冷门黑科技掀起“热”效应！一文看懂激光清洗的那些事

2026-06-10 19:47:38

　　一直以来，我国制造业的表面处理能力远远落后于生产，这也极大限制了制造业由大转强的进程。随着“十四五”战略规划的实施，特别是高端制造及节能减排对于先进工艺的需求愈发迫切。在表面处理方面，国内亟待技术和工艺全面升级。传统的清洗工艺如机械摩擦清洗、化学腐蚀清洗、强力冲击清洗、高频超声清洗等方法，不仅清洗周期长，难以实现自动化，对环境造成有害影响，且达不到理想的清洁效果，无法很好满足精细化加工需求。

　　但随着环境保护、高效率和高精度的矛盾日益突出，其应用受到很大的挑战。与此同时，各种有利于环境保护、适用于超精加工领域零件的清洗技术应运而生，激光清洗技术就是其中之一。

　　而且，去年4月20日，“绿色制造 激光表面清洗技术规范”暨激光清洗技术首个国家标准制定启动会在武汉举行。生产地铁车辆的中车南京浦镇，生产复兴号、和谐号动车组的中车青岛四方、研制长征系列火箭的航天八院、研制和维修飞机结构件的航空系统等相关专家，都在现场为这束能给工业重器“整容”的神奇激光而点赞。

　　这项技术源头就始于武汉的高科技，已经用于火箭发射塔架、复兴号动车组焊接生产线等重大生产项目领域，而今年年底，激光清洗首个国家标准也将在在武汉诞生。

　　激光清洗是利用聚焦的激光作用在材料表面，使表面的污染物迅速汽化或剥离，从而实现材料表面清洗的技术。相对于各类传统的物理或化学的清洗方式，激光清洗具备无接触、无耗材、无污染、精度高、无损伤或损伤小等特点，是新一代工业清洗技术的理想选择。

　　激光清洗的原理比较复杂，可能同时包含物理过程和化学过程，在比较多的情况下是以物理过程为主，伴随着部分化学反应。主要过程可以归纳为三类，包括气化过程、冲击过程和振荡过程。

　　传统的清洗表面漆膜的方法是喷砂或钢刷打磨，工作效率低、成本高、工作环境恶劣，而用激光进行清洗，能很快清除基体表面上的油漆，而不会破坏基体表面。因此激光脱漆成为一种新型的物理脱漆法。

　　当漆膜吸收激光受到交变加热时，由于声光效应而向周围发射声波，声波能量只是激光能量的一部分。在漆膜表面产生的光致声波，相当于一个声波源向外发射声波。进入漆膜的声波在到达漆膜下的物体表面后又反射回来，因为这样产生的声波具有较大的振幅和良好的相干性，所以反射声波和入射声波就会发生干涉，因而使一些地方的振动成倍地增加，在漆膜内犹如产生了微力爆 炸，将油漆变成极其微小的尘埃而清除掉。

　　理论认为激光去胶粘剂残留物是通过气化（即残留物吸收热量并气化挥发）、光分解（如准分子激光的脉冲能量大于有机残留物中的Ｏ—Ｏ，Ｈ—Ｏ，Ｈ—Ｈ，Ｃ—Ｈ，Ｎ —Ｈ 等化学键的键能，从而导致这些键断裂）。而对基体几乎无损伤。

　　油污也是有机物和灰尘的混合物，激光去油污的原理与去胶粘剂残留物的原理近似。 激光清洗系统还应用于油田内管道的清洗。它采用光纤传导，将高功率激光束引入输油 管内部，直接清除油污，清洗下来的物质清理方便。还有用激光清洗漂浮在海洋上的石油和路面的油斑等方面的报道。

　　当高能量的激光照射到材料表面时，表面吸收激光能量转换成内能，使表面温度迅速升高，达到材料的汽化温度以上，从而使污染物以蒸汽的形式脱离材料表面。在表面污染物对激光的吸收率明显高于基材对激光的吸收率时，通常会发生选择性汽化，比较典型的应用案例是石材表面的脏污清理。如下图所示，石材表面的污染物对激光的吸收较强，迅速被汽化。

　　当污染物被清除干净，激光照射到石材表面时，吸收较弱，较多的激光能量被石材表面散射，石材表面的温度变化小，石材表面因此而得到保护，不受损伤。

　　以化学作用为主的典型过程则是在采用紫外波段的激光进行清洗有机污染物时发生，被称作激光消融（Ablation）。紫外激光的波长较短，光子能量高，比如KrF准分子激光，波长248nm，光子能量高达5 eV，超过CO2激光光子能量（0.12 eV）的40倍。这么高的光子能量足以破坏有机物的分子键，使有机污染物中的C-C、C-H、C-O等在吸收激光的光子能量后发生断裂，从而产生裂解气化，从表面清除。

　　冲击过程是在激光与材料作用过程中，发生的一系列反应，进而形成的对材料表面的冲击波。在冲击波的作用下，表面污染物发生碎裂，变成粉尘或碎片从表面剥离。造成冲击波的机理有多种，包括等离子体、蒸汽、急剧的热胀冷缩现象等。以等离子体冲击波为例，可以简要了解一下激光清洗中的冲击过程是如何将表面污染物去除的。随着超短脉宽（ns）、超高峰值功率（107– 1010 W/cm2）激光器的应用，即使表面对激光的吸收较弱的情况下，表面温度依然会急剧升高，瞬间达到汽化温度以上，形成在材料表面上方的蒸气，如下图中（a）所示。

　　蒸气的温度可达到104 - 105 K，可以使蒸气本身或周围的空气发生电离，形成等离子体。等离子体会阻挡激光到达材料表面，材料表面的汽化可能会停止，但是等离子体会继续吸收激光能量，温度持续升高，形成一个局部的超高温超高压的状态，对材料表面产生1-100 kbar的瞬时冲击，并逐步向材料内部传递，如下图（b）和（c）所示。

　　在冲击波作用下，表面污染物发生碎裂，变成微小的粉尘、颗粒或者碎片。当激光从照射位置移开后，等离子体随即消失，局部产生一个负压，污染物的微粒或碎片被从表面移除，如下图（d）所示。

　　短脉冲作用下，材料升温和降温的过程都极其迅速。由于不同的材料，其热膨胀系数不同，因此在短脉冲激光照射下，表面污染物和基体会发生高频次的不同程度的热胀冷缩，产生振荡作用，使污染物从材料表面剥落。在此剥落过程中，可能不会发生材料的汽化，也不一定会产生等离子体，而是依靠振荡作用下，在污染物与基材界面形成的剪切力破坏了污染物与基材的结合。

　　研究表明，当激光的入射角稍微加大时，可以增加激光与颗粒污染物和基材界面的接触，降低激光清洗的阈值，振荡作用更加明显，清洗效率更高。但是入射角也不宜过大，太大的入射角会降低作用在材料表面的能量密度，减弱激光的清洗能力。

　　激光可实现模具无接触清洗，对模具表面十分安全，可以确保其精度，并且可以清洗传统清洗方法无法清除的亚微米级污物颗粒，实现真正的无污染、高效、高质清洗。

　　精密机械工业常常需对零件上用来润滑和抗腐蚀的酯类及矿物油加以清除，通常是用化学方法，而化学清洗往往仍有残留物。激光去酯可以将酯类及矿物油完全去除，不损伤零件表面。激光促使零件表面氧化物薄层爆 炸性气化形成了冲击波，导致污物去除，而非机械互作用。

　　目前，钢轨焊前清洗全部采用砂轮、砂带打磨式清洗，基材损伤严重，残余应力严重，并且每年消耗大量砂轮耗材，成本高，对环境造成严重粉尘污染。激光清洗可为我国高速铁路铺轨生产提供高质、高效的绿色清洗技术，解决以上问题，消除无缝铁轨孔洞、灰斑等焊接缺陷，提高我国高速铁路运行的稳定性及安全性。

　　飞机的表PG电子官网面过一定时间后要重新喷漆，但是喷漆之前需要将原来的旧漆完全除去。化学浸泡/擦拭是航空领域的主要脱漆方法，该方法造成了大量化学附属废物，也无法实现局部检修脱漆，该工序工作量繁重、危害健康。激光清洗可实现飞机蒙皮表面涂漆的高质量去除，且易于实现自动化生产。目前，该技术在国外已开始应用于部分高端机型的维护。

　　目前船舶产前清洗主要采用喷砂方法，喷砂方法对周围环境造成了严重的粉尘污染，已逐渐被禁用，从而导致船舶生产企业的减产，甚至停产。激光清洗技术将为船舶表面防腐喷涂提供绿色无污染清洗方案。

　　3月10日，伴随轻微的“嗞嗞嗞”和一束橙色的光，一块被照射的钢材表面，防锈涂层、浮锈就被清洗得干干净净，透出金属原本的银白色。

　　“这就相当于用脉冲式激光束，给钢材做了一个‘美容’，然后，这个加工过程所产生的烟尘、粉尘等微颗粒物，也被同步跟随的除尘器一并吸走、打包清理。”9日，华工激光的项目负责人高章锐，在一家大型桥梁结构龙头企业的生产现场，向长江日报记者介绍这套U肋激光清洗自动化产线的生态环保举措。

　　目前，越来越多的大跨度、特大路径桥梁采用U型肋板作为桥梁的“肋骨”，一座几十万吨规模的桥梁，至少需要上百万块U型肋板。

　　在焊接U型肋板时，需要去除U型肋板待焊部分的浮锈、氧化皮、漆层、油污等附着物。这些地方的焊接质量，直接影响桥梁的使用寿命、安全性、抗风与抗震等性能。

　　而传统的去除油漆、铁锈的方式，主要是人工操作各种电动、气动工具进行打磨作业，工人劳动强度大，作业效率较低，打磨质量也不稳定，打磨产生的粉尘和噪音较大。

　　为此，华工激光研发的这种高功率的U肋激光清洗自动化产线，填补了国内桥梁行业在这一领域的技术空白。

　　通过给钢材表面洗个“激光浴”，提高了焊接质量，而且这条产线除尘和降噪功能十分强大：烟尘净化系统最大吸风量为10000立方米/小时，可通过吸尘器回收清洗残渣，对粉尘的捕集效率可达99.9%；现场的生产噪音降到75分贝以下，在工厂的生产环境中几乎听不到噪音。

　　湖北省激光行业协会秘书长童吉山表示，这种激光清洗金属的设备，可以进一步向航空航天和其他领域延伸，应用前景十分广阔。

　　牵头起草方之一、武汉翔明激光科技有限公司副总经理王军介绍，该企业位于光谷武汉未来科技城，依托华中科技大学的科研实力和10余年技术积累，拿到30多项自主知识产权专利，自研的激光清洗设备，出货量保持每年近100%的增长率，成本可以在3-5年内降低到普通工业车间能负担得起的水平。但是，国产激光清洗设备要实现领跑，还需要长期的可靠性验证，这就必须赶紧制定标准。

　　据悉，国标委已正式下发计划，由中国航空综合技术研究所、武汉翔明激光科技有限公司牵头起草，中机生产力促进中心、成飞、航天八院800所、华中科技大学等单位联合起草“绿色制造 激光表面清洗技术规范”，预计明年将完成标准制定。

　　记者了解到，目前光谷激光企业达200余家，激光产业年产值已达千亿元，占国内市场规模一半左右，已形成完整产业链，是中国最大的激光设备制造基地之一。

　　6年前，锐科激光牵头，联合华工激光等起草了我国第一部光纤激光器行业标准；去年，华工激光等牵头制定的“工业用光纤激光器参数要求和测试方法”国际标准又获得通过，这是我国激光产品类的首个国际标准。“绿色制造 激光表面清洗技术规范”将是武汉在激光领域牵头制定的又一项国标。

　　目前，光谷正围绕“打造激光产业集群”开展工作，以东湖科学城为核心，着力打造“光芯屏端网”万亿级光电子信息产业，加快打造世界一流的激光产业发展集群。

　　当今先进制造业已成为国际竞争的制高点，激光制造是我国“十三五”期间部署的重点任务，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价值潜力巨大，大力发展激光清洗技术对我国高端激光制造技术与装备国际竞争力的大幅提升、经济和社会的发展具有非常重要的战略意义。