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引言

近幾年，激光清洗成為了工業(yè)制造領域的研究熱點之一，研究內(nèi)容涵蓋工藝、理論、裝備及應用。在工業(yè)應用領域，激光清洗技術已能可靠地清洗大量不同的基材表面，清洗對象包括鋼、鋁合金、鈦合金、玻璃和復合材料等，應用行業(yè)覆蓋航天、航空、船舶、高鐵、汽車、模具、核電和海洋等領域。

激光清洗技術，最早可追溯到20世紀60年代，具有清洗效果佳、應用范圍廣、精度高、非接觸式和可達性好等優(yōu)勢。在工業(yè)制造、生產(chǎn)和維修等領域具有廣泛的應用前景，有望部分或完全替代傳統(tǒng)清洗方法，成為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色清洗技術。

激光清洗方法

激光清洗過程十分復雜，涉及材料去除機理的種類繁多，對于某一種激光清洗方法，清洗過程中可能同時存在多種機理，這主要歸因于激光與材料之間的相互作用，包括材料表面發(fā)生的燒蝕、分解、電離、降解、熔化、燃燒、氣化、振動、飛濺、膨脹、收縮、爆炸、剝離、脫落等物理化學變化過程。

目前，典型的激光清洗方法主要有三種：激光燒蝕清洗、液膜輔助激光清洗和激光沖擊波式清洗方法。

（1）激光燒蝕清洗方法

方法機理主要有熱膨脹、氣化、燒蝕和相爆炸等。激光直接作用于基材表面待去除的材料上，環(huán)境條件可以為空氣、稀有氣體或真空。操作條件簡單，使用最為廣泛，可去除各種涂層、油漆、顆?；蛭畚铩?/span>

圖1 激光燒蝕清洗方法的工藝示意圖

當激光輻照在材料表面時，基體和清洗物均先發(fā)生熱膨脹。隨著激光與清洗物相互作用時間的增加，如果溫度低于清洗物的氣化閾值，則清洗物僅發(fā)生物理變化過程，清洗物與基體熱膨脹系數(shù)之間的差異導致界面處產(chǎn)生壓力，清洗物發(fā)生屈曲、從基材表面撕開，裂紋產(chǎn)生，出現(xiàn)機械斷裂、振動破碎等現(xiàn)象，清洗物以噴射方式被去除或被剝離基材表面。

如果溫度高于清洗物的氣化閾值溫度，會出現(xiàn)兩種情況：1）清洗物的燒蝕閾值小于基材；2）清洗物的燒蝕閾值大于基材。

這兩種情況下清洗物均發(fā)生熔化、氣化和燒蝕等物理化學變化，清洗機制比較復雜，除了熱效應以外，還可能包括清洗物與基材之間的分子鍵斷裂、清洗物的分解或降解、相爆炸、清洗物氣化瞬間發(fā)生電離、產(chǎn)生等離子體等。

（2）液膜輔助激光清洗

方法機理主要有液膜沸騰氣化和振動等。使用時需要選擇合適的激光波長，在某種程度可彌補激光燒蝕清洗過程中沖擊壓力的不足，可用于去除一些比較難去除的清洗對象。

如圖2所示，將液膜(水、乙醇或其他液體)預先覆蓋在清洗物表面，然后用激光對其進行照射。液膜吸收激光能量致使液態(tài)介質(zhì)發(fā)生強力爆炸，爆炸的沸騰液體高速運動，將能量傳遞給表層清洗物，高瞬態(tài)的爆炸性力量足以去除表面污物以達到清洗目的。

圖2 液膜輔助式激光清洗的工藝示意圖

液膜輔助式激光清洗方法存在兩個缺點：

• 工藝麻煩，過程難以控制；

• 由于使用了液膜，清洗完后基材表面的化學成分容易改變，生成新物質(zhì)。

（3）激光沖擊波式清洗方法

工藝方式和機理與前兩者有很大的不同，機理主要為沖擊波力去除，清洗對象主要為微粒，主要用于去除微粒(亞微米級或納米級)。工藝要求非常嚴格，既要保證能夠電離空氣，又要使激光與基材之間保持合適的距離，以確保作用在微粒上的沖擊力足夠大。

激光沖擊波式清洗的工藝示意圖如圖3所示，激光以平行于基材表面的方向射出，與基材不發(fā)生接觸。移動工件或激光頭將激光焦點調(diào)整至微粒附近，激光輸出后，焦點處空氣會發(fā)生電離現(xiàn)象，產(chǎn)生沖擊波，沖擊波以圓球狀迅速膨脹擴大，并延伸至與微粒發(fā)生接觸。當沖擊波作用在微粒上的橫向分量的力矩大于縱向分量及微粒粘附力的力矩時，微粒發(fā)生滾動去除。

圖3 激光沖擊波式清洗的工藝示意圖

激光清洗技術

20世紀80年代，半導體行業(yè)的高速發(fā)展對硅晶元掩模表面的污染微粒的清洗技術提出了更高的要求，其關鍵點在于克服污染微顆粒與基材之間極大的吸附力，傳統(tǒng)的化學清洗、機械清洗、超聲清洗方法均無法滿足需求，而激光清洗可以解決此類污染問題，相關研究與應用得到迅速發(fā)展。

1987年，首次出現(xiàn)了關于激光清洗的專利申請。進入20世紀90年代后，Zapka等成功將激光清洗技術應用于半導體制造工藝，去除了掩模表面的微顆粒，實現(xiàn)了早期激光清洗技術在工業(yè)領域的應用。1995年，研究者使用2 kW的TEA-CO2激光器成功實現(xiàn)了飛機機身除漆的清洗。

進入21世紀后，隨著超短脈沖激光器的高速發(fā)展，國內(nèi)外對激光清洗技術的研究和應用逐步增多，重點集中在金屬材料表面，國外的典型應用有飛機機身脫漆、模具表面除油污、發(fā)動機內(nèi)部除積碳和焊前接頭的表面清理等。美國愛迪生焊接研究所激光清洗了FG16戰(zhàn)機，當激光功率為1 kW時，每分鐘的清洗體積為2.36 cm3。

值得一提的是，先進復合材料部件的激光脫漆研究與應用也是一大熱點。美國海軍HG53、HG56直升機的螺旋槳葉片和F16戰(zhàn)斗機的平尾等復合材料表面均已實現(xiàn)激光脫漆應用，而我國復合材料在飛機上的應用較晚，因此此類研究基本處于空白。

此外，利用激光清洗技術對CFRP復合材料膠接前接頭進行表面處理以提高接頭強度也是當前的研究重點之一。Adapt Laser公司給奧迪TT汽車生產(chǎn)線提供了光纖激光清洗裝備，以清洗輕質(zhì)鋁合金車門框表面的氧化膜。英國RollsＧRoyce公司用激光清洗了鈦合金航空發(fā)動機部件表面的氧化膜。

國內(nèi)學者在激光清洗領域開展研究的時間較晚，加上短脈沖激光器本身價格昂貴，需要更高的清洗效率才能在實際應用中取得較高價值，因此目前的相關應用極少。

近年來，國內(nèi)的一些高校、科研院所和企業(yè)陸續(xù)開展了激光清洗技術在工業(yè)領域的應用研究，并且進行了激光清洗裝備的制造。

哈爾濱工業(yè)大學開展了汽車熱成型鋼表面Al-Si涂層的去除、鋼鐵表面除銹、航天鋁合金及鈦合金焊前除氧化膜、鋁基復合材料表面除污物、陶瓷材料的清洗等研究。

中國工程物理研究院開展了對輪胎模具除脫模劑，飛機機翼和雷達罩(復合材料)及坦克裝甲脫漆，船用部件除銹等的研究。

上海臨仕激光科技有限公司開展了渦輪葉片、航天進氣道(鈦合金)及輕質(zhì)合金焊前的表面清洗工藝研究，并已開發(fā)出激光清洗裝備。

中國科學院沈陽自動化研究所開展了核電管道內(nèi)部污物的清洗工藝探索。

大族激光科技股份有限公司開展了去除行星輪架(鑄鋁)和從動錐齒輪表面的氧化物、銅件表面的氧化物、活塞表面的石墨以及鋸片表面的油漆的工藝探索。

蘇州大學開展了汽車蝸殼除銹、軌道養(yǎng)護除污物和絕緣瓷瓶除垢等方面的研究。

結(jié)束語

在理論與工藝方面，雖然國內(nèi)外在激光清洗的工藝研究方面均已開展了大量試驗，但是激光清洗的理論和機理研究尚不完善。盡管已建立了相關物理模型，但是這些模型仍然有很大局限性。在實際應用方面，國內(nèi)與國外的差距較大，這是因為國內(nèi)激光清洗工藝不夠成熟，設備限制了激光清洗效率和精度，尤其是我國無法自主研發(fā)高功率短脈沖激光器，這是限制高效激光清洗成套裝備開發(fā)的一大瓶頸。激光清洗技術作為激光制造中的一種先進技術，在工業(yè)發(fā)展中的應用潛力巨大，大力發(fā)展激光清洗技術具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

本文改寫自《激光與光電子學進展》——“工業(yè)領域的激光清洗技術”一文