激光清洗技术与石材养护应用的发展前景

　激光清洗技术是近10年来飞速发展的新型清洗技术，它以自身的许多优点在众多领域中逐步取代传统清洗工艺。本文介绍了激光清洗的原理和激光清洗的一些典型应用，展示了激光清洗这一"绿色"清洗技术广阔的发展前景。

　　一、激光清洗原理

　　激光具有高亮度，高方向性、高单色性和高相干性的特点，这是普通光源所无法比拟的。利用激光的高亮度，经过透镜聚焦后，能在焦点附近产生上千万度甚至上万度的温度。激光的高方向性使得激光能有效进行长距离传输。激光的单色性极高，波长单一，有利于聚焦和波长选择。

　　激光清洗就其清洗机理而言，可分为两大类：一类是利用清洁基片（也称为母体）与表面附着物（污物）对某一波长激光能量，具有差别很大的吸收系数。辐射到表面的激光能量，大部分被表面附着物所吸收，使之受热或气化蒸发、或瞬间膨胀，并被表面形成的蒸气流带动脱离物体表面，达到清洗目的。而基片由于对该波长的激光吸收能量极小，不会被损伤。对此类激光清洗，选择合适的波长和控制好激光能量，是实现安全高效清洗的关键。另一类是适用于清洁基片与表面附着物的激光能量吸收系数差别不大，或基片对涂层受热形成的酸性蒸气较敏感，或涂层受热后会产生有毒物质等情况的清洗方法。 该类方法通常是利用高功率高重复率的脉冲激光冲击被清洗的表面，使部分光束转换成声波。声波击中下层硬表面后，近回的部分与激光产生的入射声波微小爆炸，涂层被粉碎、压成粉末，再被真空泵清除，而底下的基片不会损伤。

　　激光清洗与机械磨擦清洗、化学腐蚀清洗、液体固体强力冲击清洗，高频超声清洗等传统清洗方法相比，有明显的优点。它高效、快捷、成本低，对基片产生的热负荷和机械负荷小，清洗为非损伤；废物可回收，无环境污染；安全可靠，不损害操作人员健康；多功能，可以清除各种不同厚度、不同成份的涂层；清洁过程易于实现自动化控制，实现远距离遥控清洗等。

　　二、激光清洗的方法

　　从方法上分析，激光清洗方法有4种：1.激光干洗法，即采用脉冲激光直接辐射去污；2.激光+液膜方法，即首先沉积一层液膜于基体表面，然后用激光辐射去污；3.激光+惰性气体的方法，即在激光辐射的同时，用惰性气体吹向基体表面，当污物从表面剥离后会立即被气体吹离表面，以避免表面被再次污染和氧化；4.运用激光使污垢松散后，再用非腐蚀性化学方法清洗。目前，常用的是前3种方法。第4种方法仅见于石质文物的清洗中。

　　三、激光清洗的应用

　　石雕和石刻等年代久远的高档石质艺术品，由于其极精细和易损的表面结构，成为激光清洗技术应用最早的领域。人们发现，用激光清除石质文物表面的污垢有其独特的优势，它能够十分清确地控制光束在复杂的表面上移动，清除污垢而不损伤文物石材。例如，1992年9月，联合国教材文组织的世界文化遗产保护组织为纪念该组织创建20周年，对十分着名的英国亚眠大教堂进行了维修，亚眠大教堂西侧圣母门十分精美的大理石雕刻是工程的关键。在为期一年的圣母门维修工程中，维修人员借助于激光，用激光光束除去了覆盖在大理石雕刻花纹上几毫米厚的黑色垢层，大理石表面原来的色泽体现出来，使精美的雕刻重现光彩。又如，英国最重要的石雕收藏处之一的英斯布伦蒂尔的石雕收藏品经激光清洗后，也得到同样的效果。图1为奥地利的文物保护工作者用带有关节臂的YAG激光对14世纪中叶的St.Stephen大教堂上的石雕进行清洗。

　　人们用电子显微镜观察激光清洗后的石雕表面，发现激光清洗后石头的结构没有变化，被清洗的表面既光滑又平坦，没有损伤。这跟用微粒子喷射法（喷砂法）清洗后的表面完全不同。微粒子喷射法清洗后大理石表面结构的损伤是难以避免的，特别是对已有硫酸盐垢层的大理石表面。电子显微镜的观察还发现，激光照射后，表面下岩石材料的各项性质既无退化，也无改变。目前，用激光清洗石灰后，大理石等高档石质材料表面污垢的工作已成为一项新的很有前途的业务项目。除了对石质材料的清洗外，激光清洗在玻璃、石英、金属、模具、牙齿、芯片、电极、磁头、磁盘以及各种微电子产品的清洗中都有很好的效果，已经有了一定的应用。

　　四、激光清洗效益分析

　　除此以外，工业上还用激光对模具进行定期清洗，以保证产品sample/的质量，下面以激光清洗轮胎模具为例，说明激光清洗与脱机喷砂清洗和干冰清洗设备相比的经济效益。激光清洗技术具有明显优势：清洗快速，劳动强度低，无磨损，对操作员无危险。然而，设备的首期投资较高，达30～60万美元。因此工厂需要确立一个合现的投资回收计划。典型的JET激光系统工厂可以在18个月内取得投资回收。硫化停工时间短，劳动力成本低，模具磨损少以及较低的生产成本是潜在的效益。譬如，一台日产20000条轮胎的设备，按8台硫化机（16模）每天平均清洗一次的要求，假设每班清洗3台硫化机或每天清洗9台硫化机（有的工厂清洗两次），从友谊比赛化机上拆下两半模具进行脱机清洗，大约需要15h的作业和10h的停机时间，如采用激光对两半模具进行清洗，则需要0.3h的作业和3h的停机时间，这样，清洗完一台硫化机就可以节约14h的作业和7h的停机时间。又假设，只做10次清洗（5台友谊硫机），5次在模具车间进行脱机清洗，采用激光清洗将产生巨大的回报：每天可节约70小时的作业和35小时的停机时间，那么按一年320天的工作日算，每年可增加22400小时作业和11200小时的上机时间。

　　激光清洗设备的维修和维护费用也应该计算在内，为擦干净激光镜和清除沉积在过滤器上的残余物，每周需对装置进行30min的维护，每4周对主要部件进行60min的检修。每6个月按照制造商的要求对装置进行常规维护并运行一次激光系统。大部分机械部件可以和激光器机架一样都有10年以上的使用寿命，一些激光部件在使用大约3000h后要求替换。这些零部件可在常规预防维修期间进行现场更换。激光装置加上其一年的保修服务，包括易损件的更换并提供典型备件，总算起来操作成本约为每小时4～8美元。所有设备都安装有Modem(调制调解器），这样制造商就可以提供远程服务。