在工業(yè)粉末涂料的固化過程中，“干等著油漆晾干”的情況已經(jīng)不復(fù)存在，因為人們可以采用一種高速固化的替代方法——激光。

長期以來，激光被用作精密金屬切割和焊接的首選工業(yè)工具。在粉末噴涂作業(yè)中，激光展現(xiàn)了相似的效率提升優(yōu)勢，即激光固化速度快、控制精確，固化效率非凡，從而降低能耗。大約970 nm的紅外激光器是完成粉末涂層固化的理想選擇，同時它也是半導(dǎo)體激光器，因為它們的單位功率成本最低，同時電能轉(zhuǎn)換效率最高。其紅外輻射能穿透涂層表面以下數(shù)微米，在很多方面優(yōu)于對流爐。

首先，體積加熱將能量迅速傳遞到粉末涂層中，原理等同于微波爐由內(nèi)向外烹飪以加速食物制備。其次，加熱底層基材時，能量浪費極少。若是將涂料噴涂到聚合物或木材等對溫度敏感材料上，這一點至關(guān)重要。第三，激光方向高度可控，可以保證只照射噴涂區(qū)域。最后，由于大部分輸入熱量仍留在涂層中，部件通常只需幾秒鐘而不是幾分鐘即可冷卻。通過紅外攝像機觀察到，涂層在激光器開啟后不到10 s就發(fā)生膠凝，45 s后完全固化，如圖1所示。

圖1 紅外攝像機觀察到的激光固化涂層

按需加熱

激光固化能降低運營成本，減少對環(huán)境的影響。激光加熱器僅在加工零件時消耗能量；批次之間沒有空轉(zhuǎn)，因為激光器能夠在毫秒內(nèi)以全強度開啟，同時又能像燈開關(guān)一樣立即關(guān)閉。不存在因加熱烘箱壁、外殼內(nèi)空氣或者工廠地板而浪費能量的情況。激光束向外擴展而非聚焦，因此對眼睛的安全要求沒有激光切割和焊接那么嚴(yán)格。

通常，高速激光固化工藝所需的工廠占地面積更小，體現(xiàn)在烘箱長度更短，或者脫機固化和冷卻區(qū)域減少或取消。 通過激光固化的粉末涂層部件通過了交叉影線、耐溶劑和耐沖擊等ASTM標(biāo)準(zhǔn)試驗，試驗結(jié)果優(yōu)異。從業(yè)人員發(fā)現(xiàn)，激光固化粉末涂層與經(jīng)常規(guī)對流烘箱或紅外燈工藝固化的粉末涂層沒有區(qū)別。這并不奇怪，因為激光加熱器產(chǎn)生相當(dāng)?shù)牟ㄩL，所以固化機制與紅外輻射燈工藝類似。 

雖然紅外輻射燈和激光器具有相同的積極屬性，如高速紅外光固化和快速開啟，但是激光器還具備操作成本優(yōu)勢。激光輻射方向高度可控，確保90％的光能夠助力粉末涂層固化。此外，紅外燈一經(jīng)啟用就開始退化，在全天候利用率下，1~2年后即需更換，而半導(dǎo)體激光器的使用壽命非常長。

注重過程控制

激光固化的優(yōu)點還包括優(yōu)越的過程控制和終點檢測。室溫激光器外殼支持計量功能，有助于精確控制固化溫度和周期時間。常規(guī)烘箱中或紅外燈發(fā)射期間并非不能啟用紅外溫度傳感器，但難度極大。

激光通過控制回路，在幾秒鐘內(nèi)使粉末涂層膠凝，且激光不會照射超過標(biāo)記的部位。過程數(shù)據(jù)可存檔，用于質(zhì)量控制?？梢愿鶕?jù)需要存儲和修改作業(yè)文件。操作員可通過可見光攝像機觀察完全固化部件的光潔度。無需像傳統(tǒng)固化方法那樣為了良好的測量結(jié)果，還要進行額外的加熱和處理。

對于表面平坦的部件，激光是其高產(chǎn)量加工的理想選擇。輕型投影頭可以安裝在機械臂上，也可以安在龍門架上，可擺動。通常涂覆的部件在固定激光頭下方通過。激光高速固化可消除固化瓶頸，實現(xiàn)連續(xù)流動部件生產(chǎn)。激光向外投射，而非聚焦，因此固化質(zhì)量不受部件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響。

激光固化也可以在無法直接目視目標(biāo)的情況下進行。實驗室里用于粉末涂層固化工藝的激光加熱器（來自IPG）見圖2，其頂部激光照射首先加熱上表面，通過光亮飾面可以明顯發(fā)現(xiàn)這一點。最終，整個部件達(dá)到固化溫度，使無法目視的區(qū)域完全固化。背面區(qū)域的固化通過純加熱進行，類似于對流烘箱工藝，但由于激光的直接加熱性質(zhì)，所需的時間更短。

圖2 IPG實驗室用于粉末涂層固化工藝的激光加熱器

激光頭位于外殼中，因為沒有熱量需要控制，外殼一般敞開。投影頭的特寫鏡頭展示了正后方的紅外測量攝影機（見圖2中小圖）。樣品放置在不銹鋼底板上，其中水冷鋼底板上130 cm×30 cm的表面受到均勻照射，見圖3。

圖3 激光固化樣品放置示意

激光固化與傳統(tǒng)固化的比較

固化中的管道配件如圖4所示。

圖4 固化中的管道配件

激光固化與傳統(tǒng)固化的比較見表1所列。

表1  激光固化與傳統(tǒng)固化的比較

激光固化所需的前期資本投資并非適用于所有粉末噴涂廠家。在以前，激光加熱器的投資可能比類似的燃?xì)庀涫胶嫦涓?倍，或者說是安裝紅外燈的2倍。以產(chǎn)量為重的廠家采用激光固化，因產(chǎn)能提升、運營費用降低和工廠占地面積減少而獲益，因此能夠快速收回成本。上面總結(jié)了激光器、紅外燈和燃?xì)鈱α骱嫦涔袒g的比較。

對產(chǎn)量要求低一些的粉末噴涂廠家可能會放棄嘗試激光，就像較小的車間傾向于慢慢采用現(xiàn)在無處不在的激光切割和激光焊接工藝。激光已經(jīng)從詹姆斯·邦德的電影走出，慢慢走進車間，用于切割、焊接和清潔，現(xiàn)在還用作一種令人嘆服的固化工藝。采用激光固化的大型粉末涂覆廠家可以期望更高的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，受益于嚴(yán)格的過程控制，騰出寶貴的車間空間，同時還降低能耗。