作者簡介

姚建銓 中國科學院院士 天津大學教授 激光與(yu) 光電子研究所所長

中國是公認的製造大國，也是全球最大的加工國家，工業(ye) 體(ti) 量也是世界第一。 隨著帶來環境的問題，改變一些生產(chan) 工序上的工藝和升級更加環保的清洗工藝，就成為(wei) 非常迫切與(yu) 必要的任務，激光清洗/除鏽就是一項非常有發揮潛力的選擇。

據市場調研報告顯示，2018年，全球激光清洗市場的規模將達到5.89億(yi) 美元，到2023年這一數值預計將達到7.24億(yi) 美元，2018年和2023年之間的複合年增長率（CAGR）為(wei) 4.22％。在不少屬於(yu) 國民經濟的支柱產(chan) 業(ye) 中使用激光清洗技術，產(chan) 生的經濟效益和社會(hui) 效益是十分可觀的。利用我國現有的激光技術條件，開發配套的激光清洗設備，並使其在短時間內(nei) 實用化、產(chan) 業(ye) 化，是完全可能的，對推動高新技術產(chan) 業(ye) 的發展本身亦具有重要意義(yi) 。

技術原理及優(you) 勢

激光清洗是利用窄脈寬、高功率密度的激光作用於(yu) 待清洗物表麵，在快速光振動、氣化、分解和等離子體(ti) 剝離等機理的共同作用下，使汙染物脫離基底，實現表麵清洗。

由於(yu) 傳(chuan) 統的清洗方法已不能滿足高效低成本、無汙染、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，而激光清洗則具備的優(you) 勢使它成為(wei) 最佳選擇：

1. 安全，對基底基本無損傷；
2. 環保，不產生二次汙染，去除物質可回收；
3. 精準，可實現微米級精度控製；
4. 低能耗，僅消耗電能；
5. 適用性和機動性強。

圖 傳(chuan) 統清洗方法

市場上的激光清洗機一般主要由激光器、光束傳(chuan) 輸整形單元、自動控製操作係統、清洗質量檢測保護單元、位移平台等組成。

圖 激光清洗機組成示意

眾(zhong) 多領域已應用

激光清洗目前已應用在眾(zhong) 多領域，如下所示：

微電子領域：半導體(ti) 元件、微電子器件、存儲(chu) 器模板、矽模板等去除微粒以及元器件針腳去除氧化物；

文物保護：石雕、青銅器、玻璃、紙張、布麵、皮質、壁畫等；

模具清洗：橡膠模具、複合模具、金屬模具等；

表麵處理：親(qin) 水性處理、表麵粗糙化、焊接前預處理；

其他：城市塗鴉、印刷滾筒、精密機械工業(ye) 零件上潤滑油、建築外牆、核管道等危險行業(ye) 清洗。

未來激光清洗將更大範圍的應用在大型裝備的除漆除鏽，如飛機、艦船、武器裝備、橋梁、鐵塔等全自動化激光除漆、除鏽係統；應用在精密部件精確除漆如飛機零部件、電氣產(chan) 品（代替刻蝕）等。

關(guan) 鍵技術要知道

激光清洗用激光器

光束高效傳(chuan) 輸、高精度勻化整形、精準聚焦掃描技術；光束長焦深、大有效清洗範圍、激光參量調節控製技術；快速、高效、基底無損傷(shang) 清洗技術。

工藝

工藝技術：基底無損傷(shang) 清洗

應用對象：高鐵變流器櫃

基底材質：主流櫃材質鋁合金，輔助變流器為(wei) 碳鋼

漆層：櫃體(ti) 表麵底漆和麵漆，總厚度0.1 mm

清洗部位：吊點、擋板

清洗要求：去除油漆、 無汙物、基底材料無損傷(shang)

激光清洗能夠有效去除變流器櫃體(ti) 油漆，不損傷(shang) 基底材料，清洗效果滿足要求。

分離

工藝技術：油漆分層剝離

應用對象：高鐵車廂表麵油漆

基底材質：鋁合金

清洗要求：分層剝離表麵清漆層，下層麵漆層無損傷(shang) ，不影響重新噴塗效果。

激光清洗能夠分層剝離高鐵車廂表麵油漆，剝離前後油漆結合力和硬度無變化。

‍不同物質

工藝技術：不同種類汙染物清洗

應用對象：油漆、鐵鏽、金屬表麵氧化物清洗試驗

清洗效果可達到GB8923-88《塗裝前鋼材表麵鏽蝕等級和除鏽等級》Sa2.5級~Sa3級

激光清洗技術還可利用高功率密度脈衝(chong) 激光輻照材料表麵產(chan) 生微納米結構，改變材料表麵的物理、化學性質，顯著提高材料表麵對光的吸光率，產(chan) 生黑化或拋光效果。材料表麵激光黑化可用於(yu) 光闌、光閘以及各類光吸收體(ti) 的表麵黑化工作，同時也可用於(yu) 光伏產(chan) 業(ye) 等，如在矽片上製備精細陷光結構，製備新一代太陽能電池。

國內(nei) 外發展現狀

國外應用曆史已久，應用範圍廣泛

激光清洗技術研究起步於(yu) 20世紀80年代中期，但直到20世紀90年代初期才真正步入工業(ye) 生產(chan) 中，在許多場合逐步取代傳(chuan) 統清洗方法。歐洲國家普遍保留了大量的曆史文物和古老建築，許多教堂、城堡、大學、博物館、雕塑等均有數百年甚至千年曆史，歐洲人十分注重這些“古董”的保護和修複，自1990年代中已開始把激光清洗技術用於(yu) 文物修複去汙。

國外激光清洗的去汙範圍非常廣泛，從(cong) 厚鏽層到激光表麵微細顆粒都可以去除，已有近30年的使用經驗。

主要供應商包括：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穩定。

主要技術研究方向如下所示：

Wavelength、Power or energy、Repetition rate、Moving velocity、Focus、Other equipment、Procession technology、激光清洗最佳化、激光參數、清洗運轉參數、外界參數。

國內(nei) 設備公司取得增長，市場成長仍需時間

盡管自2016-2017年，激光清洗的工業(ye) 應用吸引了各行各業(ye) 的普遍關(guan) 注，然而市場的成長與(yu) 用戶接受還需要一些時間，直至2017年底，預估全國有超過40家企業(ye) 與(yu) 科研機構從(cong) 事激光清洗係統的研究與(yu) 開發，總體(ti) 激光清洗相關(guan) 產(chan) 品的營收不超過5億(yi) 元。因為(wei) 激光清洗的工業(ye) 應用在中國還是比較新，有些是初創企業(ye) ，其業(ye) 績還不到一千萬(wan) ，而像大族激光、華工激光、銘鐳激光等兼做清洗設備的，可依靠原來積累的品牌影響贏得一些訂單。

據悉，進入2018年各家激光清洗設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(cong) 事激光清洗設備的企業(ye) 增加，各式機器層出不窮，價(jia) 格也有一定下降，另外就是以往一些潛在用戶在觀望了解後，今年下決(jue) 心采購用上激光清洗。

如今國內(nei) 從(cong) 事激光清洗的科研機構包括中國工程物理研究院激光聚變中心、解放軍(jun) 裝甲兵工程學院再製造中心、哈爾濱工業(ye) 大學、天津大學、江蘇大學、華中科技大學、南開大學等，相關(guan) 激光器廠家主要有創鑫激光、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(cong) 事激光清洗設備開發的企業(ye) 就更多了，大族激光智能裝備集團、華工激光、銘鐳激光、帝耐激光、艾思蘭(lan) 、紐芬奇機電、武鋼華工、嘉信激光、奧華激光、匯澤激光、瑞豐(feng) 光電、翔明激光、三江航天激光研究院等，其中個(ge) 別企業(ye) 最高可以提供1000 W的清洗機。目前國內(nei) 提供激光清洗用的光纖激光器最高功率水平達到800 W，由海富光子生產(chan) ，創鑫激光正在研發；而在1000 W功率水平則僅(jin) 是IPG一家提供。

國內(nei) 的激光清洗發展受到環保需求和政策的驅動，目前仍存在以下問題：

1. 用於清洗的國產激光器技術和產業化還落後國外廠家很多；
2. 激光清洗工藝應用點很多，但沒有形成成熟的體係；
3. 還沒有具備指導性的檢測方法、儀器和行業標準。

目前，由作者帶領的團隊正集合國內(nei) 激光器生產(chan) 企業(ye) 、激光清洗技術研究所和高校、集成單位和應用單位四類代表性組織，聯合成立專(zhuan) 家委員會(hui) 及行業(ye) 標準籌備組，為(wei) 激光清洗技術和產(chan) 業(ye) 指引方向。

由於(yu) 脈衝(chong) 光纖激光器的功率局限，更高功率的激光清洗應用，目前則要用上固體(ti) 激光器，英國的Powerlase公司可提供1600 W用於(yu) 激光清洗的固體(ti) 激光器。一些從(cong) 事配套產(chan) 品的企業(ye) 也順勢推出了激光清洗頭，比如金海創科技。較早開發的激光清洗機主要是手持式的，但由於(yu) 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(ye) 逐漸研發出了機器人激光清洗係統，包括銘鐳、嘉信、匯澤幾家，實現了自動化清洗控製，大大提高了清洗效率和人的安全。

中國未來激光清洗產(chan) 業(ye) 的發展方向

在國家項目上，圍繞軍(jun) 民用飛機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理、工藝技術，突破激光清洗質量控製及其成套裝備研發等關(guan) 鍵技術，實現大功率光纖激光清洗技術在軍(jun) 民飛機蒙皮清洗領域的示範應用，為(wei) 激光清洗技術和裝備的輻射和推廣提供技術、硬件和實踐基礎。

未來國內(nei) 激光清洗產(chan) 業(ye) 將呈集群產(chan) 業(ye) 化的爆發式需求增長，具體(ti) 表現在：傳(chuan) 統方法被快速替代；激光器技術突破性發展；產(chan) 業(ye) 集群的成本大幅降低；高效率、小型化、專(zhuan) 業(ye) 化發展，同時追求高效率、小型化和專(zhuan) 業(ye) 化。

關(guan) 於(yu) 可應用領域的幾點思考

模具的清洗

每年全世界的輪胎生產(chan) 企業(ye) 製造數億(yi) 個(ge) 輪胎，生產(chan) 過程中輪胎模具的清洗必須迅速可靠，以節省停機的時間。傳(chuan) 統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數小時冷卻後，再移往清洗設備進行清潔，清潔所需的時間長，並容易損害模具的精度，化學溶劑及噪聲還會(hui) 產(chan) 生安全和環保等問題。

利用激光清洗方式，可利用光纖來傳(chuan) 輸，在使用上深具彈性；光纖連接而將光導至模具的死角或不易清除的部位進行清洗，因此使用方便；同時，橡膠並無氣化，因此不會(hui) 產(chan) 生有毒害的氣體(ti) ，影響工作環境的安全。

激光清洗輪胎模具的技術已經大量在歐美的輪胎工業(ye) 中被采用，雖然初期投資成本較高，但可在節省待機時間、避免模具損壞、工作安全及節省原材料上所獲得的收益迅速得到回收。根據作者所研發的激光清洗器換算，重輪胎公司生產(chan) 線上進行的清洗試驗表明，僅(jin) 需2個(ge) 小時就可以在線清洗一套大型載重輪胎的模具。和常規清洗方法相比，經濟效益是顯而易見的。食品工業(ye) 模具上防粘的彈性膜層需要定期更換以保證衛生，激光清洗特別適合應用在該領域。

武器裝備的清洗

激光清洗技術在武器維護保養(yang) 上廣泛應用。采用激光清洗係統，可以高效、快捷地清除鏽蝕、汙染物，並可以對清除部位進行選擇，實現清洗的自動化。采用激光清洗，不但清潔度高於(yu) 化學清洗工藝，而且對於(yu) 物體(ti) 表麵幾乎無損害。通過設定不同參數，還可以在金屬物體(ti) 表麵形成一層致密的氧化物保護膜或金屬熔融層，提高表麵強度和耐腐蝕性。激光清除的廢料對環境基本上不構成汙染，還可以進行遠距離操作，有效減少了對操作人員的健康損害。

飛機舊漆的清除

在歐洲激光清洗係統早已應用在航空工業(ye) 中。飛機的表麵經過一定時間後要重新噴漆，但是噴漆之前需要將原來的舊漆完全除去。傳(chuan) 統的機械清除油漆法容易對飛機的金屬表麵造成損傷(shang) ，給安全飛行帶來隱患。如采用多個(ge) 激光清洗係統，可在兩(liang) 天之內(nei) 將一架A320空中客車表麵的漆層完全除掉，且不會(hui) 損傷(shang) 到金屬表麵。

樓宇外牆的清洗

隨著我國經濟的飛速發展，越來越多的摩天大樓被建立起來，大樓外牆的清潔問題日益凸現，激光清洗係統可以通過最長70米的光纖對建築物外牆的清洗提供了很好的解決(jue) 方法，它可以對各種石材、金屬、玻璃上的各種汙染物進行有效清洗，且比常規清洗效率高很多倍。還可以對建築物的各種石材上的黑斑、色斑進行清除。嵩山少林寺對建築物、石碑進行的清洗試驗表明，采用激光清洗對保護古建築恢複外觀效果非常好。

電子工業(ye) 中的清洗

電子工業(ye) 使用激光去除氧化物：電子工業(ye) 需要高精度地去汙，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，在去汙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(ge) 針腳隻需照射一次激光。

精密機械工業(ye) 中的精確去酯清洗

精密機械工業(ye) 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，通常是用化學方法，而化學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(shang) 零件表麵。其汙染物去除是由衝(chong) 擊波完成，零件表麵氧化物薄層爆炸性氣化形成了衝(chong) 擊波，導致汙物去除，而非機械互作用。材料徹底去酯用於(yu) 航天工業(ye) 機械零件的清理。機械零件加工中的油酯去除同樣可采用激光清洗。