激光清洗技术发展与应用深度解析

激光清洗技术发展与应用深度解析世界上第1台激光器诞生于1960年由美国科学家西奥多哈罗德梅曼教授利用红宝石研发，从此开启了激光造福人类的大门。在接下来的时间里应用于各种领域的激光器相继诞生。激光技术的推广使得医疗、装备制造、精准测量和再制造工程等领域科技飞速发展加快了社会进步的步伐。

在清洗领域中激光的应用更是取得了重要成果。与传统的清洗方法相比如机械摩擦、化学腐蚀和高频超声等激光清洗可以实现全自动化运行其具有工作效率高、成本低、对环境无污染、对基材无损伤和材料的适用范围广等优点完全符合绿色、环保的加工理念是目前最可靠、有效的清洗方式。

清洗是对废旧机械零部件检测和加工的前提采用激光清洗技术可以有效地控制基体表面形貌和表面粗糙度实现基材清洗后性能的提升也可应用于大型零部件制造、表面处理或者再制造领域。虽然目前激光清洗还没有完全取代传统的清洗方式但随着国家对制造业节能、减排等环保意识的增强激光清洗将以它独特的优点逐渐走进人们的生活。

01激光清洗的原理

在20世纪80年代中期，Beklemyshev、Allrn等科学家针对实际工作需要将激光技术与清洗技术结合起来并进行了相关研究自此激光清洗（Laser Cleanning）这一技术理念诞生.众所周知污染物与基体之间的结合力分为共价键、双偶极子、毛细作用以及范德华力等作用力如能将此作用力克服或破坏那么就会达到脱污的效果。

激光清洗是利用激光光束具有大的能量密度、方向可控和汇聚能力强等特性，使污染物与基体之间的结合力受到破坏或者使污染物直接气化等方式进行脱污，降低污染物与基体的结合强度，进而达到清洗工件表面的作用。激光清洗原理图如图１所示。当工件表面污染物吸收激光的能量后，其快速气化或瞬间受热膨胀后克服污染物与基体表面之间的作用力，由于受热能量升高，污染物粒子进行振动后而从基体表面脱落。

整个激光清洗过程大致分为４个阶段，即激光气化分解、激光剥离、污染物粒子热膨胀、基体表面振动和污染物脱离。当然，在应用激光清洗技术时还要注意被清洗对象的激光清洗阈值，选择合适的激光波长，进而达到最佳的清洗效果。激光清洗能够在不损伤基体表面的前提下，使基材表面的晶粒结构和取向改变，并且还能够对基体表面粗糙度进行控制，从而增强基体表面的综合性能。清洗效果主要受光束特性、基底与污物材料的物性参数和污物对光束能量的吸收能力等因素影响。

目前，激光清洗技术包括干式激光清洗技术、湿式激光清洗技术和激光等离子体冲击波技术等３种清洗方式。

1干式激光清洗即脉冲激光直接照射清洗工件，使基底或表面污染物吸收能量温度升高，产生热膨胀或基底热振动，进而使二者分离。该方法大致分为2种情况：一种是表面污染物吸收激光膨胀；另一种是基底吸收激光产生热振动。

2湿式激光清洗是在脉冲激光照射待洗工件前，先进行表面预涂液膜，在激光的作用下液膜温度快速升高而气化，气化的瞬间产生冲击波，作用在污染物颗粒中，使其从基体上脱落。此方法要求基体与液膜不能发生反应，故限制了应用材料的范围。

3激光等离子体冲击波是在激光照射过程中击穿空气介质而产生球状等离子体冲击波，冲击波作用在待洗基体表面并且释放能量将污染物去除；激光未作用于基体，因此对基体不产生伤害。激光等离子体冲

击波清洗技术现已可以清洗几十纳米粒径的颗粒污染物，并且对激光波长没有限制。

在实际生产中，应根据需要具体选择不同的试验方法和相关参数，来获得优质的清洗工件。在激光清洗过程中，表面清洗效率与质量评定是确定激光清洗技术好坏的重要衡量标准。

02激光清洗的发展现状

自20世纪80年代中期激光清洗技术理念诞生后，激光清洗一直伴随着激光技术的进步而发展。20世纪70年代美国科学家J．Asums率先提出用激光清洗技术清洗雕塑、壁画等文物的观点，并且在实践中验证了激光清洗对保护文物具有重要作用。

国外从事激光清洗设备生产的企业主要有美国的Adapt Laser和Laser clean all公司、意大利的El En goup公司以及德国的Rofin公司等，其激光设备大多为大功率、高重复频率的激光器。如E.Y.Assendel'ft等1988年首次利用短波高脉冲能量的CO２激光器进行湿式清洗试验，脉宽100ns、单脉能量300mJ，当时在世界上占有领先地位。

国外激光技术的发展以1998年作为历史分界，主要分为2个阶段：1998年以前激光清洗刚刚兴起，相对来说投入的人力物力有限、发展较慢；从1998年至今，激光在清洗领域的发展突飞猛进。R.Rechner等利用激光清洗铝合金表面的氧化层，使用扫描电镜、能谱仪、紅外光谱和X射线光电子能谱分析等方法观察清洗前后的元素种类与含量的变化。还有学者将飞秒激光器应用到对历史文献、文件的清理和保存领域中，且具有高的清洗效率、小的变色效果和对纤维无任何损伤等优点。

我国激光清洗的研究起步相对较晚，早期也只有部分高校（如西安交通大学、大连理工大学和南开大学等）开展研究。2005年华中科技大学和中科院的相关学者就军用装备表面清洗做了研究，利用TEA CO2激光器对飞机表面进行脱漆。2007年南开大学的宋峰等开展调Q短脉冲激光除漆的理论研究。2008年青岛科技大学的周桂莲等开展了激光对模具表面清洗的温度场研究。南京理工大学的张平等利用激光等离子体冲击波对硅片表面进行了清洗。

还有2017年陆军装甲兵学院的学者们率先研制出国内首台“新型500W 高重频高能量激光清洗工程化设备”，打破了我国大功率激光清洗设备依赖进口的局面。我国学者王曼曼等研究了激光清洗与传统清洗方式的差异性，自主研发了手持式激光清洗系统，并应用Ezcad软件，结果发现，手持式激光清洗系统使用更便捷，不受工作环境的限制，对于一些比较大型的工件进行除锈会比台式的更加方便，应用领域更广阔。目前，我国虽然在激光清洗领域取得了一些进展，但激光器制造的核心零件还需进口，部分核心技术仍处于国际落后阶段；因此，加强开发我国激光清洗技术、在核心技术层面上革新是任重道远的，也是迫在眉睫的。

03激光清洗的应用

激光清洗在工业生产中作为加工的第1道工序，不仅可以有效除锈、除污，还可以使基体表面发生化学反应，生成一层保护层防止基体重新生锈，提高其抗蚀能力。目前，激光清洗技术已应用到军工、工业生产、微电子、文物保护和医疗等各个领域。