基本信息
- 项目名称：
- 激光除污机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 激光清洗作为一种新兴的清洗方法，具有节能、环保等许多优点，有广阔的发展前景。在发达国家该技术已经走向实用化，而国内还处于实验阶段。本设备正是为了探索激光清洗实用化中的一些问题而设计制造的，主要针对工业除漆除锈，使用电光调QNd:YAG激光器作为光源，用于较薄漆层和锈层的去除，具有非常好的清洗效果，并且清洗效率较高。通过调节激光输出参数，可实现对金属基底粗糙度的控制，以适应工艺要求。
- 详细介绍：
- 钢铁是大多数工业设备的主要原料，由于电化学效应，钢铁本身的腐蚀非常严重，通过在钢铁制品表面喷涂漆层，隔绝内部钢铁材料与空气、水分的接触，是常见但有效的防护手段。漆层的老化和破损，会导致防护作用的丧失，使得内部的钢铁发生腐蚀，因此需要使用清洗的手段将老化的漆层和钢铁表面生成的锈层进行去除，再重新喷漆。 传统的除漆除锈技术有机械法、喷砂法、化学法、高压水射流法等。机械法劳动强度大，高压水射流法易发生二次腐蚀，化学法使用的化学制品会对环境造成影响，同时化学法需要对工件进行拆卸，难以处理大型物体，而得到较广范围使用的喷砂法，会产生严重的环境污染，巨大的噪声、漫天的粉尘和固体废弃物污染，使得这一技术在发达国家已被禁止，我国的上海市也已不再允许使用。 激光清洗技术是一种新型的表面污物去除技术，包括干式、湿式、冲击波式等多种具体实施方式，在钢铁行业、半导体制作业、文物保护领域等获得成功应用。对于漆层的去除，主要是通过透射过漆层的脉冲激光引起的金属基底的振动，使漆层脱离；对于锈层的去除，则通过脉冲激光烧蚀作用使锈层本身各部分由于受热不均产生快速膨胀甚至局部爆炸现象从表面脱离；且实验研究发现，相比于传统的清洗技术，激光清洗后的铁质基底会发生钝化现象，形成致密的透明氧化铁保护层，提高铁质基底的抗腐蚀性。其最大的优势在于激光清洗过程中不会产生任何二次污染，清除下来的只有油漆碎片或锈蚀粉末，并且可回收处理甚至再利用。激光清洗的主要作用机制是振动机制和烧蚀机制，而上述两种去除机制都只涉及物理变化，清洗过程中没有产生影响环境的化学成分，且产生的油漆碎片、锈蚀粉末易于使用吸尘装置进行回收，不会造成固体废弃物的污染，是真正的绿色环保的清洗方式。激光清洗技术相比于传统的喷砂、高压水射流方式，由于能量的利用率较高，能耗低。鉴于以上优点，激光清洗方式将成为工业清洗技术发展的趋势。 随着各个国家对环境问题的重视程度越来越高，传统清洗方式受到了越来越多的限制，激光清洗相对传统的清洗方式的优势越来越明显，有着极为广阔的应用前景。一些发达国家已经将激光清洗这项新技术应用在许多工业领域，达到了实用化水平。目前北美、欧洲多个国家已经出现了多家专业的激光清洗公司，已有成品的激光清洗装置出售，并抢先申请了众多的专利保护。而国内对于激光清洗的研究起步较晚，研究的方向有限，并且多停留在理论研究的阶段，与国外差距较大。而因此我们将研究重点放在激光除漆、除锈等工业领域需求较大的实用方向，希望通过我们的研究能够探索、解决激光清洗技术在实用化中的一些问题。 本设备正是为了激光清洗实用化研究而设计制造的，主要针对漆层与较薄锈层的去除。参考国外成品激光清洗机的一些资料，自主制作了第一代激光清洗机，该机型使用电光调QNd:YAG激光器作为光源、导光臂作为光束传输装置、三维平台作为机械传动系统，通过以柱面镜为主要元件的光束整形系统将圆状光斑整形成长矩形光斑。对于漆层的去除，具有非常好的清洗效果，对于较薄的漆层，具有较高的清洗效率；对于较厚漆层和锈层的去除，清洗效率会较大幅度的降低，需多次往复扫描，能够将漆层和锈层去除；通过调节激光输出参数，清洗的同时可实现对清洗后金属基底粗糙度的控制，从而满足不同工艺的要求。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的 除漆除锈是工业上常用的工艺，传统方法有机械法、喷砂法、化学法、高压水射流法等，都存在污染问题，并且使用上有所限制。其中使用最广范的喷砂法，会产生严重的环境污染，巨大的噪声、漫天的粉尘和固体废弃物污染，使得这一技术在发达国家已被禁止。 激光清洗作为一种新兴的清洗方法，具有节能、环保等许多优点，有广阔的发展前景。在发达国家该技术已经走向实用化，出现了专业的激光清洗公司，并推出了一些激光清洗设备，其价格非常昂贵，而国内还处于实验阶段。本设备正是为了探索激光清洗实用化中的一些问题而设计制造的，主要针对工业除漆除锈，希望通过我们的工作能够为激光清洗技术在工业中的实用化积累一些经验。 创新点 我们设计制作的激光除污机填补了国内工业除漆除锈用激光清洗设备的空白，其创新性在于： 1、绿色环保 2、能耗低 3、无消耗物 4、维护成本低 5、操作简单安全 6、结构紧凑 技术关键 1、实现激光光束参数的灵活可调 2、线性光斑整形 3、保护措施完善 4、自动清洗、手动清洗兼具 5、激光传输密封、灵活 6、稳定性强 主要技术指标 Nd3+：YAG脉冲激光器 激光波长：1064nm； 激光脉冲宽度：200μs，10ns； 激光单脉冲能量：1J（自由运转），600mJ（调Q，10 Hz）； 激光工作频率：2、10、30、60Hz；
科学性、先进性
- 漆层与金属基底之间通过范德瓦尔斯力相粘和，是结合较为紧密的相互作用；对于较薄的漆层，部分激光能够透射到漆层以下的金属基底上，使基底受热，发生快速的热膨胀，膨胀引起的弹性力当能够克服漆层与基底之间的粘附力时，激光的作用就使漆层在激光光斑照射的边缘发生断裂，从基底表面脱离，这种去除机制我们称之为振动机制；对于较厚的漆层和锈层，这两层物质对于入射激光而言都无法透过，振动机制无法发挥作用，激光能量被漆层或锈层的表层物质吸收，通过烧蚀作用，使得表层物质受热不均匀发生爆发性的热膨胀，逐层的烧蚀作用最终能够将漆层和锈层完全去除，这种去除机制我们称之为烧蚀机制。无论是使用振动机制还是使用烧蚀机制将表层物质去除，去除过程都是物理变化，没有产生会影响环境的化学成分，清洗产物为片状的油漆和粉末状的锈蚀，易于使用吸尘装置进行回收。 相比于喷砂、高压水射流等传统清洗方法，激光清洗能耗大大降低且无资源消耗、低噪音、对人体无伤害，是一种绿色环保、低能耗的清洗方式，是工业清洗发展的趋势。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年——上海人和清洗有限公司购买了本产品的第一台样机，并对产品性能给出了使用报告； 2011年——总装备部军械技术研究所使用本产品进行了清洗实验，并对产品性能给出了自己的评价；
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 合作开发
作品可展示的形式
- 展板、视频、实物、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 利用激光清洗技术除漆除锈，效果良好；设备结构紧凑，保护措施齐全，使得清洗机使用更加安全，使用寿命更长；整机多处考虑了减震，可有效降低意外振动对激光输出功率的影响，适应复杂环境；节能环保，无排放物，无需水等清洗介质；操作简单、安全可靠。 适用范围和推广前景： 可用于船舶表面的外漆清洗、金属物品表面漆层的清洗、中等程度以下的钢铁制品的锈层清洗等。 传统的工业除漆除锈方法高污染高能耗，并且对操作工人的身体健康有损害，因此必然会逐渐淘汰。而激光清洗作为一种新兴技术，环保节能，对人体没有损害，具有极为广阔的推广前景。 市场分析和经济效应预测： 目前国外成品激光清洗机价格昂贵，国内用于工业除漆除白的激光清洗设备还属空白；由于传统除漆除锈方式的使用将越来越多的受到限制，所以绿色环保、低能耗的激光清洗机用于除漆除锈将会受到越来越多的重视。
同类课题研究水平概述
- 国外： 从本世纪初开始，国外对激光清洗的研究从理论、实验转为实际应用，出现了许多激光清洗方面的专利申请，传统的激光行业公司纷纷推出了自己的用于激光清洗的激光器，同时在北美和西欧出现了专业的激光清洗公司，如美国的adapt laser、法国的quantel公司等。但这些公司在除漆方面更多的关注于飞机蒙皮的清除，对钢铁制品的除锈涉及的很少，对于船舶修造等重工行业的钢铁制品除漆除白没有见到过明确的应用案例。同时国外清洗设备在价格上非常昂贵，中等功率的激光清洗设备的销售价格超过百万元人民币，这使得国内需要该技术的企业能以承受。 国内： 国内开展激光清洗较晚，只有少数高校、研究所和一些激光方面的公司开展了一些激光清洗方面的研究，目前国内用于工业除漆除锈的激光清洗设备在我们的第一台激光清洗机推出之前尚属空白。
