一直以來，我國制造業(yè)的表面處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于生產(chǎn)，這也極大限制了制造業(yè)由大轉(zhuǎn)強(qiáng)的進(jìn)程。隨著“十四五”戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施，特別是高端制造及節(jié)能減排對于先進(jìn)工藝的需求愈發(fā)迫切。在表面處理方面，國內(nèi)亟待技術(shù)和工藝全面升級。傳統(tǒng)的清洗工藝如機(jī)械摩擦清洗、化學(xué)腐蝕清洗、強(qiáng)力沖擊清洗、高頻超聲清洗等方法，不僅清洗周期長，難以實(shí)現(xiàn)自動化，對環(huán)境造成有害影響，且達(dá)不到理想的清潔效果，無法很好滿足精細(xì)化加工需求。

但隨著環(huán)境保護(hù)、高效率和高精度的矛盾日益突出，其應(yīng)用受到很大的挑戰(zhàn)。與此同時，各種有利于環(huán)境保護(hù)、適用于超精加工領(lǐng)域零件的清洗技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，激光清洗技術(shù)就是其中之一。

激光清洗概念

激光清洗是利用聚焦的激光作用在材料表面，使表面的污染物迅速汽化或剝離，從而實(shí)現(xiàn)材料表面清洗的技術(shù)。相對于各類傳統(tǒng)的物理或化學(xué)的清洗方式，激光清洗具備無接觸、無耗材、無污染、精度高、無損傷或損傷小等特點(diǎn)，是新一代工業(yè)清洗技術(shù)的理想選擇。

激光清洗原理

激光清洗的原理比較復(fù)雜，可能同時包含物理過程和化學(xué)過程，在比較多的情況下是以物理過程為主，伴隨著部分化學(xué)反應(yīng)。主要過程可以歸納為三類，包括氣化過程、沖擊過程和振蕩過程。

氣化過程

當(dāng)高能量的激光照射到材料表面時，表面吸收激光能量轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，使表面溫度迅速升高，達(dá)到材料的汽化溫度以上，從而使污染物以蒸汽的形式脫離材料表面。在表面污染物對激光的吸收率明顯高于基材對激光的吸收率時，通常會發(fā)生選擇性汽化，比較典型的應(yīng)用案例是石材表面的臟污清理。如下圖所示，石材表面的污染物對激光的吸收較強(qiáng)，迅速被汽化。當(dāng)污染物被清除干凈，激光照射到石材表面時，吸收較弱，較多的激光能量被石材表面散射，石材表面的溫度變化小，石材表面因此而得到保護(hù)，不受損傷。

以化學(xué)作用為主的典型過程則是在采用紫外波段的激光進(jìn)行清洗有機(jī)污染物時發(fā)生，被稱作激光消融（Ablation）。紫外激光的波長較短，光子能量高，比如KrF準(zhǔn)分子激光，波長248nm，光子能量高達(dá)5 eV，超過CO2激光光子能量（0.12 eV）的40倍。這么高的光子能量足以破壞有機(jī)物的分子鍵，使有機(jī)污染物中的C-C、C-H、C-O等在吸收激光的光子能量后發(fā)生斷裂，從而產(chǎn)生裂解氣化，從表面清除。

沖擊過程

沖擊過程是在激光與材料作用過程中，發(fā)生的一系列反應(yīng)，進(jìn)而形成的對材料表面的沖擊波。在沖擊波的作用下，表面污染物發(fā)生碎裂，變成粉塵或碎片從表面剝離。造成沖擊波的機(jī)理有多種，包括等離子體、蒸汽、急劇的熱脹冷縮現(xiàn)象等。以等離子體沖擊波為例，可以簡要了解一下激光清洗中的沖擊過程是如何將表面污染物去除的。隨著超短脈寬（ns）、超高峰值功率（107– 1010 W/cm2）激光器的應(yīng)用，即使表面對激光的吸收較弱的情況下，表面溫度依然會急劇升高，瞬間達(dá)到汽化溫度以上，形成在材料表面上方的蒸氣，如下圖中（a）所示。蒸氣的溫度可達(dá)到104 - 105 K，可以使蒸氣本身或周圍的空氣發(fā)生電離，形成等離子體。等離子體會阻擋激光到達(dá)材料表面，材料表面的汽化可能會停止，但是等離子體會繼續(xù)吸收激光能量，溫度持續(xù)升高，形成一個局部的超高溫超高壓的狀態(tài)，對材料表面產(chǎn)生1-100 kbar的瞬時沖擊，并逐步向材料內(nèi)部傳遞，如下圖（b）和（c）所示。在沖擊波作用下，表面污染物發(fā)生碎裂，變成微小的粉塵、顆?；蛘咚槠?。當(dāng)激光從照射位置移開后，等離子體隨即消失，局部產(chǎn)生一個負(fù)壓，污染物的微?；蛩槠粡谋砻嬉瞥?，如下圖（d）所示。

振蕩過程

短脈沖作用下，材料升溫和降溫的過程都極其迅速。由于不同的材料，其熱膨脹系數(shù)不同，因此在短脈沖激光照射下，表面污染物和基體會發(fā)生高頻次的不同程度的熱脹冷縮，產(chǎn)生振蕩作用，使污染物從材料表面剝落。在此剝落過程中，可能不會發(fā)生材料的汽化，也不一定會產(chǎn)生等離子體，而是依靠振蕩作用下，在污染物與基材界面形成的剪切力破壞了污染物與基材的結(jié)合。研究表明，當(dāng)激光的入射角稍微加大時，可以增加激光與顆粒污染物和基材界面的接觸，降低激光清洗的閾值，振蕩作用更加明顯，清洗效率更高。但是入射角也不宜過大，太大的入射角會降低作用在材料表面的能量密度，減弱激光的清洗能力。

激光清洗的行業(yè)應(yīng)用

1、模具行業(yè)

激光可實(shí)現(xiàn)模具無接觸清洗，對模具表面十分安全，可以確保其精度，并且可以清洗傳統(tǒng)清洗方法無法清除的亞微米級污物顆粒，實(shí)現(xiàn)真正的無污染、高效、高質(zhì)清洗。

激光清洗模具效果對比

2、精密儀器工業(yè)

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。激光促使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。

激光清洗鋰電池極耳、PCB除膠除塵

3、鋼軌行業(yè)

目前，鋼軌焊前清洗全部采用砂輪、砂帶打磨式清洗，基材損傷嚴(yán)重，殘余應(yīng)力嚴(yán)重，并且每年消耗大量砂輪耗材，成本高，對環(huán)境造成嚴(yán)重粉塵污染。激光清洗可為我國高速鐵路鋪軌生產(chǎn)提供高質(zhì)、高效的綠色清洗技術(shù)，解決以上問題，消除無縫鐵軌孔洞、灰斑等焊接缺陷，提高我國高速鐵路運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性。

激光清洗軌道效果對比圖

4、航空行業(yè)

飛機(jī)的表面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。化學(xué)浸泡/擦拭是航空領(lǐng)域的主要脫漆方法，該方法造成了大量化學(xué)附屬廢物，也無法實(shí)現(xiàn)局部檢修脫漆，該工序工作量繁重、危害健康。激光清洗可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)蒙皮表面涂漆的高質(zhì)量去除，且易于實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。目前，該技術(shù)在國外已開始應(yīng)用于部分高端機(jī)型的維護(hù)。

激光清洗飛機(jī)蒙皮效果圖

5、船舶行業(yè)

目前船舶產(chǎn)前清洗主要采用噴砂方法，噴砂方法對周圍環(huán)境造成了嚴(yán)重的粉塵污染，已逐漸被禁用，從而導(dǎo)致船舶生產(chǎn)企業(yè)的減產(chǎn)，甚至停產(chǎn)。激光清洗技術(shù)將為船舶表面防腐噴涂提供綠色無污染清洗方案。

▲寶宇激光清洗應(yīng)用于船舶清洗效果的展示

當(dāng)今先進(jìn)制造業(yè)已成為國際競爭的制高點(diǎn)，激光制造是我國“十三五”期間部署的重點(diǎn)任務(wù)，激光清洗技術(shù)作為激光制造中的一種先進(jìn)技術(shù)，在工業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用價值潛力巨大，大力發(fā)展激光清洗技術(shù)對我國高端激光制造技術(shù)與裝備國際競爭力的大幅提升、經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。