高端制造和節(jié)能減排對先進(jìn)工藝的需求越來越迫切，工業(yè)表面處理方面亟待技術(shù)、工藝的全面升級(jí)，傳統(tǒng)的工業(yè)清洗工藝，如機(jī)械摩擦清洗、化學(xué)腐蝕清洗、強(qiáng)沖擊清洗、高頻超聲波清洗等，不僅清洗周期長，而且難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，對環(huán)境有危害，達(dá)不到理想的清洗效果，不能很好地滿足精細(xì)加工的需要。

然而隨著環(huán)保、高效、高精度之間矛盾的日益突出，傳統(tǒng)的工業(yè)清洗方式受到極大的挑戰(zhàn)，與此同時(shí)，各種有利于環(huán)保、適用于超精加工領(lǐng)域零件的清洗技術(shù)也紛紛涌現(xiàn)，激光清洗技術(shù)就是其中的一種。

激光清洗概念

激光清洗是利用聚焦激光作用于材料表面，使表面污染物迅速汽化或剝離，從而達(dá)到清洗材料表面的技術(shù)。與各種傳統(tǒng)的物理或化學(xué)清洗方法相比，激光清洗具有無接觸、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。

激光清洗機(jī)工作原理

原理 激光清洗機(jī) 反應(yīng)過程比較復(fù)雜，可能既包括物理過程，也包括化學(xué)過程，很多情況下以物理過程為主，伴有一定程度的化學(xué)反應(yīng)，主要過程可分為氣化過程、沖擊過程、振蕩過程3類。

氣化過程

當(dāng)高能激光照射到材料表面時(shí)，表面吸收激光能量并轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，使表面溫度迅速升高并達(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。選擇性汽化通常發(fā)生在表面污染物對激光的吸收率明顯高于基材時(shí)。一個(gè)典型的應(yīng)用案例就是石材表面污垢的清洗。如下圖所示，石材表面的污染物對激光的吸收率很強(qiáng)，很快被汽化。當(dāng)去除污染物后再用激光照射石材表面時(shí)，吸收較弱，更多的激光能量被石材表面散射，石材表面的溫度變化很小，保護(hù)石材表面不受損傷。

典型的化學(xué)工藝是使用紫外線波段的激光來清除有機(jī)污染物，這被稱為激光燒蝕。紫外線激光波長短，光子能量高。例如，KrF 準(zhǔn)分子激光的波長為 248 nm，光子能量高達(dá) 5 eV，是 CO2 激光光子能量高(0.12eV)，如此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CC、CH、CO等吸收激光的光子能量后發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致熱解氣化并從表面去除。

沖擊過程

沖擊過程是激光與材料相互作用過程中發(fā)生的一系列反應(yīng)，然后在材料表面形成沖擊波。在沖擊波的作用下，表面污染物被打碎，成為從表面剝離的灰塵或碎屑。引起沖擊波的機(jī)制有很多，包括等離子體、蒸汽、快速的熱膨脹和收縮。以等離子體沖擊波為例，可以簡單了解激光清洗中的沖擊過程是如何去除表面污染物的。隨著超短脈沖寬度（ns）和超高峰值功率（107–1010 W/cm2）激光的應(yīng)用，即使表面輕輕吸收激光，表面溫度仍會(huì)急劇上升，瞬間達(dá)到汽化溫度以上，在材料表面上方形成蒸氣，如下圖（a）所示。蒸氣的溫度可以達(dá)到104 - 105 K，可以電離蒸氣本身或周圍的空氣，形成等離子體。等離子體會(huì)阻擋激光到達(dá)材料表面，材料表面的汽化可能會(huì)停止，但等離子體會(huì)繼續(xù)吸收激光能量，溫度不斷升高，形成局部超高溫高壓狀態(tài)，在材料表面產(chǎn)生瞬間1-100kbar的沖擊，并逐漸轉(zhuǎn)移到材料內(nèi)部，如下圖（b）、（c）所示。在沖擊波的作用下，表面污染物被擊碎成微小的粉塵、顆粒或碎片。當(dāng)激光離開照射位置時(shí)，等離子體消失，局部產(chǎn)生負(fù)壓，將污染物的顆粒或碎片從表面清除，如下圖（d）所示。

振蕩過程

在短脈沖作用下，材料的加熱和冷卻過程極其迅速。由于不同材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，在短脈沖激光的照射下，表面污染物和基片將發(fā)生不同程度的高頻熱脹冷縮，產(chǎn)生振蕩，使污染物從材料表面剝離。在這個(gè)剝離過程中，可能不會(huì)發(fā)生材料的汽化，也不會(huì)產(chǎn)生等離子體，而是在振蕩作用下在污染物與基片界面處形成的剪切力，破壞了污染物與基片之間的結(jié)合。研究表明，當(dāng)激光的入射角略微增大時(shí)，可以增加激光與顆粒污染物及基片界面的接觸，降低激光清洗的閾值，振蕩效應(yīng)更明顯，清洗效率更高。但入射角不宜過大。入射角過大，會(huì)降低作用于材料表面的能量密度，削弱激光的清潔能力。

激光清洗機(jī)的行業(yè)應(yīng)用

模具行業(yè)

激光清洗機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對模具的非接觸式清洗，對模具表面非常安全，既能保證其精度，又能清洗掉傳統(tǒng)清洗方式無法去除的亞微米級(jí)污垢顆粒，達(dá)到真正的無污染、高效、高質(zhì)量的清洗。

精密儀器行業(yè)

精密機(jī)械行業(yè)經(jīng)常需要從零件上去除用于潤滑和防腐的酯類和礦物油，通常采用化學(xué)方法，而化學(xué)清洗往往會(huì)留下殘留物。激光脫酯可以完全去除酯類和礦物油，而不會(huì)損壞零件表面。激光促使零件表面薄氧化層爆炸性氣化，形成沖擊波，從而去除污染物，而不是機(jī)械相互作用。

鐵路行業(yè)

目前，鋼軌焊前清理全部采用砂輪、砂帶磨削式清理，對基體損傷嚴(yán)重，殘余應(yīng)力嚴(yán)重，每年要消耗大量的砂輪耗材，成本高，對環(huán)境造成嚴(yán)重的粉塵污染。激光清理可為我國高鐵鋪軌生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)高效的綠色清理技術(shù)，解決上述問題，消除無縫軌孔洞、灰斑等焊接缺陷，提高我國高鐵運(yùn)營的穩(wěn)定性和安全性。

航空工業(yè)

飛機(jī)表面使用一定時(shí)間后需重新噴漆，但噴漆前需將原有舊漆全部清除。化學(xué)浸泡/擦拭是航空領(lǐng)域主要的脫漆方法，此方法產(chǎn)生大量化學(xué)輔助廢棄物，無法實(shí)現(xiàn)局部維修和脫漆，工作量大且對健康有害。激光清洗可高質(zhì)量去除飛機(jī)蒙皮表面油漆，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。目前，激光清洗技術(shù)已應(yīng)用于一些高端機(jī)型的維修中。

船舶工業(yè)

目前船舶投產(chǎn)前清洗主要采用噴砂方式，噴砂方式對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的粉塵污染，已逐步被禁止，導(dǎo)致船舶制造廠減產(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、無污染的清洗解決方案。

武器

激光清洗技術(shù)在武器維修中得到了廣泛的應(yīng)用，激光清洗系統(tǒng)可以 除銹 激光清洗機(jī)能高效、快速地去除工件表面的污染物和殘?jiān)⒖蛇x擇清洗部位，實(shí)現(xiàn)清洗的自動(dòng)化。采用激光清洗，不僅清潔度比化學(xué)清洗工藝高，而且對物體表面幾乎沒有損傷。通過設(shè)定不同的參數(shù)，激光清洗機(jī)還能在金屬物體表面形成一層致密的氧化保護(hù)膜或金屬熔融層，提高表面強(qiáng)度和抗腐蝕性能。激光清除的廢料基本不污染環(huán)境，還可以遠(yuǎn)距離操作，有效減少了對操作人員健康的損害。

建筑外觀

摩天大樓越來越多，建筑外墻清洗問題日益突出。激光清洗系統(tǒng)通過光纖對建筑外墻進(jìn)行很好的清洗，最長可達(dá)70米的解決方案，可以有效清洗各種石材、金屬、玻璃上的各種污染物，效率遠(yuǎn)高于常規(guī)清洗，還可以清除建筑物內(nèi)各種石材上的黑點(diǎn)、污漬。激光清洗系統(tǒng)對建筑物、石碑的清洗試驗(yàn)表明，激光清洗對保護(hù)古建筑外觀有很好的效果。

電子行業(yè)

電子行業(yè)用激光去除氧化物：電子行業(yè)對除污精度要求高，激光除污尤為適用。元件引腳在焊接電路板前必須徹底除污，以保證最佳的電接觸，除污過程中不得損壞引腳。激光清洗即可滿足使用要求，而且效率很高，每根針頭只需照射一次激光。

核電廠

激光清洗系統(tǒng)還用于核電站反應(yīng)堆管道的清洗。它利用光纖將高功率激光束引入反應(yīng)堆，直接清除放射性粉塵，清洗物容易清洗。而且由于是遠(yuǎn)距離操作，工作人員的安全可以得到保障。

結(jié)語

當(dāng)今先進(jìn)制造業(yè)已成為國際競爭的制高點(diǎn)，激光清洗機(jī)作為激光制造中的先進(jìn)系統(tǒng)，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中有著巨大的應(yīng)用價(jià)值潛力，大力發(fā)展激光清洗技術(shù)對經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。