序  言

      1969年，美國加州大學伯克利分校空間科學實驗室和核能工程係的S. M. Beadair和Harold P. Smith, JR.首次提出激光清洗的概念。激光清洗技術基於(yu) 綠色、清洗效果佳、應用範圍廣、精度高、非接觸式和可達性好等突出優(you) 勢，與(yu) 清洗劑、超聲波和機械方式清洗形成鮮明對照，未來有望部分或完全替代傳(chuan) 統清洗方法成為(wei) 21世紀最具發展潛力的綠色清洗技術。

      盡管激光清洗的出現最早可追溯到20世紀60年代，但針對這種創新型清洗技術的研究和應用是從(cong) 20世紀90年代開始逐步擴大的。在過去20多年的時間裏，國內(nei) 外均有關(guan) 於(yu) 激光清洗技術的報道，近幾年迅速成為(wei) 工業(ye) 製造領域的研究熱點，研究內(nei) 容主要涵蓋激光清洗工藝、理論、裝備以及應用，國內(nei) 在激光清洗裝備和應用方麵的整體(ti) 水平與(yu) 國外差距較大。

      在工業(ye) 應用領域，隨著激光器的高速發展、人們(men) 對激光清洗機理研究的不斷深入，表麵質量監測與(yu) 表征方法日趨完整全麵，激光清洗材料表麵質量得到提升，清洗精度和效率也逐漸增加。如今，它已經成為(wei) 能夠清洗大量不同基材表麵的可靠技術，清洗對象包括鋼、鋁合金、鈦合金、玻璃和複合材料等，應用行業(ye) 覆蓋航天、航空、船舶、高鐵、汽車、模具、核電和海洋等領域。

      本文將介紹三種典型的激光清洗方法，綜述近年來基於(yu) 不同材料的激光清洗研究現狀，最後列舉(ju) 了一些國內(nei) 外激光清洗技術的典型應用，為(wei) 科研人員開展相關(guan) 研究提供參考。

  02

三種激光清洗方法

      激光清洗過程十分複雜，涉及去除材料機理種類繁多，對於(yu) 一種激光清洗方法來說，清洗過程中可能有多種機理同時發生，這主要歸因於(yu) 激光與(yu) 材料之間的相互作用，包括材料表麵發生燒蝕、分解、電離、降解、熔化、燃燒、汽化、振動、飛濺、膨脹、收縮、爆炸、剝離、脫落等眾(zhong) 多物理化學變化。截至目前，根據國內(nei) 外對激光清洗方法的研究進行歸納提煉，主要有以下三種，即激光燒蝕清洗方法，液膜輔助激光清洗方法和激光衝(chong) 擊波式清洗方法。

      激光燒蝕清洗方法包括的機理主要有熱膨脹、氣化、燒蝕和相爆炸等，如圖1所示。它是指激光直接作用於(yu) 基材表麵待去除的材料上，環境條件可以為(wei) 空氣、惰性氣體(ti) 或真空，當激光輻照在材料表麵時，基體(ti) 和清洗物均先發生熱膨脹。隨著激光與(yu) 清洗物相互作用時間增加，如果溫度低於(yu) 清洗物氣化閾值，則清洗物僅(jin) 發生物理變化，其與(yu) 基體(ti) 熱膨脹係數之間的差異導致界麵處產(chan) 生壓力，清洗物發生屈曲、從(cong) 基材表麵撕開，產(chan) 生裂紋，機械斷裂，振動破碎，以噴射方式被去除或被剝離基材表麵；如果溫度高於(yu) 清洗物氣化閾值，此時出現兩(liang) 種情況：當清洗物燒蝕閾值小於(yu) 基材燒蝕閾值時，需調整激光能量密度處於(yu) 清洗物與(yu) 基材燒蝕閾值之間，既可以有效去除清洗物，又不會(hui) 對基材造成損傷(shang) 。

      液膜輔助式激光清洗去除材料的機理主要有液膜沸騰汽化和振動等，如圖2所示，它是指將液膜（水、酒精或其它液體(ti) ）預先覆蓋在清洗物表麵，然後用激光對其進行照射。液膜吸收激光能量致使液態介質發生強力爆炸，爆炸沸騰的液體(ti) 高速運動，將能量傳(chuan) 遞給表層清洗物，高瞬態的爆炸性力量足以去除表麵汙物達到清洗目的。如美國加州大學伯克利分校的Min She等用8vol.%丙醇+92vol.%水作為(wei) 薄層液膜，來輔助激光去除NiP硬磁盤基材表麵直徑300 nm的Al2O3汙染微粒。

      激光衝(chong) 擊波式清洗方法的工藝方式和清洗機理與(yu) 前兩(liang) 者有很大不同，其工藝過程如圖與(yu) 基材不發生接觸，二者之間距離很小。移動工件或激光頭將激光焦點調整至微粒附近，如圖3所示，機理主要為(wei) 衝(chong) 擊波力去除，清洗對象主要為(wei) 微粒。

      激光以平行於(yu) 基材表麵的方向射出，光輸出後焦點處空氣會(hui) 發生電離現象，創造出衝(chong) 擊波，衝(chong) 擊波以圓球狀迅速膨脹擴大，並延伸至與(yu) 微粒發生接觸，當衝(chong) 擊波作用在微粒上橫向分量的力矩超過縱向分量+微粒粘附力的力矩時，微粒發生滾動去除。如中國工程物理研究院的Yayun Ye等利用激光衝(chong) 擊波式清洗方法來去除鍍金K9玻璃表麵直徑15 nm的SiO2微粒。

      以上三種方法中，激光燒蝕清洗方法操作條件簡單，使用最為(wei) 廣泛，選擇合適的激光器類型采用優(you) 化的工藝參數可去除各種塗層、油漆、顆粒或汙物。

      液膜輔助式激光清洗方法在使用時需要考慮選擇合適的激光波長，液膜對激光吸收率越高則優(you) 勢越明顯。液膜輔助式激光清洗在某種程度可彌補激光燒蝕清洗過程衝(chong) 擊壓力不足的問題，用於(yu) 去除一些比較難去除的清洗對象，但這種方法存在兩(liang) 個(ge) 缺點，一是工藝麻煩，過程難以控製；二是由於(yu) 使用了液膜，清洗完畢後基材表麵化學成分容易改變，生成新物質。

      激光衝(chong) 擊波式清洗方法主要用於(yu) 去除微粒（亞(ya) 微米級或納米級），但是針對塗層的清洗還未見報道，該方法對工藝要求非常嚴(yan) 格，既要保證激光參數能夠電離空氣，又要控製激光與(yu) 基材之間保持合適的距離，確保作用在微粒上的衝(chong) 擊力足夠大。

  03

基於(yu) 不同清洗對象的激光清洗研究現狀

      從(cong) 現階段研究來看，相對比較成熟的研究主要集中在鋼材除鏽、輕質合金表麵除氧化膜，此外研究範圍還擴大至複合材料的表麵漆層和有機物等汙物的清洗、核電裝置內(nei) 部核微粒、鍍膜玻璃表麵微小顆粒的清洗以及其它耐高溫、耐腐蝕和耐磨損塗層的清洗，但是對微電子製造領域矽片表麵激光清洗的研究主要集中在2010年以前，近幾年尚無相關(guan) 報道。

      激光清洗對象包括基材與(yu) 清洗物，基體(ti) 材料涵蓋：鋼、鋁合金、鈦合金、銅、鎳基合金、混凝土磚塊、矽晶元、碳纖維增強樹脂基複合材料、有機玻璃和鎢帶等，清洗物囊括：漆層、鏽蝕、氧化層、硫化層、耐磨耐高溫塗層、油汙、UO2核微粒、SiO2微粒、C微粒、W微粒和各種有機物等。

      綜上所述，激光清洗時需要根據不同的清洗對象選擇合適的激光波長、脈衝(chong) 寬度、脈衝(chong) 頻率等參數。

  ●國內(nei) 外針對塗層和微小顆粒的激光清洗研究絕大多數都選擇了波長1064 nm的納秒脈衝(chong) 光纖激光器，但是激光脈衝(chong) 頻率有很大差別，前者的脈衝(chong) 頻率為(wei) 幾千赫茲(zi) 到幾十千赫茲(zi) ，清洗後表麵粗糙度可達1 μm左右，後者則集中在幾赫茲(zi) 到幾十赫茲(zi) ，去除率可達90%以上；

  ●針對漆層的激光清洗，激光器的選擇逐漸從(cong) 過去的10.64 μm波長的高功率CO2激光器向波長1064 nm的脈衝(chong) 光纖激光器轉變，此時需要綜合考慮不同顏色漆層對激光的吸收能力以及清洗效率來選擇合適波長的激光器，清洗後表麵粗糙度接近1 μm；

  ●針對樹脂、油汙及其它有機物的清洗，脈衝(chong) 光纖激光器、連續CO2激光器和準分子激光器等均有使用，和未清洗相比，清洗後複合材料膠接接頭的剪切強度均有一定程度提高，油汙去除率可達95%。

  04

激光清洗技術應用

      20世紀80年代，隨著半導體(ti) 行業(ye) 高速發展，對矽晶元上掩模表麵的汙染微粒的清洗技術提出了更高的要求，其關(guan) 鍵點在於(yu) 克服汙染微顆粒與(yu) 基材之間極大的吸附力，傳(chuan) 統的化學清洗、機械清洗、超聲清洗方法均無法滿足需求，而激光清洗可以很容易解決(jue) 此類汙染問題，相關(guan) 研究與(yu) 應用得到迅速開展。

       IBM公司的W. Zapka等在1987年首次申請了關(guan) 於(yu) 激光清洗方麵的專(zhuan) 利，進入90年代之後，同在IBM工作的A.C. Tam等成功將激光清洗技術應用於(yu) 半導體(ti) 製造工藝中，用於(yu) 去除掩模表麵微顆粒，實現了早期激光清洗技術在工業(ye) 領域的應用。1995年，德國的Schweizer等使用2 kW的TEA CO2激光器成功實現飛機機身除漆的應用。

       進入21世紀後，隨著超短脈衝(chong) 激光器製造技術的高速發展和成本降低，國內(nei) 外對激光清洗技術的研究和應用逐步增多，重點集中在金屬材料表麵，國外的典型應用有飛機機身脫漆、模具表麵除油汙、發動機內(nei) 部除積碳和焊前接頭表麵清理等。美國EWI研究所激光清洗F-16戰機的現場裝備圖如圖4所示，清洗效率可達1Ft2·mils/(kW·min)。

      值得一提的是，先進複合材料部件的激光脫漆研究與(yu) 應用也會(hui) 是一大熱點。美國海軍(jun) H-53、H-56直升機螺旋槳葉片和F16戰鬥機平尾等複合材料表麵均已實現激光脫漆應用，我國由於(yu) 複合材料在飛機上的應用較晚，因此此類研究基本處於(yu) 空白。

      此外，有關(guan) CFRP複合材料膠接前接頭處采用激光清洗技術做表麵處理來提高接頭強度也是當前的研究重點，應用前景十分樂(le) 觀。圖5為(wei) Adapt Laser公司提供奧迪TT汽車生產(chan) 線的光纖激光清洗裝備，用於(yu) 清洗輕質鋁合金車門框表麵的氧化膜。英國Rolls-Royce在激光清洗鈦合金航空發動機部件表麵氧化膜方麵開展了應用。

      工業(ye) 領域激光清洗技術的應用方向包括：航天、航空、汽車、高鐵、艦船、海洋和核電等，具體(ti) 清洗內(nei) 容覆蓋除鏽、除氧化膜、除塗層、脫漆、除油汙、除微生物和除核微粒等。由於(yu) 國內(nei) 較國外在激光清洗領域開展的研究較晚，加上短脈衝(chong) 激光器本身價(jia) 格昂貴，需要更高的清洗效率與(yu) 之相匹配才能在實際應用中取得較高價(jia) 值，因此目前相關(guan) 應用極少。

      近三年來，國內(nei) 的一些高校、科研院所和企業(ye) ，如哈爾濱工業(ye) 大學、華中科技大學、南開大學、裝甲兵工程學院、中國工程物理研究院、蘇州熱工院、上海臨(lin) 仕激光、大族激光等都對激光清洗技術表現出了濃厚的興(xing) 趣，陸續開始了激光清洗技術在工業(ye) 領域的研究與(yu) 應用，並且開展激光清洗的裝備製造。

 05

結論及展望

  綜上所述，目前國內(nei) 外關(guan) 於(yu) 激光清洗研究的結論如下：

      1 .激光清洗方法包括激光燒蝕清洗、液膜輔助式激光清洗和激光衝(chong) 擊波式清洗，涉及機理主要包括燒蝕、振動、熱膨脹、相爆炸、氣化和衝(chong) 擊波等。

      2 .激光清洗對象分為(wei) 基材和清洗物兩(liang) 部分，基材主要有鋼、輕質合金、有色金屬、矽和複合材料等，清洗物主要包括鏽、氧化膜、漆層、塗層、油汙和微粒等。

      3 .激光清洗技術在工業(ye) 領域應用前景十分廣闊，具體(ti) 包括航空航天、汽車、高鐵、船舶、海洋和核電等行業(ye) 。

 在理論與(yu) 工藝方麵，雖然國內(nei) 外在激光清洗工藝研究方麵均已開展大量試驗，但是激光清洗理論和機理尚不完善。盡管已有研究人員建立了相關(guan) 物理模型，作出了一定的假設和條件，但是這些模型仍然有很大局限性，想要全麵揭示和理解激光清洗過程仍需做大量研究，尤其是在激光與(yu) 材料相互作用方麵需多加考慮。

     在實際應用方麵，國內(nei) 與(yu) 國外差距較大，這是由很多原因造成的，除了激光清洗機理與(yu) 工藝不夠成熟以外，設備方麵也限製了激光清洗效率和精度的提高，尤其是我國無法自主研發高功率短脈衝(chong) 激光器，這是限製高效激光清洗成套裝備開發的一大瓶頸。

      當今先進製造業(ye) 已成為(wei) 國際競爭(zheng) 的製高點，激光製造是我國“十三五”期間部署的重點任務，激光清洗技術作為(wei) 激光製造中的一種先進技術，在工業(ye) 發展中的應用價(jia) 值潛力巨大，大力發展激光清洗技術對我國高端激光製造技術與(yu) 裝備國際競爭(zheng) 力的大幅提升、經濟和社會(hui) 的發展具有非常重要的戰略意義(yi) 。