激光清洗技术崛起一文了解其三大作用和方法、研究进展及优劣势

2025-04-26 14:52:58

　　近几年，激光清洗成为了工业制造领域的研究热点之一，研究内容涵盖工艺、理论、装备及应用。在工业应用领域，激光清洗技术已能可靠地清洗大量不同的基材表面，清洗对象包括钢、铝合金、钛合金、玻璃和复合材料等，应用行业覆盖航天、航空、船舶、高铁、汽车、模具、核电和海洋等领域。

　　激光清洗技术，最早可追溯到20世纪60年代，具有清洗效果佳、应用范围广、精度高、非接触式和可达性好等优势。在工业制造、生产和维修等领域具有广泛的应用前景，有望部分或完全替代传统清洗方法，成为21世纪最具发展潜力的绿色清洗技术。

　　即利用基底与表面污染物对某一波长激光能量吸收系数的差别，使基底物质与表面污物吸收能量产生热膨胀，当污垢的膨胀力大于污垢对基体的吸附力时，污垢便会脱离物体的表面;

　　激光可以实现能量在时间和空间上的高度集中，聚焦的激光束在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温，使污垢瞬间蒸发、气化或分解;

　　利用高频率的脉冲激光辐照待清洗表面，激光光束可以通过在固体表面产生超声波，产生力学共振使污垢层或凝结物振动碎裂。

　　激光清洗过程十分复杂，涉及材料去除机理的种类繁多，对于某一种激光清洗方法，清洗过程中可能同时存在多种机理，这主要归因于激光与材料之间的相互作用，包括材料表面发生的烧蚀、分解、电离、降解、熔化、燃烧、气化、振动、飞溅、膨胀、收缩、爆炸、剥离、脱落等物理化学变化过程。

　　目前，典型的激光清洗方法主要有三种：激光烧蚀清洗、液膜辅助激光清洗和激光冲击波式清洗方法。

　　方法机理主要有热膨胀、气化、烧蚀和相爆炸等。激光直接作用于基材表面待去除的材料上，环境条件可以为空气、稀有气体或真空。操作条件简单，使用最为广泛，可去除各种涂层、油漆、颗粒或污物。图1为激光烧蚀清洗方法的工艺示意图。

　　当激光辐照在材料表面时，基体和清洗物均先发生热膨胀。随着激光与清洗物相互作用时间的增加，如果温度低于清洗物的气化阈值，则清洗物仅发生物理变化过程，清洗物与基体热膨胀系数之间的差异导致界面处产生压力，清洗物发生屈曲、从基材表面撕开，裂纹产生，出现机械断裂、振动破碎等现象，清洗物以喷射方式被去除或被剥离基材表面。

　　如果温度高于清洗物的气化阈值温度，会出现两种情况：1）清洗物的烧蚀阈值小于基材；2）清洗物的烧蚀阈值大于基材。

　　这两种情况下清洗物均发生熔化、气化和烧蚀等物理化学变化，清洗机制比较复杂，除了热效应以外，还可能包括清洗物与基材之间的分子键断裂、清洗物的分解或降解、相爆炸、清洗物气化瞬间发生电离、产生等离子体等。

　　方法机理主要有液膜沸腾气化和振动等。使用时需要选择合适的激光波长，在某种程度可弥补激光烧蚀清洗过程中冲击压力的不足，可用于去除一些比较难去除的清洗对象。

　　如图2所示，将液膜(水、乙醇或其他液体PG电子官方平台入口)预先覆盖在清洗物表面，然后用激光对其进行照射。液膜吸收激光能量致使液态介质发生强力爆炸，爆炸的沸腾液体高速运动，将能量传递给表层清洗物，高瞬态的爆炸性力量足以去除表面污物以达到清洗目的。

　　工艺方式和机理与前两者有很大的不同，机理主要为冲击波力去除，清洗对象主要为微粒，主要用于去除微粒(亚微米级或纳米级)。工艺要求非常严格，既要保证能够电离空气，又要使激光与基材之间保持合适的距离，以确保作用在微粒上的冲击力足够大。

　　激光冲击波式清洗的工艺示意图如图3所示，激光以平行于基材表面的方向射出，与基材不发生接触。移动工件或激光头将激光焦点调整至微粒附近，激光输出后，焦点处空气会发生电离现象，产生冲击波，冲击波以圆球状迅速膨胀扩大，并延伸至与微粒发生接触。当冲击波作用在微粒上的横向分量的力矩大于纵向分量及微粒粘附力的力矩时，微粒发生滚动去除。

　　20世纪80年代，半导体行业的高速发展对硅晶元掩模表面的污染微粒的清洗技术提出了更高的要求，其关键点在于克服污染微颗粒与基材之间极大的吸附力，传统的化学清洗、机械清洗、超声清洗方法均无法满足需求，而激光清洗可以解决此类污染问题，相关研究与应用得到迅速发展。

　　1987年，首次出现了关于激光清洗的专利申请。进入20世纪90年代后，Zapka等成功将激光清洗技术应用于半导体制造工艺，去除了掩模表面的微颗粒，实现了早期激光清洗技术在工业领域的应用。1995年，研究者使用2 kW的TEA-CO2激光器成功实现了飞机机身除漆的清洗。

　　进入21世纪后，随着超短脉冲激光器的高速发展，国内外对激光清洗技术的研究和应用逐步增多，重点集中在金属材料表面，国外的典型应用有飞机机身脱漆、模具表面除油污、发动机内部除积碳和焊前接头的表面清理等。美国爱迪生焊接研究所激光清洗了FG16战机，当激光功率为1 kW时，每分钟的清洗体积为2.36 cm3。

　　值得一提的是，先进复合材料部件的激光脱漆研究与应用也是一大热点。美国海军HG53、HG56直升机的螺旋桨叶片和F16战斗机的平尾等复合材料表面均已实现激光脱漆应用，而我国复合材料在飞机上的应用较晚，因此此类研究基本处于空白。

　　此外，利用激光清洗技术对CFRP复合材料胶接前接头进行表面处理以提高接头强度也是当前的研究重点之一。Adapt Laser公司给奥迪TT汽车生产线提供了光纤激光清洗装备，以清洗轻质铝合金车门框表面的氧化膜。英国RollsＧRoyce公司用激光清洗了钛合金航空发动机部件表面的氧化膜。

　　国内学者在激光清洗领域开展研究的时间较晚，加上短脉冲激光器本身价格昂贵，需要更高的清洗效率才能在实际应用中取得较高价值，因此目前的相关应用极少。

　　近年来，国内的一些高校、科研院所和企业陆续开展了激光清洗技术在工业领域的应用研究，并且进行了激光清洗装备的制造。

　　哈尔滨工业大学开展了汽车热成型钢表面Al-Si涂层的去除、钢铁表面除锈、航天铝合金及钛合金焊前除氧化膜、铝基复合材料表面除污物、陶瓷材料的清洗等研究。

　　中国工程物理研究院开展了对轮胎模具除脱模剂，飞机机翼和雷达罩(复合材料)及坦克装甲脱漆，船用部件除锈等的研究。

　　上海临仕激光科技有限公司开展了涡轮叶片、航天进气道(钛合金)及轻质合金焊前的表面清洗工艺研究，并已开发出激光清洗装备。

　　大族激光科技股份有限公司开展了去除行星轮架(铸铝)和从动锥齿轮表面的氧化物、铜件表面的氧化物、活塞表面的石墨以及锯片表面的油漆的工艺探索。

　　与机械摩擦清洗、化学腐蚀清洗、液体固体强力冲击清洗、高频超声清洗等传统清洗方法相比，激光清洗具有明显的优点。

　　激光清洗不使用任何化学药剂，清洗过程产生的残留物很少，且为固体无害粉末，不会对环境造成污染。

　　激光清洗方式为非接触式手段，对被清洗物体不产生机械作用力，无摩擦、热量传导非常低，不会损伤金属物体。

　　易实现自动化，降低劳动强度，激光清洗设备可以与机器人相配合实现远距离操作，能够清洗结构复杂的工件部位，降低一些危险场景的清洗操作的事故率。

　　激光清洗能够清除各种材料表面的各种类型的污染物，达到常规清洗无法达到的清洁度。而且还可以在不损伤材料表面的情况下有选择性地清洗材料表面的污染物。

　　购买激光清洗系统虽然前期一次性投入较高，但清洗系统可以长期稳定使用，运行成PG电子官方平台入口本低，每小时仅需电费。

　　第一，价格贵，设备前期投资高，有很多行业和用户用不起。很多传统制造业，面对动辄几十万或者上百万的价格，往往是望而却步。

　　第二，激光清洗相比传统的清洗技术，比如喷砂和化学清洗的方式，效率还比较低。还有待开发更高功率的激光清洗设备，以实现高效的清洗过程。

　　第三，针对高端的应用，缺少相应的工艺和配套的完整解决方案，行业需要吸纳更多包括激光应用、自动化、智能检测、软件等在内的专业人才。

　　在理论与工艺方面，虽然国内外在激光清洗的工艺研究方面均已开展了大量试验，但是激光清洗的理论和机理研究尚不完善。尽管已建立了相关物理模型，但是这些模型仍然有很大局限性。在实际应用方面，国内与国外的差距较大，这是因为国内激光清洗工艺不够成熟，设备限制了激光清洗效率和精度，尤其是我国无法自主研发高功率短脉冲激光器，这是限制高效激光清洗成套装备开发的一大瓶颈。

　　激光清洗技术作为激光制造中的一种先进技术，在工业发展中的应用潜力巨大，大力发展激光清洗技术具有非常重要的战略意义。

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