本文作者宋啟良、胡振峰、梁秀兵、喬(qiao) 玉林、金國，由激觀光行察業(ye) 編輯整理，僅(jin) 供交流學習(xi) 之用，感謝分享！

世界上第1台激光器誕生於(yu) 1960年由美國科學家西奧多哈羅德梅曼教授利用紅寶石研發，從(cong) 此開啟了激光造福人類的大門。在接下來的時間裏應用於(yu) 各種領域的激光器相繼誕生。激光技術的推廣使得醫療、裝備製造、精準測量和再製造工程等領域科技飛速發展加快了社會(hui) 進步的步伐。

在清洗領域中激光的應用更是取得了重要成果。與(yu) 傳(chuan) 統的清洗方法相比如機械摩擦、化學腐蝕和高頻超聲等激光清洗可以實現全自動化運行其具有工作效率高、成本低、對環境無汙染、對基材無損傷(shang) 和材料的適用範圍廣等優(you) 點完全符合綠色、環保的加工理念是目前最可靠、有效的清洗方式。

清洗是對廢舊機械零部件檢測和加工的前提采用激光清洗技術可以有效地控製基體(ti) 表麵形貌和表麵粗糙度實現基材清洗後性能的提升也可應用於(yu) 大型零部件製造、表麵處理或者再製造領域。雖然目前激光清洗還沒有完全取代傳(chuan) 統的清洗方式但隨著國家對製造業(ye) 節能、減排等環保意識的增強激光清洗將以它獨特的優(you) 點逐漸走進人們(men) 的生活。

一、激光清洗的原理

在20世紀80年代中期，Beklemyshev、Allrn等科學家針對實際工作需要將激光技術與(yu) 清洗技術結合起來並進行了相關(guan) 研究自此激光清洗（Laser Cleanning）這一技術理念誕生.眾(zhong) 所周知汙染物與(yu) 基體(ti) 之間的結合力分為(wei) 共價(jia) 鍵、雙偶極子、毛細作用以及範德華力等作用力如能將此作用力克服或破壞那麽(me) 就會(hui) 達到脫汙的效果。

激光清洗是利用激光光束具有大的能量密度、方向可控和匯聚能力強等特性，使汙染物與(yu) 基體(ti) 之間的結合力受到破壞或者使汙染物直接氣化等方式進行脫汙，降低汙染物與(yu) 基體(ti) 的結合強度，進而達到清洗工件表麵的作用。激光清洗原理圖如圖１所示。當工件表麵汙染物吸收激光的能量後，其快速氣化或瞬間受熱膨脹後克服汙染物與(yu) 基體(ti) 表麵之間的作用力，由於(yu) 受熱能量升高，汙染物粒子進行振動後而從(cong) 基體(ti) 表麵脫落。

整個(ge) 激光清洗過程大致分為(wei) ４個(ge) 階段，即激光氣化分解、激光剝離、汙染物粒子熱膨脹、基體(ti) 表麵振動和汙染物脫離。當然，在應用激光清洗技術時還要注意被清洗對象的激光清洗閾值，選擇合適的激光波長，進而達到最佳的清洗效果。激光清洗能夠在不損傷(shang) 基體(ti) 表麵的前提下，使基材表麵的晶粒結構和取向改變，並且還能夠對基體(ti) 表麵粗糙度進行控製，從(cong) 而增強基體(ti) 表麵的綜合性能。清洗效果主要受光束特性、基底與(yu) 汙物材料的物性參數和汙物對光束能量的吸收能力等因素影響。

目前，激光清洗技術包括幹式激光清洗技術、濕式激光清洗技術和激光等離子體(ti) 衝(chong) 擊波技術等３種清洗方式。

1、幹式激光清洗即脈衝(chong) 激光直接照射清洗工件，使基底或表麵汙染物吸收能量溫度升高，產(chan) 生熱膨脹或基底熱振動，進而使二者分離。該方法大致分為(wei) 2種情況：一種是表麵汙染物吸收激光膨脹；另一種是基底吸收激光產(chan) 生熱振動。

2、濕式激光清洗是在脈衝(chong) 激光照射待洗工件前，先進行表麵預塗液膜，在激光的作用下液膜溫度快速升高而氣化，氣化的瞬間產(chan) 生衝(chong) 擊波，作用在汙染物顆粒中，使其從(cong) 基體(ti) 上脫落。此方法要求基體(ti) 與(yu) 液膜不能發生反應，故限製了應用材料的範圍。

3、激光等離子體(ti) 衝(chong) 擊波是在激光照射過程中擊穿空氣介質而產(chan) 生球狀等離子體(ti) 衝(chong) 擊波，衝(chong) 擊波作用在待洗基體(ti) 表麵並且釋放能量將汙染物去除；激

光未作用於(yu) 基體(ti) ，因此對基體(ti) 不產(chan) 生傷(shang) 害。激光等離子體(ti) 衝(chong) 擊波清洗技術現已可以清洗幾十納米粒徑的顆粒汙染物，並且對激光波長沒有限製。

在實際生產(chan) 中，應根據需要具體(ti) 選擇不同的試驗方法和相關(guan) 參數，來獲得優(you) 質的清洗工件。在激光清洗過程中，表麵清洗效率與(yu) 質量評定是確定激光清洗技術好壞的重要衡量標準。

二、激光清洗的發展現狀

自20世紀80年代中期激光清洗技術理念誕生後，激光清洗一直伴隨著激光技術的進步而發展。20世紀70年代美國科學家J．Asums率先提出用激光清洗技術清洗雕塑、壁畫等文物的觀點，並且在實踐中驗證了激光清洗對保護文物具有重要作用。

國外從(cong) 事激光清洗設備生產(chan) 的企業(ye) 主要有美國的Adapt Laser和Laser clean all公司、意大利的El En goup公司以及德國的Rofin公司等，其激光設備大多為(wei) 大功率、高重複頻率的激光器。如E.Y.Assendel'ft等1988年首次利用短波高脈衝(chong) 能量的CO２激光器進行濕式清洗試驗，脈寬100ns、單脈能量300mJ，當時在世界上占有領先地位。

國外激光技術的發展以1998年作為(wei) 曆史分界，主要分為(wei) 2個(ge) 階段：1998年以前激光清洗剛剛興(xing) 起，相對來說投入的人力物力有限、發展較慢；從(cong) 1998年至今，激光在清洗領域的發展突飛猛進。R.Rechner等利用激光清洗鋁合金表麵的氧化層，使用掃描電鏡、能譜儀(yi) 、紅外光譜和X射線光電子能譜分析等方法觀察清洗前後的元素種類與(yu) 含量的變化。還有學者將飛秒激光器應用到對曆史文獻、文件的清理和保存領域中，且具有高的清洗效率、小的變色效果和對纖維無任何損傷(shang) 等優(you) 點。

我國激光清洗的研究起步相對較晚，早期也隻有部分高校（如西安交通大學、大連理工大學和南開大學等）開展研究。2005年華中科技大學和中科院的相關(guan) 學者就軍(jun) 用裝備表麵清洗做了研究，利用TEA CO2激光器對飛機表麵進行脫漆。2007年南開大學的宋峰等開展調Q短脈衝(chong) 激光除漆的理論研究。2008年青島科技大學的周桂蓮等開展了激光對模具表麵清洗的溫度場研究。南京理工大學的張平等利用激光等離子體(ti) 衝(chong) 擊波對矽片表麵進行了清洗。

還有2017年陸軍(jun) 裝甲兵學院的學者們(men) 率先研製出國內(nei) 首台“新型500W高重頻高能量激光清洗工程化設備”，打破了我國大功率激光清洗設備依賴進口的局麵。我國學者王曼曼等研究了激光清洗與(yu) 傳(chuan) 統清洗方式的差異性，自主研發了手持式激光清洗係統，並應用Ezcad軟件，結果發現，手持式激光清洗係統使用更便捷，不受工作環境的限製，對於(yu) 一些比較大型的工件進行除鏽會(hui) 比台式的更加方便，應用領域更廣闊。目前，我國雖然在激光清洗領域取得了一些進展，但激光器製造的核心零件還需進口，部分核心技術仍處於(yu) 國際落後階段；因此，加強開發我國激光清洗技術、在核心技術層麵上革新是任重道遠的，也是迫在眉睫的。

三、激光清洗的應用

激光清洗在工業(ye) 生產(chan) 中作為(wei) 加工的第1道工序，不僅(jin) 可以有效除鏽、除汙，還可以使基體(ti) 表麵發生化學反應，生成一層保護層防止基體(ti) 重新生鏽，提高其抗蝕能力。目前，激光清洗技術已應用到軍(jun) 工、工業(ye) 生產(chan) 、微電子、文物保護和醫療等各個(ge) 領域。

3.1 在軍(jun) 工領域中的應用

在軍(jun) 工領域中，最早美國科學家提出利用激光對軍(jun) 用飛機進行脫漆，並作了相關(guan) 研究，但由於(yu) 當時激光器設備昂貴且大而笨重，故隻停留在實驗室研究階段，此後隨著激光設備的進步與(yu) 完善，為(wei) 激光清洗提供了便利。

我國羅紅心等利用連續CO２激光器對飛機蒙皮模擬試樣進行脫漆，激光功率為(wei) 30W/mm２以400mm/min的掃描速度可一次將蒙皮舊漆除掉，且對基體(ti) 無損傷(shang) 。鄭光等在前人的基礎上對TEA CO２激光飛機蒙皮脫漆後進行一係列性能測試，結果表明，脫漆後的飛機蒙皮抗拉強度、疲勞強度以及維氏硬度等與(yu) 基體(ti) 相比均無變化，耐蝕性能有所上升；在不引起靶麵氣體(ti) 擊穿的前提下，激光的能量密度越高，脈寬越窄，越有利於(yu) 脫漆。目前，厚度為(wei) 1mm、麵積為(wei) 36m2的舊漆層利用激光清洗可在1h內(nei) 完全脫掉，在48h內(nei) 可完成1架波音 737飛機的蒙皮脫漆。以上足以說明，激光清洗技術在飛機蒙皮脫漆處理上的應用具有裏程碑式意義(yi) 。

在其他軍(jun) 用裝備上激光清洗也發揮了巨大的作用。侯素霞等利用CO2激光器清洗軍(jun) 用裝備表麵黴菌，根據激光照射過程中使菌體(ti) 燃燒或微量爆炸而氣化分解的原理，研製出了軍(jun) 用小型激光清洗設備，有效地防止了黴菌對武器裝備的腐蝕和氧化，消除了菌絲(si) 形成的生物電橋對設備電路的影響，大大減少了武器裝備清洗的人力、物力。宋桂飛等針對彈藥修理麵臨(lin) 的除鏽除漆技術難題，利用20W光纖激光器對彈藥開展了除鏽除漆試驗，結果表明, 激光輻照掃描的部位鏽蝕、殘餘(yu) 油漆均被清除，並露出基體(ti) 材料的金屬光澤，且基體(ti) 組織均勻、無損傷(shang) ; 材料的表麵溫度幾乎沒有變化，表明激光用於(yu) 危爆裝置表麵處理，不會(hui) 因熱效應而發生燃爆，隻需要處理好激光特征參數與(yu) 表麵處理質量、作業(ye) 效率的關(guan) 係。

在軍(jun) 用裝備的維護與(yu) 製造中激光清洗可提升裝備維修的效率，減少武器彈藥表麵的氧化，為(wei) 軍(jun) 用裝備、軍(jun) 隊戰鬥力提供有力保障。

3.2 在工業(ye) 領域的應用

在工業(ye) 生產(chan) 領域，機械設備長時間服役，零部件表麵積累了大量油汙、廢舊漆層、鏽蝕和積碳等汙染層。利用TEA CO2激光器清洗工業(ye) 設備上長期服役的鐵釘後，利用SEM檢驗分析發現，鐵釘上原有的鍍鋅鍍層完好無損，隻是將表麵的油汙等汙染層清除。

Y.C.Guan等采用脈衝(chong) Nd：YAG 激光器（為(wei) 1064nm）對柴油機活塞的碳質沉澱物進行了清洗，後經 XPS 和 SEM/EDX 等檢測發現，柴油機基體(ti) 表麵的 Fe3C被完全清除，羧酸鹽也顯著減少。羅雅等根據焊接工藝需要，對焊前 TC11鈦合金進行激光清洗的前處理，並研究激光清洗對焊接性能的影響，試驗采POWERLASE Rigel i400的納秒脈衝(chong) 固體(ti) 激光器，清洗功率為(wei) 150W，線光斑長25mm，掃描速率為(wei) 10mm/s，並使用氬氣保護，對清洗試件和未清洗試件分別進行真空電子束焊接並分析測試，結果表明，激光清洗後可以完全清除鈦合金表麵的氧化膜和汙染物，且焊縫質量為(wei) 一級，內(nei) 部無焊接缺陷產(chan) 生，可見激光清洗技術相對於(yu) 傳(chuan) 統的焊前試樣處理方法，可以有效地改善焊接

質量。

N.Maharjan等學者利用波長790nm、130fs脈衝(chong) 、功率1.5W的飛秒激光器清洗航空零部件，可有效地去除表麵汙染物，經測試分析發現，清洗後表麵氧含量顯著下降，在適當的激光參數下，將飛秒激光應用於(yu) 清洗技術中可提高清洗效率。倪加明等利用激光清洗技術對鋁合金陽極氧化膜進行局部激光清洗，並將清洗後的焊接試板進行對接焊接，通過X射線檢測以評定焊縫質量，采用金相組織進行觀察和分析，通過常溫拉伸試驗測試去除氧化膜對焊縫性能的影響，結果表明，陽極氧化膜被徹底清洗幹淨，經激光清洗的鋁合金接頭抗拉強度為(wei) 298~303MPa，拉伸斷裂延伸率為(wei) 6.2%~6.5%，激光清理焊縫與(yu) 機械刮削焊縫的性能範圍一致，焊接過程中焊接熔池幹淨，焊縫無聚集狀氣孔、雜質等內(nei) 部缺陷，大大提升了鋁合金的焊接性。

S.Genna等利用激光清洗技術對碳纖維增強塑料（CFRP）表麵進行清洗，探究了碳纖維布的激光輔助連接（LAJ）的預處理工藝，利用 Yb：YAG 纖維激光器，功率為(wei) 30W，結果表明，激光清洗作為(wei) 預處理使接頭強度顯著增加，其他參數最優(you) 情況下，強度是樣本的2倍；激光清洗可從(cong) 層壓板中去除第1個(ge) 環氧基層，這對改善連接形態極為(wei) 有利。喬(qiao) 玉林等利用波長為(wei) 1064nm的高重頻高能量激光對鈦合金表麵積碳進行了激光清洗試驗，並分析了清洗速度對激光清洗鈦合金積碳表麵的形貌和組成的影響，結果表明，當激光功率為(wei) 500W、脈衝(chong) 寬度為(wei) 20ns、頻率為(wei) 18kHz、掃描寬度為(wei) 5cm時，清洗速度為(wei) 7cm2/s的清洗效果最佳，質量最好；若清洗速度過小，鈦合金表麵會(hui) 出現光斑痕跡，光斑中心會(hui) 有部分微熔。

激光清洗技術在橡膠生產(chan) 行業(ye) 同樣有著不可替代的作用，輪胎模具由於(yu) 長時間的服役，表麵沉積了大量汙染物，對生產(chan) 精度產(chan) 生了巨大影響，利用激光技術可以對輪胎模具表麵（見圖２）進行“綠色”清洗。

激光清洗技術在工業(ye) 上的應用，使除積碳效果和焊接工藝質量得到大幅度的提升，可對不同的基材表麵進行高效積碳清洗，減少焊接缺陷，提升材料的焊接性；同時還可節約企業(ye) 的生產(chan) 成本，提升企業(ye) 的生產(chan) 效率。

3.3 在其他領域的應用

在微電子加工、文物保護和醫療等其他領域，激光清洗技術的應用也取得了很大進展。聚酰亞(ya) 胺是電子元器件封裝薄膜內(nei) 部連接結構的介質材料，利用波長為(wei) 248和193nm的準分子激光可以有效地剝離有機聚合物，防止Pd和TiCrW等對聚酰亞(ya) 胺的汙染。在電路板清洗方麵，被廣泛應用的是KrF激光器，其脈衝(chong) 能量為(wei) 300mJ、脈寬為(wei) 20ns、頻率為(wei) 1Hz，可清洗電路板表麵的鈍化膜。

激光清洗文物、工藝品以及建築物的應用已經非常廣泛，在歐洲人們(men) 已經清洗了各種建築，如波蘭(lan) 的烈士墓、倫(lun) 敦的西行政宮等。采用KrF準分子激光器，用波長為(wei) 1.06nm的激光可以有效地將石雕等工藝品（如石灰石、大理石和骨頭）的汙垢清洗幹淨，且對文物本身無損害。雖然激光清洗技術應用效果十分可靠，但激光並不是所有文物都可以清洗的，如彩色多樣的工藝品，由於(yu) 不同的顏色對激光吸收色譜不同，導致吸收能量大小不一，故能量吸收高的部分會(hui) 受到損傷(shang) 。

在醫療上，激光清洗已被應用在清洗紋身、紋眉領域中。以往利用化學藥物清洗或者進行近一步紋塗掩蓋，不但不能完全清洗掉色素，還會(hui) 留下疤痕，甚至危害健康；將激光作用於(yu) 患處，利用激光傳(chuan) 遞的能量將色素顆粒快速擊碎，通過皮膚退皮以及細胞吞噬等代謝方式去除紋身色素，且激光清洗效果良好，並對患者的皮膚無傷(shang) 害。

還有學者將激光清洗技術與(yu) 食品工業(ye) 相結合，利用YAG納秒脈衝(chong) 激光器，在不同的加工條件下，將304不鏽鋼板上的食品加工殘留物清洗幹淨。

T.Uthaijunyawong等通過使用合適功率(12W)的激光，可以在不損壞底物表麵的情況下對食品用具進行清洗，獲得了17%的清潔麵積，通過GC/MS/SIM技術定量分析了激光清洗前後的16種多環芳烴（PAHs）煙熏醃泡汁中產(chan) 生的煙霧。試驗表明，在激光排氣中，測試發現2-3環的多環芳烴約占全部多環芳烴的86%，總的PAH濃度數值遠遠高於(yu) 世衛組織中所規定的1ng/m3多環芳烴含量，因此在激光清洗時要安裝一個(ge) 適當的抽吸係統，以防止食品的二次多環芳烴汙染。激光清洗食品用具過程可以縮短清洗時間，減少有毒廢物的使用，並在此過程中降低操作人員的職業(ye) 風險。

四、結語

目前，我國製造業(ye) 大而不強，缺乏核心技術，在表麵處理工藝領域尤為(wei) 突出。現代智能製造的發展，需要表麵處理技術作為(wei) 基石，需要先進的工藝方法實現填補和替代，這是我國製造業(ye) 由大轉強過程中麵臨(lin) 的一個(ge) 重要挑戰。

激光清洗技術作為(wei) 現代綠色清洗技術，是新時代工業(ye) 發展的產(chan) 物，具有省時、省力、對基材無損害以及對環境無汙染等優(you) 點。

據統計，2018年全球清洗市場總額已達到5.89億(yi) 美元，預計到2023年，這一數值將攀升至7.24億(yi) 美元，可見引入激光清洗技術將會(hui) 帶來極其可觀的經濟效益。

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