器視覺集成到設(shè)備中，并且在適當(dāng)?shù)臑V光下檢查零件是否正在進(jìn)行清洗。這使得可以在同軸上檢查部件以確定它們是否被完全清洗或是否需要額外的清洗通道。單次清洗有時不足以去除密封材料，但是通過三到四次的清洗流程，可以達(dá)到一個平衡的清洗狀態(tài)（圖4）。
圖4. 用250W 功率，10kHz 脈沖速率和Vgalvo 振動速度 = 2000mm/s 激光清洗碳鋼的例子。
盡管激光清洗在材料去除方面非常高效，但這并不是一個修復(fù)過程，不能修復(fù)在基板表面上或基板表面附近的缺陷。但是，大量表面材料的去除使得我們可以在清洗步驟完成后對部件進(jìn)行檢查。這一點(diǎn)對于部件起到關(guān)鍵性作用的行業(yè)尤為重要，例如核和航空航天行業(yè)。在這些行業(yè)中，細(xì)小的缺陷就能造成災(zāi)難性的后果。
由于無需二次流程來去除清洗介質(zhì)，因此既可以在清洗過程中，也可以在清洗過程之后立即進(jìn)行檢查。預(yù)先開發(fā)的檢測計算程序用于檢測已知的導(dǎo)致設(shè)備故障的特征，并將其標(biāo)記為之后的修訂工作。
激光拋光
激光拋光表面以去除表面劃痕并延長部件的使用壽命，這一工藝如今正得到廣泛的應(yīng)用。 激光拋光通過加熱材料，直至其局部熔化，使其具有流動性，最終使表面平滑。與激光清洗一樣，激光拋光具有幾個固有的優(yōu)點(diǎn)：它可以在2D和3D表面上實(shí)現(xiàn)自動化，是一種非接觸式的無應(yīng)力工藝，并且不會因?yàn)槟ノg或化學(xué)物質(zhì)造成部件污染。
圖5. 激光清洗零件的一個例子，在30kHz 頻率下用1mJ 的脈沖局部拋光。
因此，激光拋光非常適用于對表面和部件進(jìn)行修復(fù)性工作，這些都是嚴(yán)重的故障。 激光拋光的有趣之處在于它不需要使用高功率激光器，甚至標(biāo)準(zhǔn)的20-30W激光打標(biāo)系統(tǒng)也可以用來拋光大多數(shù)金屬部件。許多研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，50-100W范圍的功率水平適用于具有高重復(fù)率和掃描速度的激光拋光加工。
對于脈沖激光器的使用，熔化層的深度大約為100nm，而連續(xù)波（CW）激光器可以達(dá)到100μm的熔化區(qū)域。 圖5顯示了被激光清洗的零件圖像，該零件已經(jīng)在30kHz頻率下，用1mJ脈沖進(jìn)行了局部拋光。未磨光的表面從外觀上看是磨砂的，而被拋光的表面非常光滑并且高度反光。
由于激光拋光可以重新熔化至100μm，拋光后殘留的缺陷本質(zhì)上可能成為潛在的失誤發(fā)生位置。 激光拋光使得對于這種缺陷的檢查更簡單，并且更適合于自動化視覺系統(tǒng)。
為了證明這個過程的有效性，在一塊不銹鋼板上的某一區(qū)域用激光雕刻CE標(biāo)志（圖6）。 在激光拋光之前，該不銹鋼的表面有多個劃痕和瑕疵。對有CE符號標(biāo)記的區(qū)域進(jìn)行激光拋光可以去除最深處的所有劃痕，但這樣一來，其余的缺陷更容易被肉眼看見。而且，由于激光拋光是自動化的，所以產(chǎn)生的效果具有一致性，視覺系統(tǒng)中使用的照明參數(shù)也不必為了適應(yīng)拋光而改變
隨著激光平均功率的不斷提高以及激光成本的持續(xù)下降，激光清洗，激光拋光等工藝將成為主流制造工藝。它們在降低耗材成本以及適應(yīng)自動化方面展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢。推進(jìn)中的集成視覺系統(tǒng)正越來越多的提供市場上還未出現(xiàn)的功能，并有可能將大大提高他們的生產(chǎn)力。。
隨著當(dāng)前對工業(yè)4.0的推進(jìn)，檢查零件和收集缺陷數(shù)據(jù)的能力使其可以建立模型，以用來預(yù)測何時何地會發(fā)生故障。這樣可以減少停機(jī)時間，僅在需要時才對部件進(jìn)行清洗和維修。
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