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發(fā)布時(shí)間：2020-04-07 來(lái)源：元祿光電
世界上第1臺(tái)激光器誕生于1960年由美國(guó)科學(xué)家西奧多哈羅德梅曼教授利用紅寶石研發(fā)，從此開啟了激光造福人類的大門。在接下來(lái)的時(shí)間里應(yīng)用于各種領(lǐng)域的激光器相繼誕生。激光技術(shù)的推廣使得醫(yī)療、裝備制造、精準(zhǔn)測(cè)量和再制造工程等領(lǐng)域科技飛速發(fā)展加快了社會(huì)進(jìn)步的步伐。
在清洗領(lǐng)域中激光的應(yīng)用更是取得了重要成果。與傳統(tǒng)的清洗方法相比如機(jī)械摩擦、化學(xué)腐蝕和高頻超聲等激光清洗可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化運(yùn)行其具有工作效率高、成本低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、對(duì)基材無(wú)損傷和材料的適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)完全符合綠色、環(huán)保的加工理念是目前最可靠、有效的清洗方式。
清洗是對(duì)廢舊機(jī)械零部件檢測(cè)和加工的前提采用激光清洗技術(shù)可以有效地控制基體表面形貌和表面粗糙度實(shí)現(xiàn)基材清洗后性能的提升也可應(yīng)用于大型零部件制造、表面處理或者再制造領(lǐng)域。雖然目前激光清洗還沒有完全取代傳統(tǒng)的清洗方式但隨著國(guó)家對(duì)制造業(yè)節(jié)能、減排等環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)激光清洗將以它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)逐漸走進(jìn)人們的生活。
01激光清洗的原理
在20世紀(jì)80年代中期，Beklemyshev、Allrn等科學(xué)家針對(duì)實(shí)際工作需要將激光技術(shù)與清洗技術(shù)結(jié)合起來(lái)并進(jìn)行了相關(guān)研究自此激光清洗（Laser Cleanning）這一技術(shù)理念誕生.眾所周知污染物與基體之間的結(jié)合力分為共價(jià)鍵、雙偶極子、毛細(xì)作用以及范德華力等作用力如能將此作用力克服或破壞那么就會(huì)達(dá)到脫污的效果。
激光清洗是利用激光光束具有大的能量密度、方向可控和匯聚能力強(qiáng)等特性，使污染物與基體之間的結(jié)合力受到破壞或者使污染物直接氣化等方式進(jìn)行脫污，降低污染物與基體的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到清洗工件表面的作用。激光清洗原理圖如圖１所示。當(dāng)工件表面污染物吸收激光的能量后，其快速氣化或瞬間受熱膨脹后克服污染物與基體表面之間的作用力，由于受熱能量升高，污染物粒子進(jìn)行振動(dòng)后而從基體表面脫落。
整個(gè)激光清洗過(guò)程大致分為４個(gè)階段，即激光氣化分解、激光剝離、污染物粒子熱膨脹、基體表面振動(dòng)和污染物脫離。當(dāng)然，在應(yīng)用激光清洗技術(shù)時(shí)還要注意被清洗對(duì)象的激光清洗閾值，選擇合適的激光波長(zhǎng)，進(jìn)而達(dá)到最佳的清洗效果。激光清洗能夠在不損傷基體表面的前提下，使基材表面的晶粒結(jié)構(gòu)和取向改變，并且還能夠?qū)w表面粗糙度進(jìn)行控制，從而增強(qiáng)基體表面的綜合性能。清洗效果主要受光束特性、基底與污物材料的物性參數(shù)和污物對(duì)光束能量的吸收能力等因素影響。
目前，激光清洗技術(shù)包括干式激光清洗技術(shù)、濕式激光清洗技術(shù)和激光等離子體沖擊波技術(shù)等３種清洗方式。
1干式激光清洗即脈沖激光直接照射清洗工件，使基底或表面污染物吸收能量溫度升高，產(chǎn)生熱膨脹或基底熱振動(dòng)，進(jìn)而使二者分離。該方法大致分為2種情況：一種是表面污染物吸收激光膨脹；另一種是基底吸收激光產(chǎn)生熱振動(dòng)。2濕式激光清洗是在脈沖激光照射待洗工件前，先進(jìn)行表面預(yù)涂液膜，在激光的作用下液膜溫度快速升高而氣化，氣化的瞬間產(chǎn)生沖擊波，作用在污染物顆粒中，使其從基體上脫落。此方法要求基體與液膜不能發(fā)生反應(yīng)，故限制了應(yīng)用材料的范圍。3激光等離子體沖擊波是在激光照射過(guò)程中擊穿空氣介質(zhì)而產(chǎn)生球狀等離子體沖擊波，沖擊波作用在待洗基體表面并且釋放能量將污染物去除；激光未作用于基體，因此對(duì)基體不產(chǎn)生傷害。激光等離子體沖擊波清洗技術(shù)現(xiàn)已可以清洗幾十納米粒徑的顆粒污染物，并且對(duì)激光波長(zhǎng)沒有限制。
在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)需要具體選擇不同的試驗(yàn)方法和相關(guān)參數(shù)，來(lái)獲得優(yōu)質(zhì)的清洗工件。在激光清洗過(guò)程中，表面清洗效率與質(zhì)量評(píng)定是確定激光清洗技術(shù)好壞的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。
02激光清洗的發(fā)展現(xiàn)狀
自20世紀(jì)80年代中期激光清洗技術(shù)理念誕生后，激光清洗一直伴隨著激光技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。20世紀(jì)70年代美國(guó)科學(xué)家J．Asums率先提出用激光清洗技術(shù)清洗雕塑、壁畫等文物的觀點(diǎn)，并且在實(shí)踐中驗(yàn)證了激光清洗對(duì)保護(hù)文物具有重要作用。
國(guó)外從事激光清洗設(shè)備生產(chǎn)的企業(yè)主要有美國(guó)的Adapt Laser和Laser clean all公司、意大利的El En goup公司以及德國(guó)的Rofin公司等，其激光設(shè)備大多為大功率、高重復(fù)頻率的激光器。如E.Y.Assendel'ft等1988年首次利用短波高脈沖能量的CO２激光器進(jìn)行濕式清洗試驗(yàn)，脈寬100ns、單脈能量300mJ，當(dāng)時(shí)在世界上占有領(lǐng)先地位。
國(guó)外激光技術(shù)的發(fā)展以1998年作為歷史分界，主要分為2個(gè)階段：1998年以前激光清洗剛剛興起，相對(duì)來(lái)說(shuō)投入的人力物力有限、發(fā)展較慢；從1998年至今，激光在清洗領(lǐng)域的發(fā)展突飛猛進(jìn)。R.Rechner等利用激光清洗鋁合金表面的氧化層，使用掃描電鏡、能譜儀、紅外光譜和X射線光電子能譜分析等方法觀察清洗前后的元素種類與含量的變化。還有學(xué)者將飛秒激光器應(yīng)用到對(duì)歷史文獻(xiàn)、文件的清理和保存領(lǐng)域中，且具有高的清洗效率、小的變色效果和對(duì)纖維無(wú)任何損傷等優(yōu)點(diǎn)。
我國(guó)激光清洗的研究起步相對(duì)較晚，早期也只有部分高校（如西安交通大學(xué)、大連理工大學(xué)和南開大學(xué)等）開展研究。2005年華中科技大學(xué)和中科院的相關(guān)學(xué)者就軍用裝備表面清洗做了研究，利用TEA CO2激光器對(duì)飛機(jī)表面進(jìn)行脫漆。2007年南開大學(xué)的宋峰等開展調(diào)Q短脈沖激光除漆的理論研究。2008年青島科技大學(xué)的周桂蓮等開展了激光對(duì)模具表面清洗的溫度場(chǎng)研究。南京理工大學(xué)的張平等利用激光等離子體沖擊波對(duì)硅片表面進(jìn)行了清洗。
還有2017年陸軍裝甲兵學(xué)院的學(xué)者們率先研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)“新型500W高重頻高能量激光清洗工程化設(shè)備”，打破了我國(guó)大功率激光清洗設(shè)備依賴進(jìn)口的局面。我國(guó)學(xué)者王曼曼等研究了激光清洗與傳統(tǒng)清洗方式的差異性，自主研發(fā)了手持式激光清洗系統(tǒng)，并應(yīng)用Ezcad軟件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，手持式激光清洗系統(tǒng)使用更便捷，不受工作環(huán)境的限制，對(duì)于一些比較大型的工件進(jìn)行除銹會(huì)比臺(tái)式的更加方便，應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。目前，我國(guó)雖然在激光清洗領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，但激光器制造的核心零件還需進(jìn)口，部分核心技術(shù)仍處于國(guó)際落后階段；因此，加強(qiáng)開發(fā)我國(guó)激光清洗技術(shù)、在核心技術(shù)層面上革新是任重道遠(yuǎn)的，也是迫在眉睫的。
03激光清洗的應(yīng)用
激光清洗在工業(yè)生產(chǎn)中作為加工的第1道工序，不僅可以有效除銹、除污，還可以使基體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一層保護(hù)層防止基體重新生銹，提高其抗蝕能力。目前，激光清洗技術(shù)已應(yīng)用到軍工、工業(yè)生產(chǎn)、微電子、文物保護(hù)和醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。
3.1在軍工領(lǐng)域中的應(yīng)用
在軍工領(lǐng)域中，最早美國(guó)科學(xué)家提出利用激光對(duì)軍用飛機(jī)進(jìn)行脫漆，并作了相關(guān)研究，但由于當(dāng)時(shí)激光器設(shè)備昂貴且大而笨重，故只停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，此后隨著激光設(shè)備的進(jìn)步與完善，為激光清洗提供了便利。
我國(guó)羅紅心等利用連續(xù)CO２激光器對(duì)飛機(jī)蒙皮模擬試樣進(jìn)行脫漆，激光功率為30W/mm２以400mm/min的掃描速度可一次將蒙皮舊漆除掉，且對(duì)基體無(wú)損傷。鄭光等在前人的基礎(chǔ)上對(duì)TEA CO２激光飛機(jī)蒙皮脫漆后進(jìn)行一系列性能測(cè)試，結(jié)果表明，脫漆后的飛機(jī)蒙皮抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度以及維氏硬度等與基體相比均無(wú)變化，耐蝕性能有所上升；在不引起靶面氣體擊穿的前提下，激光的能量密度越高，脈寬越窄，越有利于脫漆。目前，厚度為1mm、面積為36m2的舊漆層利用激光清洗可在1h內(nèi)完全脫掉，在48h內(nèi)可完成1架波音 737飛機(jī)的蒙皮脫漆。以上足以說(shuō)明，激光清洗技術(shù)在飛機(jī)蒙皮脫漆處理上的應(yīng)用具有里程碑式意義。
在其他軍用裝備上激光清洗也發(fā)揮了巨大的作用。侯素霞等利用CO2激光器清洗軍用裝備表面霉菌，根據(jù)激光照射過(guò)程中使菌體燃燒或微量爆炸而氣化分解的原理，研制出了軍用小型激光清洗設(shè)備，有效地防止了霉菌對(duì)武器裝備的腐蝕和氧化，消除了菌絲形成的生物電橋?qū)υO(shè)備電路的影響，大大減少了武器裝備清洗的人力、物力。宋桂飛等針對(duì)彈藥修理面臨的除銹除漆技術(shù)難題，利用20W光纖激光器對(duì)彈藥開展了除銹除漆試驗(yàn)，結(jié)果表明, 激光輻照掃描的部位銹蝕、殘余油漆均被清除，并露出基體材料的金屬光澤，且基體組織均勻、無(wú)損傷; 材料的表面溫度幾乎沒有變化，表明激光用于危爆裝置表面處理，不會(huì)因熱效應(yīng)而發(fā)生燃爆，只需要處理好激光特征參數(shù)與表面處理質(zhì)量、作業(yè)效率的關(guān)系。
在軍用裝備的維護(hù)與制造中激光清洗可提升裝備維修的效率，減少武器彈藥表面的氧化，為軍用裝備、軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力提供有力保障。
3.2在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間服役，零部件表面積累了大量油污、廢舊漆層、銹蝕和積碳等污染層。利用TEA CO2激光器清洗工業(yè)設(shè)備上長(zhǎng)期服役的鐵釘后，利用SEM檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，鐵釘上原有的鍍鋅鍍層完好無(wú)損，只是將表面的油污等污染層清除。
Y.C.Guan等采用脈沖 Nd：YAG 激光器（為1064nm）對(duì)柴油機(jī)活塞的碳質(zhì)沉淀物進(jìn)行了清洗，后經(jīng) XPS 和 SEM/EDX 等檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)基體表面的 Fe3C被完全清除，羧酸鹽也顯著減少。羅雅等根據(jù)焊接工藝需要，對(duì)焊前 TC11鈦合金進(jìn)行激光清洗的前處理，并研究激光清洗對(duì)焊接性能的影響，試驗(yàn)采POWERLASE Rigel i400的納秒脈沖固體激光器，清洗功率為150W，線光斑長(zhǎng)25mm，掃描速率為10mm/s，并使用氬氣保護(hù)，對(duì)清洗試件和未清洗試件分別進(jìn)行真空電子束焊接并分析測(cè)試，結(jié)果表明，激光清洗后可以完全清除鈦合金表面的氧化膜和污染物，且焊縫質(zhì)量為一級(jí)，內(nèi)部無(wú)焊接缺陷產(chǎn)生，可見激光清洗技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的焊前試樣處理方法，可以有效地改善焊接質(zhì)量。
N.Maharjan等學(xué)者利用波長(zhǎng)790nm、130fs脈沖、功率1.5W的飛秒激光器清洗航空零部件，可有效地去除表面污染物，經(jīng)測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，清洗后表面氧含量顯著下降，在適當(dāng)?shù)募す鈪?shù)下，將飛秒激光應(yīng)用于清洗技術(shù)中可提高清洗效率。倪加明等利用激光清洗技術(shù)對(duì)鋁合金陽(yáng)極氧化膜進(jìn)行局部激光清洗，并將清洗后的焊接試板進(jìn)行對(duì)接焊接，通過(guò)X射線檢測(cè)以評(píng)定焊縫質(zhì)量，采用金相組織進(jìn)行觀察和分析，通過(guò)常溫拉伸試驗(yàn)測(cè)試去除氧化膜對(duì)焊縫性能的影響，結(jié)果表明，陽(yáng)極氧化膜被徹底清洗干凈，經(jīng)激光清洗的鋁合金接頭抗拉強(qiáng)度為298~303MPa，拉伸斷裂延伸率為6.2%~6.5%，激光清理焊縫與機(jī)械刮削焊縫的性能范圍一致，焊接過(guò)程中焊接熔池干凈，焊縫無(wú)聚集狀氣孔、雜質(zhì)等內(nèi)部缺陷，大大提升了鋁合金的焊接性。
S.Genna等利用激光清洗技術(shù)對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）表面進(jìn)行清洗，探究了碳纖維布的激光輔助連接（LAJ）的預(yù)處理工藝，利用 Yb：YAG 纖維激光器，功率為30W，結(jié)果表明，激光清洗作為預(yù)處理使接頭強(qiáng)度顯著增加，其他參數(shù)最優(yōu)情況下，強(qiáng)度是樣本的2倍；激光清洗可從層壓板中去除第1個(gè)環(huán)氧基層，這對(duì)改善連接形態(tài)極為有利。喬玉林等利用波長(zhǎng)為1064nm的高重頻高能量激光對(duì)鈦合金表面積碳進(jìn)行了激光清洗試驗(yàn)，并分析了清洗速度對(duì)激光清洗鈦合金積碳表面的形貌和組成的影響，結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為500W、脈沖寬度為20ns、頻率為18kHz、掃描寬度為5cm時(shí)，清洗速度為7cm2/s的清洗效果最佳，質(zhì)量最好；若清洗速度過(guò)小，鈦合金表面會(huì)出現(xiàn)光斑痕跡，光斑中心會(huì)有部分微熔。
激光清洗技術(shù)在橡膠生產(chǎn)行業(yè)同樣有著不可替代的作用，輪胎模具由于長(zhǎng)時(shí)間的服役，表面沉積了大量污染物，對(duì)生產(chǎn)精度產(chǎn)生了巨大影響，利用激光技術(shù)可以對(duì)輪胎模具表面（見圖２）進(jìn)行“綠色”清洗。
激光清洗技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用，使除積碳效果和焊接工藝質(zhì)量得到大幅度的提升，可對(duì)不同的基材表面進(jìn)行高效積碳清洗，減少焊接缺陷，提升材料的焊接性；同時(shí)還可節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。
3.3在其他領(lǐng)域的應(yīng)用
在微電子加工、文物保護(hù)和醫(yī)療等其他領(lǐng)域，激光清洗技術(shù)的應(yīng)用也取得了很大進(jìn)展。聚酰亞胺是電子元器件封裝薄膜內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料，利用波長(zhǎng)為248和193nm的準(zhǔn)分子激光可以有效地剝離有機(jī)聚合物，防止Pd和TiCrW等對(duì)聚酰亞胺的污染。在電路板清洗方面，被廣泛應(yīng)用的是KrF激光器，其脈沖能量為300mJ、脈寬為20ns、頻率為1Hz，可清洗電路板表面的鈍化膜。
激光清洗文物、工藝品以及建筑物的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，在歐洲人們已經(jīng)清洗了各種建筑，如波蘭的烈士墓、倫敦的西行政宮等。采用KrF準(zhǔn)分子激光器，用波長(zhǎng)為1.06nm的激光可以有效地將石雕等工藝品（如石灰石、大理石和骨頭）的污垢清洗干凈，且對(duì)文物本身無(wú)損害。雖然激光清洗技術(shù)應(yīng)用效果十分可靠，但激光并不是所有文物都可以清洗的，如彩色多樣的工藝品，由于不同的顏色對(duì)激光吸收色譜不同，導(dǎo)致吸收能量大小不一，故能量吸收高的部分會(huì)受到損傷。
在醫(yī)療上，激光清洗已被應(yīng)用在清洗紋身、紋眉領(lǐng)域中。以往利用化學(xué)藥物清洗或者進(jìn)行近一步紋涂掩蓋，不但不能完全清洗掉色素，還會(huì)留下疤痕，甚至危害健康；將激光作用于患處，利用激光傳遞的能量將色素顆粒快速擊碎，通過(guò)皮膚退皮以及細(xì)胞吞噬等代謝方式去除紋身色素，且激光清洗效果良好，并對(duì)患者的皮膚無(wú)傷害。
還有學(xué)者將激光清洗技術(shù)與食品工業(yè)相結(jié)合，利用YAG納秒脈沖激光器，在不同的加工條件下，將304不銹鋼板上的食品加工殘留物清洗干凈。
T.Uthaijunyawong等通過(guò)使用合適功率(12W)的激光，可以在不損壞底物表面的情況下對(duì)食品用具進(jìn)行清洗，獲得了17%的清潔面積，通過(guò)GC/MS/SIM技術(shù)定量分析了激光清洗前后的16種多環(huán)芳烴（PAHs）煙熏腌泡汁中產(chǎn)生的煙霧。試驗(yàn)表明，在激光排氣中，測(cè)試發(fā)現(xiàn)2-3環(huán)的多環(huán)芳烴約占全部多環(huán)芳烴的86%，總的PAH濃度數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世衛(wèi)組織中所規(guī)定的1ng/m3多環(huán)芳烴含量，因此在激光清洗時(shí)要安裝一個(gè)適當(dāng)?shù)某槲到y(tǒng)，以防止食品的二次多環(huán)芳烴污染。激光清洗食品用具過(guò)程可以縮短清洗時(shí)間，減少有毒廢物的使用，并在此過(guò)程中降低操作人員的職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。
04結(jié)語(yǔ)
目前，我國(guó)制造業(yè)大而不強(qiáng)，缺乏核心技術(shù)，在表面處理工藝領(lǐng)域尤為突出。現(xiàn)代智能制造的發(fā)展，需要表面處理技術(shù)作為基石，需要先進(jìn)的工藝方法實(shí)現(xiàn)填補(bǔ)和替代，這是我國(guó)制造業(yè)由大轉(zhuǎn)強(qiáng)過(guò)程中面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。
激光清洗技術(shù)作為現(xiàn)代綠色清洗技術(shù)，是新時(shí)代工業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物，具有省時(shí)、省力、對(duì)基材無(wú)損害以及對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全球清洗市場(chǎng)總額已達(dá)到5.89億美元，預(yù)計(jì)到2023年，這一數(shù)值將攀升至7.24億美元，可見引入激光清洗技術(shù)將會(huì)帶來(lái)極其可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
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