作者簡介

姚建銓 中國科學(xué)院院士 天津大學(xué)教授 激光與光電子研究所所長

中國是公認(rèn)的制造大國，也是全球最大的加工國家，工業(yè)體量也是世界第一。 隨著帶來環(huán)境的問題，改變一些生產(chǎn)工序上的工藝和升級更加環(huán)保的清洗工藝，就成為非常迫切與必要的任務(wù)，激光清洗/除銹就是一項非常有發(fā)揮潛力的選擇。

據(jù)市場調(diào)研報告顯示，2018年，全球激光清洗市場的規(guī)模將達(dá)到5.89億美元，到2023年這一數(shù)值預(yù)計將達(dá)到7.24億美元，2018年和2023年之間的復(fù)合年增長率（CAGR）為4.22％。在不少屬于國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)中使用激光清洗技術(shù)，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益是十分可觀的。利用我國現(xiàn)有的激光技術(shù)條件，開發(fā)配套的激光清洗設(shè)備，并使其在短時間內(nèi)實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化，是完全可能的，對推動高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展本身亦具有重要意義。

技術(shù)原理及優(yōu)勢

激光清洗是利用窄脈寬、高功率密度的激光作用于待清洗物表面，在快速光振動、氣化、分解和等離子體剝離等機(jī)理的共同作用下，使污染物脫離基底，實(shí)現(xiàn)表面清洗。

由于傳統(tǒng)的清洗方法已不能滿足高效低成本、無污染、無能耗的清洗要求，因此目前迫切需要一種新型的、綠色的清洗技術(shù)，而激光清洗則具備的優(yōu)勢使它成為最佳選擇：

1. 安全，對基底基本無損傷；
2. 環(huán)保，不產(chǎn)生二次污染，去除物質(zhì)可回收；
3. 精準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)微米級精度控制；
4. 低能耗，僅消耗電能；
5. 適用性和機(jī)動性強(qiáng)。

圖 傳統(tǒng)清洗方法

市場上的激光清洗機(jī)一般主要由激光器、光束傳輸整形單元、自動控制操作系統(tǒng)、清洗質(zhì)量檢測保護(hù)單元、位移平臺等組成。

圖 激光清洗機(jī)組成示意

眾多領(lǐng)域已應(yīng)用

激光清洗目前已應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，如下所示：

微電子領(lǐng)域：半導(dǎo)體元件、微電子器件、存儲器模板、硅模板等去除微粒以及元器件針腳去除氧化物；

文物保護(hù)：石雕、青銅器、玻璃、紙張、布面、皮質(zhì)、壁畫等；

模具清洗：橡膠模具、復(fù)合模具、金屬模具等；

表面處理：親水性處理、表面粗糙化、焊接前預(yù)處理；

其他：城市涂鴉、印刷滾筒、精密機(jī)械工業(yè)零件上潤滑油、建筑外墻、核管道等危險行業(yè)清洗。

未來激光清洗將更大范圍的應(yīng)用在大型裝備的除漆除銹，如飛機(jī)、艦船、武器裝備、橋梁、鐵塔等全自動化激光除漆、除銹系統(tǒng)；應(yīng)用在精密部件精確除漆如飛機(jī)零部件、電氣產(chǎn)品（代替刻蝕）等。

關(guān)鍵技術(shù)要知道

激光清洗用激光器

光束高效傳輸、高精度勻化整形、精準(zhǔn)聚焦掃描技術(shù)；光束長焦深、大有效清洗范圍、激光參量調(diào)節(jié)控制技術(shù)；快速、高效、基底無損傷清洗技術(shù)。

工藝

工藝技術(shù)：基底無損傷清洗

應(yīng)用對象：高鐵變流器柜

基底材質(zhì)：主流柜材質(zhì)鋁合金，輔助變流器為碳鋼

漆層：柜體表面底漆和面漆，總厚度0.1 mm

清洗部位：吊點(diǎn)、擋板

清洗要求：去除油漆、 無污物、基底材料無損傷

激光清洗能夠有效去除變流器柜體油漆，不損傷基底材料，清洗效果滿足要求。

分離

工藝技術(shù)：油漆分層剝離

應(yīng)用對象：高鐵車廂表面油漆

基底材質(zhì)：鋁合金

清洗要求：分層剝離表面清漆層，下層面漆層無損傷，不影響重新噴涂效果。

激光清洗能夠分層剝離高鐵車廂表面油漆，剝離前后油漆結(jié)合力和硬度無變化。

?不同物質(zhì)

工藝技術(shù)：不同種類污染物清洗

應(yīng)用對象：油漆、鐵銹、金屬表面氧化物清洗試驗(yàn)

清洗效果可達(dá)到GB8923-88《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》Sa2.5級~Sa3級

激光清洗技術(shù)還可利用高功率密度脈沖激光輻照材料表面產(chǎn)生微納米結(jié)構(gòu)，改變材料表面的物理、化學(xué)性質(zhì)，顯著提高材料表面對光的吸光率，產(chǎn)生黑化或拋光效果。材料表面激光黑化可用于光闌、光閘以及各類光吸收體的表面黑化工作，同時也可用于光伏產(chǎn)業(yè)等，如在硅片上制備精細(xì)陷光結(jié)構(gòu)，制備新一代太陽能電池。

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國外應(yīng)用歷史已久，應(yīng)用范圍廣泛

激光清洗技術(shù)研究起步于20世紀(jì)80年代中期，但直到20世紀(jì)90年代初期才真正步入工業(yè)生產(chǎn)中，在許多場合逐步取代傳統(tǒng)清洗方法。歐洲國家普遍保留了大量的歷史文物和古老建筑，許多教堂、城堡、大學(xué)、博物館、雕塑等均有數(shù)百年甚至千年歷史，歐洲人十分注重這些“古董”的保護(hù)和修復(fù)，自1990年代中已開始把激光清洗技術(shù)用于文物修復(fù)去污。

國外激光清洗的去污范圍非常廣泛，從厚銹層到激光表面微細(xì)顆粒都可以去除，已有近30年的使用經(jīng)驗(yàn)。

主要供應(yīng)商包括：P-laser，CleanLaser，Adapt Laser Systems，General Lasertronics，IPG等，目前歐美國家的激光清洗市場表現(xiàn)穩(wěn)定。

主要技術(shù)研究方向如下所示：

Wavelength、Power or energy、Repetition rate、Moving velocity、Focus、Other equipment、Procession technology、激光清洗最佳化、激光參數(shù)、清洗運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)、外界參數(shù)。

國內(nèi)設(shè)備公司取得增長，市場成長仍需時間

盡管自2016-2017年，激光清洗的工業(yè)應(yīng)用吸引了各行各業(yè)的普遍關(guān)注，然而市場的成長與用戶接受還需要一些時間，直至2017年底，預(yù)估全國有超過40家企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)從事激光清洗系統(tǒng)的研究與開發(fā)，總體激光清洗相關(guān)產(chǎn)品的營收不超過5億元。因?yàn)榧す馇逑吹墓I(yè)應(yīng)用在中國還是比較新，有些是初創(chuàng)企業(yè)，其業(yè)績還不到一千萬，而像大族激光、華工激光、銘鐳激光等兼做清洗設(shè)備的，可依靠原來積累的品牌影響贏得一些訂單。

據(jù)悉，進(jìn)入2018年各家激光清洗設(shè)備公司均取得了不錯的增長，保守估計上半年的銷售額比去年增長了超過60%。一部分原因是目前從事激光清洗設(shè)備的企業(yè)增加，各式機(jī)器層出不窮，價格也有一定下降，另外就是以往一些潛在用戶在觀望了解后，今年下決心采購用上激光清洗。

如今國內(nèi)從事激光清洗的科研機(jī)構(gòu)包括中國工程物理研究院激光聚變中心、解放軍裝甲兵工程學(xué)院再制造中心、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、江蘇大學(xué)、華中科技大學(xué)、南開大學(xué)等，相關(guān)激光器廠家主要有創(chuàng)鑫激光、銳科激光、海富光子、珠西激光、飛博激光、中科四象、國科激光等，而從事激光清洗設(shè)備開發(fā)的企業(yè)就更多了，大族激光智能裝備集團(tuán)、華工激光、銘鐳激光、帝耐激光、艾思蘭、紐芬奇機(jī)電、武鋼華工、嘉信激光、奧華激光、匯澤激光、瑞豐光電、翔明激光、三江航天激光研究院等，其中個別企業(yè)最高可以提供1000 W的清洗機(jī)。目前國內(nèi)提供激光清洗用的光纖激光器最高功率水平達(dá)到800 W，由海富光子生產(chǎn)，創(chuàng)鑫激光正在研發(fā)；而在1000 W功率水平則僅是IPG一家提供。

國內(nèi)的激光清洗發(fā)展受到環(huán)保需求和政策的驅(qū)動，目前仍存在以下問題：

1. 用于清洗的國產(chǎn)激光器技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化還落后國外廠家很多；
2. 激光清洗工藝應(yīng)用點(diǎn)很多，但沒有形成成熟的體系；
3. 還沒有具備指導(dǎo)性的檢測方法、儀器和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，由作者帶領(lǐng)的團(tuán)隊正集合國內(nèi)激光器生產(chǎn)企業(yè)、激光清洗技術(shù)研究所和高校、集成單位和應(yīng)用單位四類代表性組織，聯(lián)合成立專家委員會及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)籌備組，為激光清洗技術(shù)和產(chǎn)業(yè)指引方向。

由于脈沖光纖激光器的功率局限，更高功率的激光清洗應(yīng)用，目前則要用上固體激光器，英國的Powerlase公司可提供1600 W用于激光清洗的固體激光器。一些從事配套產(chǎn)品的企業(yè)也順勢推出了激光清洗頭，比如金海創(chuàng)科技。較早開發(fā)的激光清洗機(jī)主要是手持式的，但由于激光的高亮度和高能量，使用高功率的激光時采用手持式也許不太適合，一些企業(yè)逐漸研發(fā)出了機(jī)器人激光清洗系統(tǒng)，包括銘鐳、嘉信、匯澤幾家，實(shí)現(xiàn)了自動化清洗控制，大大提高了清洗效率和人的安全。

中國未來激光清洗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向

在國家項目上，圍繞軍民用飛機(jī)蒙皮除漆清洗的重大需求，攻克多組分材料逐層精密無損去除機(jī)理、工藝技術(shù)，突破激光清洗質(zhì)量控制及其成套裝備研發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大功率光纖激光清洗技術(shù)在軍民飛機(jī)蒙皮清洗領(lǐng)域的示范應(yīng)用，為激光清洗技術(shù)和裝備的輻射和推廣提供技術(shù)、硬件和實(shí)踐基礎(chǔ)。

未來國內(nèi)激光清洗產(chǎn)業(yè)將呈集群產(chǎn)業(yè)化的爆發(fā)式需求增長，具體表現(xiàn)在：傳統(tǒng)方法被快速替代；激光器技術(shù)突破性發(fā)展；產(chǎn)業(yè)集群的成本大幅降低；高效率、小型化、專業(yè)化發(fā)展，同時追求高效率、小型化和專業(yè)化。

關(guān)于可應(yīng)用領(lǐng)域的幾點(diǎn)思考

模具的清洗

每年全世界的輪胎生產(chǎn)企業(yè)制造數(shù)億個輪胎，生產(chǎn)過程中輪胎模具的清洗必須迅速可靠，以節(jié)省停機(jī)的時間。傳統(tǒng)的清洗方法包括噴沙、超聲波或二氧化碳清洗等，但這些方法通常必須在高熱的模具經(jīng)數(shù)小時冷卻后，再移往清洗設(shè)備進(jìn)行清潔，清潔所需的時間長，并容易損害模具的精度，化學(xué)溶劑及噪聲還會產(chǎn)生安全和環(huán)保等問題。

利用激光清洗方式，可利用光纖來傳輸，在使用上深具彈性；光纖連接而將光導(dǎo)至模具的死角或不易清除的部位進(jìn)行清洗，因此使用方便；同時，橡膠并無氣化，因此不會產(chǎn)生有毒害的氣體，影響工作環(huán)境的安全。

激光清洗輪胎模具的技術(shù)已經(jīng)大量在歐美的輪胎工業(yè)中被采用，雖然初期投資成本較高，但可在節(jié)省待機(jī)時間、避免模具損壞、工作安全及節(jié)省原材料上所獲得的收益迅速得到回收。根據(jù)作者所研發(fā)的激光清洗器換算，重輪胎公司生產(chǎn)線上進(jìn)行的清洗試驗(yàn)表明，僅需2個小時就可以在線清洗一套大型載重輪胎的模具。和常規(guī)清洗方法相比，經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。食品工業(yè)模具上防粘的彈性膜層需要定期更換以保證衛(wèi)生，激光清洗特別適合應(yīng)用在該領(lǐng)域。

武器裝備的清洗

激光清洗技術(shù)在武器維護(hù)保養(yǎng)上廣泛應(yīng)用。采用激光清洗系統(tǒng)，可以高效、快捷地清除銹蝕、污染物，并可以對清除部位進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)清洗的自動化。采用激光清洗，不但清潔度高于化學(xué)清洗工藝，而且對于物體表面幾乎無損害。通過設(shè)定不同參數(shù)，還可以在金屬物體表面形成一層致密的氧化物保護(hù)膜或金屬熔融層，提高表面強(qiáng)度和耐腐蝕性。激光清除的廢料對環(huán)境基本上不構(gòu)成污染，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作，有效減少了對操作人員的健康損害。

飛機(jī)舊漆的清除

在歐洲激光清洗系統(tǒng)早已應(yīng)用在航空工業(yè)中。飛機(jī)的表面經(jīng)過一定時間后要重新噴漆，但是噴漆之前需要將原來的舊漆完全除去。傳統(tǒng)的機(jī)械清除油漆法容易對飛機(jī)的金屬表面造成損傷，給安全飛行帶來隱患。如采用多個激光清洗系統(tǒng)，可在兩天之內(nèi)將一架A320空中客車表面的漆層完全除掉，且不會損傷到金屬表面。

樓宇外墻的清洗

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來越多的摩天大樓被建立起來，大樓外墻的清潔問題日益凸現(xiàn)，激光清洗系統(tǒng)可以通過最長70米的光纖對建筑物外墻的清洗提供了很好的解決方法，它可以對各種石材、金屬、玻璃上的各種污染物進(jìn)行有效清洗，且比常規(guī)清洗效率高很多倍。還可以對建筑物的各種石材上的黑斑、色斑進(jìn)行清除。嵩山少林寺對建筑物、石碑進(jìn)行的清洗試驗(yàn)表明，采用激光清洗對保護(hù)古建筑恢復(fù)外觀效果非常好。

電子工業(yè)中的清洗

電子工業(yè)使用激光去除氧化物：電子工業(yè)需要高精度地去污，特別適合采用激光去氧化物。在電路板焊接前，元件針腳必須徹底去氧化物以保證最佳的電接觸，在去污過程中還不能損壞針腳。激光清洗可以滿足使用要求，且效率很高，一個針腳只需照射一次激光。

精密機(jī)械工業(yè)中的精確去酯清洗

精密機(jī)械工業(yè)常常需對零件上用來潤滑和抗腐蝕的酯類及礦物油加以清除，通常是用化學(xué)方法，而化學(xué)清洗往往仍有殘留物。激光去酯可以將酯類及礦物油完全去除，不損傷零件表面。其污染物去除是由沖擊波完成，零件表面氧化物薄層爆炸性氣化形成了沖擊波，導(dǎo)致污物去除，而非機(jī)械互作用。材料徹底去酯用于航天工業(yè)機(jī)械零件的清理。機(jī)械零件加工中的油酯去除同樣可采用激光清洗。