武爽爽，賈秀杰，熊勝，王興，馬明亮，任遠(yuǎn)

（山東大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院 b.機(jī)械工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，濟(jì)南 250061）

再制造工程作為新世紀(jì)發(fā)展的新方向，得到了廣泛關(guān)注。再制造秉持優(yōu)質(zhì)、環(huán)保、節(jié)能、節(jié)材的原則[1]，對(duì)產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段進(jìn)行全面考慮。以報(bào)廢的產(chǎn)品和零部件為初始研究對(duì)象，運(yùn)用先進(jìn)的修復(fù)手段和再制造技術(shù)對(duì)廢舊產(chǎn)品進(jìn)行一系列地修復(fù)和改造，提升了廢舊產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，并可作為新品重新投入使用[2-5]。再制造過(guò)程的實(shí)施不僅能夠降低能源、材料及其他資源的消耗，而且可以減小對(duì)環(huán)境的不利影響，有利于實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)[6-7]。

再制造過(guò)程包括對(duì)退役產(chǎn)品回收、拆解前產(chǎn)品整體外觀清洗、拆解、零部件清洗、清洗后零部件的檢測(cè)、再制造修復(fù)、再制造產(chǎn)品的裝配以及包裝等過(guò)程[8-13]，如圖1 所示。

圖1 再制造工藝流程圖Fig.1 Flow chart of remanufacturing process

再制造清洗是指借助清洗設(shè)備，利用機(jī)械、物理、化學(xué)、電化學(xué)等方式，去除工件表面污垢，使工件達(dá)到清潔度要求的過(guò)程[14-17]。根據(jù)圖1 可知，再制造清洗包括整體外觀清洗和產(chǎn)品零部件清洗兩部分。整體外觀清洗主要是清除產(chǎn)品表面的灰塵等污物[18-19]，一般利用水射流沖洗就可以去除；零部件清洗主要是針對(duì)零件表面的油污、水垢、銹蝕、積炭及油漆等污垢進(jìn)行清洗[19]，需要使用高效的清洗方法。再制造清洗是再制造的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，清洗后的質(zhì)量會(huì)影響最終再制造產(chǎn)品的質(zhì)量[14,16-17]，所以必須保證高質(zhì)高效地清洗。

油漆作為工業(yè)中常用的一種防銹劑，廣泛應(yīng)用于機(jī)械零部件中。相比于其他污垢類型，在產(chǎn)品使用到報(bào)廢階段，油漆與基體結(jié)合時(shí)間最長(zhǎng)，兩者因長(zhǎng)期接觸會(huì)產(chǎn)生分子滲透現(xiàn)象，使結(jié)合情況變得更復(fù)雜，清洗難度更大[20]。因此，為滿足零件清洗后的表面質(zhì)量要求，需對(duì)清洗技術(shù)進(jìn)一步改良優(yōu)化。傳統(tǒng)的油漆清洗技術(shù)有很大的局限性，如酸堿清洗技術(shù)利用其強(qiáng)酸和強(qiáng)堿性質(zhì)，使溶液中的離子與油漆發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到去除油漆的目的。其清洗效率高，無(wú)噪聲粉塵污染，但強(qiáng)酸堿性溶液對(duì)人體危害大，并且廢液會(huì)對(duì)環(huán)境、水、土壤造成二次污染。高溫?zé)岱纸馇逑蠢酶邷丶訜崾褂推岬谋韺踊騼?nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，最終以氣化分解的形式脫離基體表面[21]。其操作簡(jiǎn)單，但能量消耗大，清洗效率低，對(duì)環(huán)境有污染，不能清洗熔點(diǎn)低的材料。干噴丸以壓縮空氣為動(dòng)力源[22-25]，利用高速運(yùn)動(dòng)磨料的磨削、摩擦、剪切等作用[24,26-29]，達(dá)到清洗目的。其清洗效率高[22]，能夠提高材料的疲勞強(qiáng)度[30-33]，但不適用內(nèi)腔污染物的清洗，且清洗后表面粗糙度較大，清洗過(guò)程中易造成粉塵和噪音污染[34]，對(duì)人體有損害。

針對(duì)傳統(tǒng)清洗技術(shù)的局限性，大量學(xué)者研究了油漆綠色清洗技術(shù)，并取得了一定成果。劉金聰[35]對(duì)激光脫漆技術(shù)進(jìn)行了研究分析，表明激光除漆的主要作用機(jī)理為振動(dòng)作用和燒蝕作用，并通過(guò)正交試驗(yàn)確定了最佳清洗參數(shù)。張瑄珺[36]對(duì)金屬材料激光清洗技術(shù)進(jìn)行研究，表明激光清洗具有對(duì)基體損傷小、清洗精度高、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。孫一航[37]對(duì)熔鹽清洗油漆機(jī)理進(jìn)行了分析，得出其主要清洗機(jī)理為氣化作用和氧化作用，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析出合適的油漆清洗溫度。辛本禮[38]通過(guò)對(duì)5 種不同材料的油漆進(jìn)行熔鹽清洗對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熔鹽清洗技術(shù)對(duì)基體材料表面性能幾乎無(wú)影響。劉立秋[39]對(duì)污垢清洗機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)高壓水射流具有的沖擊動(dòng)能和磨削作用對(duì)工件表面的污垢形成沖蝕、剪切、剝離，其清洗效果好，節(jié)能節(jié)水，且對(duì)環(huán)境基本無(wú)污染。郭琦[40]通過(guò)試驗(yàn)分析了移動(dòng)速度、壓力及靶距等不同參數(shù)下，高壓水射流對(duì)油漆清洗率的影響，并確定了最優(yōu)清洗參數(shù)。但目前對(duì)于油漆綠色清洗技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)較少，并且沒有一個(gè)系統(tǒng)且全面的總結(jié)來(lái)指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用，使清洗技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展遭遇瓶頸。

本文基于各位學(xué)者的研究成果，對(duì)機(jī)械領(lǐng)域常用的油漆綠色清洗技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，進(jìn)一步豐富油漆清洗技術(shù)類型，并對(duì)這些技術(shù)的油漆清洗機(jī)理以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)研究，在全面概括油漆清洗技術(shù)的同時(shí)，用于指導(dǎo)后續(xù)再制造流程。

1 油漆的性質(zhì)分析

在再制造零部件的清洗階段，拆解后的零部件上的原保護(hù)漆層需全部去除，清洗干凈后的零部件用于后續(xù)的檢測(cè)、修復(fù)等再制造加工過(guò)程，最后對(duì)最終的產(chǎn)品進(jìn)行再次噴漆，作為再制造產(chǎn)品重新投入使用[41]。筆者以機(jī)械零部件常用油漆類型聚氨酯面漆和環(huán)氧樹脂底漆為例，整理了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)油漆與基體的結(jié)合情況、表面微觀形貌以及主要成分等性質(zhì)的分析，進(jìn)一步理解清洗技術(shù)的油漆清洗機(jī)理，從而對(duì)清洗技術(shù)做出更合理的選擇。

1.1 油漆與基體的結(jié)合情況

使用油漆作為防銹劑時(shí)，需要三層油漆，按照不同噴涂層的功能，可將其分為底漆、中間漆和面漆，面漆和中間漆使用同一類油漆基本就可以滿足防護(hù)要求[42]，因此也可將油漆分為底漆和面漆兩大類。吳賢官等人[43]通過(guò)對(duì)化學(xué)鍵鍵能的研究分析發(fā)現(xiàn)，聚氨酯樹脂類油漆涂料含有的氨酯鍵、酯鍵和油脂的不飽和雙鍵等化學(xué)鍵，使油漆與基體之間有較強(qiáng)的結(jié)合力，并且在這些化學(xué)鍵作用下，油漆的彈性較好，能夠減小溫度對(duì)基體的影響。環(huán)氧樹脂類油漆的結(jié)構(gòu)中具有極性較強(qiáng)的烴基、醚基，使環(huán)氧樹脂對(duì)基體的附著力更強(qiáng)，并且具有韌性好、穩(wěn)定性高、耐腐蝕性好、常溫狀態(tài)下為固態(tài)等優(yōu)點(diǎn)[42]，因此也更適合作為底漆來(lái)使用。使用底漆加面漆的形式，不僅給基體材料添加兩層防護(hù)漆的保護(hù)，而且能夠在一定程度上降低基體因腐蝕、磨損等因素而造成的疲勞損傷，提高材料的使用壽命。圖2 為油漆與基體結(jié)合的界面示意圖。

圖2 油漆結(jié)構(gòu)界面示意圖Fig.2 Schematic diagram of paint structure interface

1.2 油漆的表面微觀形貌

圖3 不同倍數(shù)下的油漆形貌[44]Fig.3 Paint morphologies under different magnification[44]

張健[44]通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)油漆在不同倍數(shù)下的微觀形貌進(jìn)行了觀察分析，如圖3 所示。從圖中可以看出，油漆表面相對(duì)比較光滑，沒有明顯的裂紋痕跡，白點(diǎn)呈現(xiàn)隨機(jī)分布的狀態(tài)且密度較大，形狀大小各異。在20 000 倍下進(jìn)一步觀察，白點(diǎn)的尺寸在200～600 nm 之間。根據(jù)SEM 的成像原理推測(cè)，白點(diǎn)是油漆中摻雜的金屬顆粒。

1.3 油漆的組成成分

張健[44]和孫一航[37]等人利用能譜儀（EDS）分別對(duì)環(huán)氧樹脂底漆和聚氨酯面漆進(jìn)行掃描分析，獲得面漆與底漆的元素分布，如表1 及表2 所示。根據(jù)兩種油漆的元素分布情況可以發(fā)現(xiàn)，兩種油漆的主要元素及占比相差不大。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為依據(jù)，在各元素中，C、O 元素的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)占70%以上。除此之外，油漆中防腐蝕性的添加劑產(chǎn)生的Al、Ti、Cr、Fe 等金屬元素所占比例在10%左右。Pb 元素由油漆中的著色劑產(chǎn)生，而存在的少量Si 元素則是由油漆中摻雜的少量灰塵顆粒產(chǎn)生。

表1 聚氨酯面漆中的元素含量[37,44]Tab.1 Content of elements in polyurethane topcoat[37,44]%

表2 環(huán)氧樹脂底漆中的元素含量[37,44]Tab.2 Content of elements in epoxy primer[37,44]%

2 再制造清洗技術(shù)的清洗機(jī)理及優(yōu)缺點(diǎn)

目前，關(guān)于油漆的綠色清洗技術(shù)有很多，表3 為機(jī)械領(lǐng)域常用的幾種綠色油漆清洗技術(shù)，并主要對(duì)這些清洗技術(shù)的油漆清洗機(jī)理及各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行論述。

表3 各種清洗技術(shù)的清洗機(jī)理及優(yōu)缺點(diǎn)Tab.3 Cleaning mechanism and advantages and disadvantages of various cleaning technologies

2.1 熔鹽清洗技術(shù)

熔鹽清洗技術(shù)是以熔融態(tài)的無(wú)機(jī)鹽作為清洗介質(zhì)，使溶液中的離子或分子與工件表面污垢充分接觸并發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)污垢去除的一種清洗方式[45]。

2.1.1 熔鹽清洗機(jī)理

經(jīng)過(guò)大量研究，對(duì)熔鹽溶液無(wú)機(jī)鹽配方進(jìn)行不斷調(diào)整優(yōu)化，確定了熔鹽溶液為KNO3、NaNO2、NaNO3、NaOH 等物質(zhì)的混合溶液時(shí)[46]，清洗效果較好。其中，NaNO3作為緩蝕劑使用[47]。在熔鹽清洗過(guò)程中，高溫使液體獲得更小的表面張力，使溶液中離子與油漆的結(jié)合更緊密、分子交換速率更快，促進(jìn)溶液中的離子與油漆中的有機(jī)物化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行[48]。

具體化學(xué)反應(yīng)如下：由于NaOH 的存在使溶液中有大量的OH－，在高溫環(huán)境下，OH－容易和油漆中的有機(jī)物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[49]，并產(chǎn)生CO2氣體。熔鹽溶液中的NO2－與油漆中的有機(jī)物成分在高溫下能夠發(fā)生氧化還原反應(yīng)[20,50]，產(chǎn)生NO、NO2和CO2等氣體。產(chǎn)生的NO2和CO2氣體一部分繼續(xù)與OH－發(fā)生反應(yīng)，并生成CO32－、NO3－，其余氣體釋放到大氣中。在高溫環(huán)境下，CO32－具有強(qiáng)催化作用，可將空氣中的O2轉(zhuǎn)變?yōu)槌醺x子O2－，具有強(qiáng)氧化性的O2－可進(jìn)一步與有機(jī)物發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，改變油漆內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其與基體的附著力降低，表層疏松，脫離基體更容易。由于反應(yīng)過(guò)程中有大量的氣體產(chǎn)生，在高溫下，氣體體積會(huì)迅速膨脹，對(duì)周圍油漆造成一定沖擊[50]，此過(guò)程反應(yīng)劇烈，因此常能看到有明顯的火花產(chǎn)生[48]，整個(gè)化學(xué)作用的反應(yīng)方程式如式(1)—(6)所示[20,44,48]。

使用熔鹽清洗油漆時(shí)，關(guān)鍵在于清洗時(shí)的溫度、熔融熔鹽中的有機(jī)物成分及其各成分的含量，這些參數(shù)在不斷的研究中，也在持續(xù)優(yōu)化，使熔鹽清洗能夠廣泛地應(yīng)用于清洗的各個(gè)領(lǐng)域。

2.1.2 優(yōu)缺點(diǎn)

熔鹽清洗的優(yōu)點(diǎn)在于，清洗介質(zhì)為熔融狀態(tài)，流動(dòng)性好，適用范圍廣，可清洗一些形狀復(fù)雜的零部件，尤其適用于清洗具有多孔道、多溝槽的零部件。在清洗完成后，廢棄的熔鹽溶液在常溫下呈現(xiàn)固態(tài)，容易進(jìn)行處理[50]。在高溫環(huán)境下，熔鹽溶液與工件表面的油漆全面接觸，清洗效率高，整個(gè)清洗過(guò)程基本上沒有噪聲產(chǎn)生。

熔鹽清洗的缺點(diǎn)在于，清洗過(guò)程中產(chǎn)生的NO 和NO2等氣體為有毒氣體，對(duì)環(huán)境有污染。熔鹽清洗主要清洗機(jī)理為化學(xué)作用，對(duì)基體有一定的腐蝕傷害[51]，清洗后工件表面會(huì)殘留熔鹽的結(jié)晶物，需進(jìn)一步清理[52]。

2.2 干冰清洗技術(shù)

CO2在常溫常壓條件下以氣體的形式存在，干冰則是CO2在–78 ℃左右的低溫固態(tài)形式[53,54]。

2.2.1 干冰清洗機(jī)理

干冰清洗是以壓縮空氣為動(dòng)力源和載體，干冰顆粒為清洗介質(zhì)，利用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體將干冰制備機(jī)產(chǎn)生的干冰顆粒高速噴射到工件表面，從而去除油漆[21,54,55]。

在油漆表面發(fā)生的主要反應(yīng)如下：被加速的干冰顆粒自身具有動(dòng)能，在沖擊表面油漆時(shí)，對(duì)油漆有剪切、磨削等作用[56-58]。由于干冰顆粒獨(dú)特的低溫產(chǎn)生方式，使其與油漆表面存在較大溫差，兩者在接觸瞬間發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換，油漆受冷收縮、脆化并破碎[59]，因熱膨脹系數(shù)的差別，在受冷吸熱過(guò)程中，油漆與基體之間的結(jié)合力降低，使油漆更易剝離基體表面[56,59]。干冰在常溫條件下會(huì)迅速升華變成氣體，其體積在極短時(shí)間內(nèi)（微秒內(nèi)）膨脹近千倍，在油漆表面形成“微區(qū)爆炸”，沖擊表面油漆[60,61]，達(dá)到清洗的目的。

2.2.2 優(yōu)缺點(diǎn)

干冰清洗的優(yōu)點(diǎn)在于，清洗過(guò)程中，只有揮發(fā)的CO2氣體，沒有新的有害物質(zhì)產(chǎn)生[62]，只需清理被清洗的油漆廢棄物，對(duì)人和環(huán)境無(wú)不利影響[21]，是一種環(huán)保的清洗方式。由于干冰顆粒自身的硬度適中和干冰升華作用，在清洗時(shí)，對(duì)基體基本無(wú)損傷，適合于精密儀器零部件的清洗[61]，基體表面無(wú)殘留，不需二次處理[20]。

干冰清洗的缺點(diǎn)在于，噴嘴在干冰磨粒的不斷沖擊下易破損，需定期更換。干冰制備機(jī)和空氣壓縮機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生噪聲。干冰磨料在清洗時(shí)以氣體形式揮發(fā)，不可回收。此外，干冰生產(chǎn)和清洗設(shè)備成本高，干冰消耗大，經(jīng)濟(jì)性差[21,63]。

2.3 激光清洗技術(shù)

激光清洗是通過(guò)特定光學(xué)元器件將連續(xù)或脈沖激光聚焦，產(chǎn)生高能量激光束，照射到工件表面污垢，使污垢因高溫而瞬間分解氣化或因沖擊振動(dòng)而破碎，最終從零件表面剝離[63-64]。

2.3.1 激光清洗機(jī)理

激光清洗一般有氣化和振動(dòng)兩個(gè)過(guò)程。圖4a 為氣化過(guò)程[65]，在高能激光束照射到工件表面的油漆時(shí)，由于基體和油漆的激光吸收率不同，激光產(chǎn)生的絕大多數(shù)能量被表面油漆吸收[66]，使油漆表面能量聚集，溫度迅速升高，油漆表面受熱膨脹[67-69]，當(dāng)溫度達(dá)到甚至超過(guò)油漆的熔點(diǎn)或氣化點(diǎn)時(shí)[70]，油漆會(huì)瞬間蒸發(fā)、氣化揮發(fā)，從而脫離工件表面，達(dá)到去除油漆的目的[71-72]。此過(guò)程中，在油漆的表面能夠看到明顯的煙霧以及火花產(chǎn)生[71]。蒸發(fā)過(guò)程多發(fā)生在基體和油漆對(duì)一定波長(zhǎng)激光能量的吸收系數(shù)有較大差別的情況下[73]，控制好激光波長(zhǎng)和能量，能夠?qū)崿F(xiàn)高效除漆。圖4b 為振動(dòng)過(guò)程[65]，高功率和重復(fù)頻率高的脈沖激光照射工件表面油漆時(shí)，激光的大部分能量被油漆吸收，以蒸發(fā)氣化的形式使油漆剝離工件表面。另外一部分能量的激光束會(huì)以聲波的形式進(jìn)行傳播，當(dāng)聲波傳播到基體與油漆結(jié)合處時(shí)，聲波接觸到硬度相對(duì)比較高的基體材料，會(huì)發(fā)生反射，入射與反射的聲波發(fā)生碰撞，撞擊的瞬間產(chǎn)生高能波，形成微區(qū)爆炸，其能量沖擊油漆表面，油漆在強(qiáng)大的沖擊力下被炸碎，形成細(xì)小的粉末，脫離基體表面[65,73]，此時(shí)基體幾乎不會(huì)受到損傷。同時(shí)激光束內(nèi)包含的大量光子會(huì)不斷轟擊油漆內(nèi)部，沖擊力使其附著力降低，協(xié)同氣化作用使污垢剝離[74]。根據(jù)振動(dòng)過(guò)程原理，發(fā)現(xiàn)該過(guò)程多伴隨著連續(xù)不斷的輕微爆炸聲。

圖4 激光清洗機(jī)理示意圖[65]Fig.4 Schematic diagram of laser cleaning mechanism[65]: a)gasification process; b) vibration process

2.3.2 優(yōu)缺點(diǎn)

激光清洗的優(yōu)點(diǎn)在于，由于油漆和基體之間存在不同的能量吸收度，激光清洗時(shí)選擇合適的波長(zhǎng)和激光能量，就能在基本不損害零件及材料內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)去除表面油漆的目的[75]。該方法適用于各種材質(zhì)的物體，操作簡(jiǎn)單方便，靈活性高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作[76]。此外，激光清洗為非接觸式清洗，不會(huì)對(duì)人造成傷害。

激光清洗的缺點(diǎn)在于，激光器成本較高，大型激光清洗機(jī)設(shè)備龐大，不便攜帶，在某些復(fù)雜的清洗環(huán)境下，易產(chǎn)生清洗盲區(qū)。

2.4 高壓水射流清洗技術(shù)

高壓水射流清洗技術(shù)是將高能量的水射流以高速的形式?jīng)_擊工件表面的污垢，利用射流的沖擊、水楔等作用，使污垢脫離基體表面[77-79]。

2.4.1 高壓水射流清洗機(jī)理

高壓水射流以水為清洗介質(zhì)，通過(guò)高壓泵對(duì)水進(jìn)行加壓，產(chǎn)生的水壓可以達(dá)到100 MPa 以上[73,80]。通過(guò)具有細(xì)小孔徑的噴射裝置（如噴嘴）將高壓水轉(zhuǎn)換為能量集中、高速運(yùn)動(dòng)的細(xì)小“水射流”[81-84]，這種“水射流”的速度可達(dá)300～400 m/s 以上，具有強(qiáng)大的沖擊動(dòng)能[85-86]。高能量、高速度的水射流沖擊表面油漆時(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化，在油漆表面發(fā)生沖擊、磨削和剪切等復(fù)合作用[87]，使油漆內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，表面產(chǎn)生細(xì)小裂紋[32]，經(jīng)過(guò)后續(xù)水射流在裂紋內(nèi)部產(chǎn)生的水楔作用，降低裂紋尖端與基體的粘著力[74,88]，使裂紋不斷擴(kuò)張，油漆最終破碎脫離基體表面[89-91]。由于高壓水射流的壓力沒有達(dá)到基體材料（如金屬）的抗壓強(qiáng)度，因此基本不會(huì)對(duì)基體造成損傷。在實(shí)際使用過(guò)程中，確定合適的噴嘴孔徑與靶距等參數(shù)，能夠使高壓水射流達(dá)到最佳的清洗效果[92]。

2.4.2 優(yōu)缺點(diǎn)

高壓水射流清洗的優(yōu)點(diǎn)在于，水作為高壓水射流的清洗介質(zhì)，在自然界普遍存在，高壓水射流使用的噴嘴直徑通常只有幾毫米，耗水量較少[77]，并且清洗時(shí)無(wú)需向水中加入任何填充物和洗滌劑就有較好的清洗效果，清洗的水經(jīng)過(guò)過(guò)濾等過(guò)程，可以回收利用，屬節(jié)能環(huán)保型清洗技術(shù)[79,93]。調(diào)節(jié)好射流壓力和射流量等參數(shù)，可以對(duì)工件表面的油漆進(jìn)行高效清洗，清洗時(shí)間短，清洗效果好，對(duì)基體幾乎無(wú)損傷[83,94-96]。高壓水射流清洗技術(shù)的使用范圍廣泛，能夠清洗形狀復(fù)雜的工件[97]，只要是水能夠接觸到的地方均可進(jìn)行清洗，易于實(shí)現(xiàn)清洗工作的自動(dòng)化[98]。

高壓水射流清洗的缺點(diǎn)在于，工件經(jīng)高壓水射流清洗后，其表面會(huì)留下殘余水溶液，不及時(shí)清理會(huì)造成工件返銹。此外，由于水射流的壓力較高，對(duì)設(shè)備要求較高[87]，在操作過(guò)程中存在一定的危險(xiǎn)。

2.5 濕噴丸清洗技術(shù)

濕噴丸清洗是將磨料和水一起噴射到工件表面去除污垢的一種清洗方法。根據(jù)噴丸磨料和水混合的先后順序，可以將其分為前混合模式和后混合模式，前后混合模式是一個(gè)相對(duì)的概念[99]。前混合模式是指，在磨液箱內(nèi)，將磨粒和水進(jìn)行充分均勻地混合，通過(guò)噴嘴將混合后的磨液高速噴射到工件表面的污垢上[87,91]。后混合模式有兩種混合方法：一種是在磨粒以氣動(dòng)的形式噴射出來(lái)的過(guò)程中，向噴射的磨粒中添加水，達(dá)到混合的目的；另一種是以水為動(dòng)力源，磨料以自重和負(fù)壓吸附的作用進(jìn)入水射流，混合后一起噴射到工件表面[85,91,100]。兩類混合模式均有弊端。前混合模式易造成磨粒和水混合不均勻、磨粒粒子沉降和噴嘴損傷嚴(yán)重的問題；而后混合模式會(huì)造成磨料和水的混合效果差，影響沖蝕效果[101-102]，或者磨料顆粒碰撞變細(xì)，以及增加水可能會(huì)影響噴射原始軌跡。比較兩種混合模式，后混合模式是以水為動(dòng)力源的清洗，清洗后基體表面質(zhì)量和清洗率相對(duì)較好，因此在實(shí)際中較為常用。

2.5.1 濕噴丸清洗機(jī)理

以水動(dòng)后混合模式清洗為例，通過(guò)高壓泵賦予水射流一定的初始動(dòng)能，經(jīng)過(guò)特制形狀的噴嘴進(jìn)行高速噴射，而磨料以負(fù)壓吸附的方式與水射流混合，水射流的一部分動(dòng)能傳遞給磨料，使其獲得一定速度[103-105]，兩者一起噴射到工件表面的油漆處[106-107]，磨粒的切削、沖擊作用是實(shí)現(xiàn)油漆去除的主要形式。當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的磨料沖擊到工件表面的油漆時(shí)，磨粒在其表面產(chǎn)生剪切力、沖擊力、摩擦力和成穴力[108-110]，其作用力大于漆層與基體之間的結(jié)合力，使油漆產(chǎn)生破碎斷裂，從而脫離基體表面[111]。

在清洗過(guò)程中，水射流主要起到以下作用：為磨料提供加速動(dòng)力，使磨料高速?zèng)_擊到污垢表面；在裂紋內(nèi)部產(chǎn)生水楔作用以及持續(xù)的沖擊，可對(duì)破碎油漆進(jìn)行剝離，從而加速油漆去除。基于水射流的流動(dòng)特性，水離開工件表面時(shí)，會(huì)攜帶已去除的油漆微粒，防止微粒對(duì)基體材料的二次污染。由于水的參與，工件表面會(huì)產(chǎn)生水膜，緩解磨粒對(duì)基體的沖擊，降低其對(duì)基體表面質(zhì)量的影響。

2.5.2 優(yōu)缺點(diǎn)

濕噴丸清洗的優(yōu)點(diǎn)在于，濕噴丸的清洗壓力只有幾兆帕，對(duì)基體損傷小，一定程度上提高了材料的疲勞強(qiáng)度[112]。濕噴丸中，水的參與能夠有效避免干噴丸清洗時(shí)產(chǎn)生粉塵的情況，對(duì)環(huán)境幾乎無(wú)影響。此外，其清洗效率高，所用磨料屬于固體顆粒，使用后可通過(guò)過(guò)濾和干燥等工藝，對(duì)磨料進(jìn)行回收利用[113]。

濕噴丸清洗的缺點(diǎn)在于，由于射流的線性特點(diǎn)，濕噴丸能夠有效清洗工件外部的油漆污垢，但不適用內(nèi)腔油漆的清理[114]。清洗后，工件表面粗糙度會(huì)有所增加，不適合清洗對(duì)表面質(zhì)量要求高的零部件。在清洗過(guò)程中有水的參與，清洗后的工件易產(chǎn)生返銹現(xiàn)象，需在溶液中加入防銹液或安裝吹干裝置，增加成本。

2.6 幾種清洗技術(shù)的異同

高壓水射流清洗、干噴丸清洗與濕噴丸清洗技術(shù)在動(dòng)力源、清洗壓力和對(duì)環(huán)境污染等方面的異同如表4 所示。

表4 高壓水射流、干噴丸和濕噴丸清洗技術(shù)的異同Tab.4 Similarities and differences of cleaning technologies of high pressure water jet, dry shot peening and wet shot peening

2.7 超聲波清洗技術(shù)

超聲波清洗技術(shù)指利用超聲波在液體中產(chǎn)生的作用力以及清洗介質(zhì)的滲透溶解作用，促使表面污垢發(fā)生物理與化學(xué)作用相結(jié)合的一種清洗方式[115-116]。

2.7.1 超聲波清洗機(jī)理

換能器將電磁振蕩器產(chǎn)出的超高頻聲波轉(zhuǎn)換成同頻率的機(jī)械振動(dòng)，由于液體和固體之間存在的表面張力作用，高頻機(jī)械振動(dòng)在清洗液中運(yùn)動(dòng)時(shí)[117-118]，清洗液會(huì)受拉壓作用力形成負(fù)壓區(qū)和正壓區(qū)，液體受拉破碎，在負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生無(wú)數(shù)個(gè)壓力超過(guò)1000 MPa 的微小氣泡[41,119]，即真空腔。由于真空腔內(nèi)外的壓力相差巨大，當(dāng)聲壓或聲強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，這些氣泡會(huì)在正壓區(qū)破裂而釋放出瞬時(shí)高壓[120]，破壞油漆與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。工件表面油漆受到連續(xù)不斷的氣泡破裂所產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓的持續(xù)沖擊[121-123]，結(jié)合清洗劑的溶解和分離結(jié)構(gòu)疏松的作用，使附著在工件表面的油漆破碎[124-125]，并迅速剝落，從而達(dá)到清洗油漆的目的。

2.7.2 優(yōu)缺點(diǎn)

超聲波清洗的優(yōu)點(diǎn)在于，由于液體的流動(dòng)性，可清洗表面形狀復(fù)雜、精密而又難以清洗的零件，清洗不受清洗件表面形狀的限制[124]，在空化作用處均可清洗，對(duì)帶有孔、細(xì)縫等形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件尤為適用。此外，其清洗效率高，對(duì)工件表面幾乎無(wú)損傷，工藝參數(shù)易控，易于實(shí)現(xiàn)遙控和自動(dòng)化清洗，清洗效果徹底，清潔度高[126]。

超聲波清洗的缺點(diǎn)在于，換能器易壞[15]，工作噪聲大，設(shè)備造價(jià)昂貴，對(duì)清洗劑的要求較高。清洗后會(huì)產(chǎn)生廢舊清洗液，易造成環(huán)境污染，增加后續(xù)廢液處理成本。對(duì)質(zhì)地較軟、聲吸收強(qiáng)的材料，清洗效果比較差。

2.8 超臨界CO2清洗技術(shù)

超臨界CO2（SCCO2）是指壓力和溫度均大于臨界值的CO2流體，其同時(shí)具有液體較大溶解度和氣體擴(kuò)散的性質(zhì)[127-131]，利用其特有的物化性質(zhì)可清洗污垢。其中CO2轉(zhuǎn)換的臨界值為：臨界壓力PC=7.38 MPa，臨界溫度tC=31.1 ℃[114,127]。

2.8.1 超臨界CO2清洗機(jī)理

利用高壓泵和加熱器等設(shè)備將CO2變成流體狀態(tài)[132]，由于超臨界CO2具有強(qiáng)擴(kuò)散性和較小表面張力的特點(diǎn)，使其能夠滲透到油漆內(nèi)部[34,133-134]，與油漆實(shí)現(xiàn)全面接觸[132]。在快速泄壓的過(guò)程中，超臨界CO2流體處于過(guò)飽和狀態(tài)，其內(nèi)部會(huì)因壓力變化而產(chǎn)生微小氣泡，經(jīng)過(guò)不斷地加壓和泄壓過(guò)程，氣泡會(huì)逐漸增大，最終破裂并與相鄰氣泡合并[131]。不斷增大的氣泡在油漆和基體界面、油漆內(nèi)部及表面形成，產(chǎn)生界面裂紋、油漆內(nèi)部裂紋和表面隆起等現(xiàn)象，造成油漆內(nèi)部疏松以及油漆與基體之間附著力降低的情況，最終使油漆破碎或剝離基體，以達(dá)到清洗的目的。并且在加壓和泄壓的過(guò)程中，會(huì)存在較大溫差，由于熱膨脹系數(shù)的差別，油漆與基體兩者會(huì)產(chǎn)生不同的內(nèi)部拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于油漆的抗拉強(qiáng)度時(shí)，油漆內(nèi)部以及油漆和基體界面處會(huì)產(chǎn)生不同形式的裂紋[9,114]，加速油漆去除。

2.8.2 優(yōu)缺點(diǎn)

超臨界CO2清洗的優(yōu)點(diǎn)在于，它主要是利用強(qiáng)滲透和溶解特性達(dá)到去除油漆的目的[34,135]，對(duì)基體幾乎無(wú)影響。選擇合適的清洗參數(shù)，甚至可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷清洗，適合于精密儀器的清洗。同時(shí)適用范圍廣，可清洗具有多孔洞、溝槽、細(xì)縫等形狀復(fù)雜的零部件[127]。此外，CO2無(wú)毒，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，方便易得[136]，并可進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

超臨界CO2清洗的缺點(diǎn)在于，由于需要高壓系統(tǒng)，故其設(shè)備投資費(fèi)用較高[132]，且清洗不徹底，有少量油漆污垢殘留，需二次清洗。

2.9 各技術(shù)清洗效率的對(duì)比

以發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、變速箱箱體等再制造零部件為清洗對(duì)象，以清洗效率為衡量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合上述對(duì)清洗技術(shù)油漆去除機(jī)理的分析整理，對(duì)各種清洗技術(shù)在清洗效率方面進(jìn)行了簡(jiǎn)單的對(duì)比分析，旨在為使用者選擇合適的清洗技術(shù)時(shí)提供參考，其效率排序如表5。

表5 各種清洗技術(shù)的清洗效率排序Tab.5 Cleaning efficiency ranking of various cleaning technologies

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、變速箱箱體等零部件的尺寸一般較大，根據(jù)這一情況，優(yōu)先選擇浸泡式的清洗技術(shù)，如熔鹽清洗技術(shù)和超聲波清洗技術(shù)?；谝后w的流動(dòng)特性，清洗液能夠?qū)ξ酃笇?shí)現(xiàn)全覆蓋，即清洗反應(yīng)可以在零部件表面油漆污垢部位同時(shí)進(jìn)行，使單位時(shí)間的清洗效率大大提升。熔鹽清洗利用高溫環(huán)境和化學(xué)反應(yīng)去除油漆，超聲波清洗則利用超聲波的空化作用，屬物理清洗，其清洗效率低于高溫環(huán)境下的化學(xué)清洗。其次應(yīng)選擇移動(dòng)式的清洗技術(shù)，如濕噴丸清洗、高壓水射流清洗和激光清洗技術(shù)，該類技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)噴射裝置和待清洗件之間的相對(duì)移動(dòng)，以對(duì)零部件進(jìn)行全面清洗，單位時(shí)間的清洗效率會(huì)低于浸泡式的清洗技術(shù)。在相同的清洗壓力下，濕噴丸相比于高壓水射流清洗來(lái)說(shuō)，由于磨料的參與，磨料對(duì)油漆的沖擊、切削等能力遠(yuǎn)高于水射流的水楔作用，清洗效率遠(yuǎn)高于高壓水射流。高壓水射流由于噴嘴尺寸的不同而有不同的清洗寬度，常用直徑為6 mm 的噴嘴，其清洗寬度能夠保持在30～40 mm 左右，而激光清洗時(shí)的掃描寬度有一定的限制，其寬度一般在20 mm以內(nèi)，兩者以相同的移動(dòng)速度進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)，清洗寬度的差別使高壓水射流的效率明顯高于激光清洗。最后是以CO2為清洗介質(zhì)的超臨界CO2清洗和干冰清洗技術(shù)，兩者均適用于精密儀器表面污垢的清洗，其清洗強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其他幾種清洗技術(shù)，在清洗大型零部件方面的應(yīng)用較少，兩者相比，浸泡式的超臨界CO2清洗技術(shù)在單位時(shí)間內(nèi)的清洗效率略高于移動(dòng)式的干冰清洗技術(shù)。

3 總結(jié)與展望

油漆是進(jìn)行再制造清洗時(shí)必需清洗的污垢類型，本文基于油漆的物化性質(zhì)，對(duì)現(xiàn)有油漆清洗技術(shù)的清洗機(jī)理及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析、總結(jié)，并從效率方面對(duì)各種清洗技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的對(duì)比分析，旨在為使用者在進(jìn)行清洗技術(shù)的選擇時(shí)提供便利，并為新型清洗技術(shù)的開發(fā)和創(chuàng)造提供思路和參考，進(jìn)一步發(fā)展油漆清洗技術(shù)。

目前，再制造清洗領(lǐng)域的主要清洗對(duì)象可大致分為以下三類：結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件、中大型零部件以及精密儀器零部件。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，常用的清洗技術(shù)主要有熔鹽清洗、高壓水射流清洗和超聲波清洗，其主要特點(diǎn)是利用液體的流動(dòng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)溝槽、孔洞等的清洗。對(duì)于中大型零部件，常用的清洗技術(shù)主要有熔鹽清洗、激光清洗、高壓水射流清洗、濕噴丸清洗以及超聲波清洗，其特點(diǎn)主要是清洗時(shí)不受空間限制，熔鹽和超聲波具有足夠容納中大型零部件的清洗儀器，而其他三種技術(shù)能夠在清洗過(guò)程中實(shí)現(xiàn)空間的移動(dòng)，對(duì)零部件進(jìn)行全方位的清洗。對(duì)于精密儀器零部件（如硅片），常用的清洗技術(shù)主要有干冰清洗和超臨界CO2清洗，其特點(diǎn)是對(duì)基體損傷小，甚至可實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷。干冰顆粒硬度低，主要是利用其極大溫差的特點(diǎn)使污垢脆化破碎，而超臨界CO2則是利用流體獨(dú)特的滲透和溶解性去除污垢，且兩者的清洗設(shè)備昂貴，耗能高，用于其他場(chǎng)合會(huì)增加再制造成本。各種清洗技術(shù)在進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)有各自的局限性，需進(jìn)一步改進(jìn)。

針對(duì)現(xiàn)有油漆清洗技術(shù)存在的問題，對(duì)于清洗技術(shù)的未來(lái)發(fā)展和技術(shù)改進(jìn)可以從綠色化、復(fù)合化和智能化方面來(lái)考慮：

1）綠色化。對(duì)各種清洗技術(shù)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在保證清洗質(zhì)量和效率的前提下，使各清洗技術(shù)在高效清洗污垢過(guò)程中，能源消耗最小，對(duì)環(huán)境污染最小，甚至不污染環(huán)境。例如在熔鹽清洗時(shí)，通過(guò)對(duì)熔鹽配方中成分的改進(jìn)優(yōu)化，使用綠色無(wú)污染的熔鹽成分，減小污染性物質(zhì)的產(chǎn)生，甚至不產(chǎn)生污染物。對(duì)清洗過(guò)程中不可避免產(chǎn)生的廢氣、廢渣等物質(zhì)，按照國(guó)家相關(guān)規(guī)定對(duì)其進(jìn)行無(wú)害化處理，降低對(duì)環(huán)境的污染。在清洗完成后，可對(duì)部分可回收物質(zhì)進(jìn)行回收處理，達(dá)到節(jié)約資源的目的，如濕噴丸清洗后的磨料顆粒，經(jīng)過(guò)過(guò)濾、篩選、干燥等工序，實(shí)現(xiàn)磨料的循環(huán)利用，降低經(jīng)濟(jì)成本。

2）復(fù)合化。分析各清洗技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮兩種及以上清洗技術(shù)復(fù)合的可能性，使復(fù)合后的清洗技術(shù)能夠最大程度地發(fā)揮各種清洗技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，或者能夠規(guī)避某一清洗技術(shù)的劣勢(shì)，從不同的角度達(dá)到優(yōu)化清洗環(huán)境、提高清洗效果的目的。如將熔鹽清洗和超聲清洗技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，利用超聲振子產(chǎn)生的高頻震蕩波，使熔鹽在清洗場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)，提高反應(yīng)離子的交換速率，從而提高清洗速率。超臨界CO2與濕噴丸清洗技術(shù)進(jìn)行復(fù)合[9]，通過(guò)超臨界CO2的預(yù)處理，使污垢表面疏松而更容易去除，從而較小的濕噴丸清洗壓力就可實(shí)現(xiàn)對(duì)污垢的清洗，提高效率的同時(shí)，避免了高壓對(duì)基體的損傷。分析清洗介質(zhì)的成分，基于該技術(shù)清洗時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，開發(fā)新型清洗技術(shù)，如超臨界CO2的清洗強(qiáng)度偏低，在保證相似清洗機(jī)理的條件下，向超臨界CO2中增加某些成分，起到類似于活化劑、催化劑的作用，提高超臨界CO2反應(yīng)速率，從而提高清洗效率。

3）智能化。搭建多自由度、高自動(dòng)化的智能清洗平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗過(guò)程，減少人為因素對(duì)清洗效果的影響，同時(shí)也能降低有害物質(zhì)對(duì)人的健康和安全造成的威脅，并可對(duì)整個(gè)清洗過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲得全面的清洗數(shù)據(jù)。通過(guò)大數(shù)據(jù)和人工智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)清洗參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，達(dá)到最優(yōu)清洗效果。