激光清洗技术概论及应用现状

2025-07-13 07:16:44

　　

　　在工业生产、文物保护以及牙科疾病的治疗中，常常需要用到清洗技术。例如：工业制品在电镀、

　　磷化、喷涂、焊接、包装以及集成线路的装配时，为保证下道工序中工件的质星,必须除去产品

　　表面上的油脂、灰尘、锈垢或残留的溶列、粘结痢等污物。由于环境污染和保护不善等原因，很

　　多的文物和艺术品正逐渐被锈蚀和污损，为恢复旧貌，需对文物表面的污垢及锈迹进行清洗。

　　传统的清洗方法包括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法，机械清洗法即采用刮、擦、刷、

　　喷砂等机械手段去除表面污物；湿法化学清洗法是利用有机清洗列，通过喷、淋、浸泡或高频振

　　动等措施去除表面附着物业超声波清洗法是将被处理零件放入清洗列中，利用超声波产生的振动

　　目前这三种清洗方法在我国清洗市场中仍占主导地位，但在环境保护和高精度要求下其应用受到

　　很大的限制。机械清洗法无法满足高清洁度清洗要求，容易损伤被清洗工件的表面积而化学清洗

　　方法容易导致坏境污染，获得的清洁度也很有限，特别是当污垢成分复杂时，必须选用多种清洗

　　列反复清洗才可能满足表面消洁度的要求。超声波清洗法尽管清洗效果不错，但对亚微米级污粒

　　的清洗无能为力，清洗槽的尺寸限制了加工零件的范围和复杂程度,而且清洗后对工件的干燥亦

　　近年来,随着人们环保意识的增强,给世界范围内清洗业的发展带来了巨大的挑战，各种有利于环

　　所谓激光清洗技术是指利用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发

　　或剥离，高速有效地清除清洁对象表面附看物或表面涂层,从而达到洁净的工艺过程。它是基于

　　激光与物质相互作用效应的一项新技术，与传统的机械清洗法、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，有明显的优点。它高效、快捷、成本低，对基片产

　　废物可回收，无坏境污染物安全可靠，不扌员害操作人员健康证可以清除各种不同厚度、不同成

　　激光的特点是具有高方向性,单色性，高相干性和高亮度。通过透镜的聚焦和Q开关，可以把能

　　呈集中到一个很小的空间范围和时间范围内。在激光清洗处理中，主要利用了激光的以下特性：

　　1、激光可以实现能星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

　　2、激光束的发散角/」\,方向性好,通过聚光系统可以使激光束聚集成不同直径的光斑。在激光

　　能呈相同的条件下，控制不同直径的激光束光斑可以调整激光的能呈密度，使污垢受热膨胀。当

　　3、激光光束可以通过在固体表面产生超声波，产生力学共振，使污垢破碎脱落。

　　激光清洗技术正是利用了上述激光的特性从而达到清洗的目的。根据被清洗基体物质

　　一类是利用淸洗基片（也称为母体）与表而附着物（污物）对某一波长激光能量的吸收系数具有

　　很大的差别。辐射到表而的激光能量大部分被表而附着物所吸收，从而受热或气化蒸发,或瞬间

　　膨胀，并被形成的气流带动，脱离物体表而，达到淸洗目的。而基片由于对该波长的激光吸收能

　　量极小，不会受到损伤。对此类激光淸洗，选择合适的波长和控制好激光能量大小，是实现安全

　　列一类适用于淸洁基片与表而附着物的激光能量吸收系数差别不大，或基片对涂层受热形成的酸

　　性蒸气较为敏感，或涂层受热后会产生有毒物质等情况的清洗方法。该类方法通常是利用高功率

　　高重复率的脉冲激光冲击被淸洗的表而，使部分光朿转换成声波。声波击中下层硬表面后，返回

　　的部分与激光产生的入射声波发生干涉，产生高能波，使涂层发生小范围的爆炸，涂层被压成粉

　　2、激光+液膜方法，即首先沉积一层液膜于基体表面，然后用激光辐射去污；当激光照射于液

　　膜上时，液膜急剧受热，产生爆炸性汽化，爆炸性冲击波使基体表面的污物松散。并随冲击波飞

　　3、激光+惰性气体的方法，即在激光辐射的同时，用惰性气体吹向基体表面，当污物从表面剥

　　目前，常用的是前3种方法。第4种方法仅应用于石质文物的清洗中,而一个完整的激光清洗系

　　统包括：激光器或YAG激光器）、试样加工台、导光系统、控制台、辅助系统（如呈热计、光

　　束轮廓仪及其附件）。对于激光+液膜的清洗方法，还有液膜沉积系统。当采用激光+惰性气体

　　石雕和石刻等年代久远的高档石质艺术品，由于其极精细和易损的表面结构，成为激光清洗技术

　　应用最早的领域。人们发现，用激光清除石质文物表面的污垢有其独特的优势，它能够十分精确

　　1.1992年9月联合国教科文组织所属的世界文化遗产保护组织为纪念该组织创建二十周年，实

　　施了对蕃名的英国亚明大教堂的维修工程。亚明大教堂西侧的圣母门上精美的大理石雕刻是工程

　　的关键。在为期一年的圣母门维修工程中，维修人员借助于激光，用激光光束除去了覆盖在大理

　　石雕刻花纹上几毫米厚的黑色垢层，大理石表面原来的色泽体现出来，使精美的雕刻重现光彩。

　　2.英国最重要的石雕收藏处之一的英斯布伦蒂尔的石雕收藏品经激光清洗后，也得

　　到了同样的效果。人们用电子显微谯观察激光清洗后的石雕表面，发现激光清洗后石头的结构没

　　有变化，被清洗的表面既光滑又平坦，没有损伤。这跟用微粒子喷射法（喷砂法）清洗后的表面

　　完全不同。微粒子喷射法清洗后大理石表面结构的损伤是难以避免的，特别是对已有硫酸盐垢层

　　的大理石表面。电子显微镜的观察还发现，激光照射后，表层下岩石材料的各项性质既无退化，

　　目前，用激光清洗石灰石、大理石等高档石材料表面污垢的工作已成为一项新的很有前途的业务

　　项目。除了对石材PG电子官方平台入口料的清洗外，激光清洗在玻璃、金属、模具、磁盘以及各种微电子产品的清洗

　　中都有很好的效果，在汽车轮胎的生产中,轮胎模具的底部及周边花纹每隔二至三周需要清洗一

　　次，每隔几个月就要将整个模具彻底清洗一次。传统方法是用化学药水浸泡或喷砂清洗，不但费

　　另外，这类清洗方法不能实现在线清洗，清洗前的拆卸模具和清洗后的安装模具耗时长，影响生

　　产流水线正常运转。利用激光技术清洗模具即可实现在线清洗作业。根据 模具表面有机附着物的

　　多少和胶料结构的不同，清洗一套模具仅需 45-90 分钟（包括 装卸和清洗模具两侧的零件）。

　　由于模具表面可以反射激光束，因此模具表面不会被 激光损伤。激光清洗具有很高的灵活性，用

　　户完全可以用此技术替代正在使用的其它 方法。目前国外已用YAG激光器在轮胎生产线上实现

　　了轮胎模具的在线清洗，并已 应用到工业中。当模具需要清洗时，在硫化结束的同时打开硫化机，

　　清洗模具的时间与模具的温度无关。操作者将激光清洗系统的头部靠紧模具即可开始 清洗。清洗

　　过程中，激光束扫描模具表面，并从四个不同角度照射模具表面，这样能 够保证各种类型的模具

　　都能被清洗干净。清洗完一半后，将清洗机的头部移向模具的 另一半进行清洗。模具完全清洗干

　　净后，将清洗装置移向另一台需清洗的硫化机模具。 清洗完的硫化机可立即投入生产。除清洗模

　　具外,工业应用还包括为轮胎作标志，除 去制动线等零部件的涂层或扁平导线上电线的剥离。

　　目前国外已用YAG激光器在轮胎生产线上实现了轮胎模具的在线清洗，并已应用到 工业中。系

　　统若满负荷运行，以原配轮胎生产厂一年清洗1500 副模具计，可节省生 产时间6000h ;轮胎产

　　激光清洗技术应用在欧洲推广应用至今已数年了，并且已有产品，而我国仅刚刚起步, 主要是激

　　光设备的投资昂贵,普遍应用还有一走难度，激光清洗技术与传统清洗技术 相比较，有无法比拟

　　的优点。目前轮胎模具高效率低成本的清洗方法急需推广，据不 完全统计，我国轮胎及其制品厂

　　家数千家，年产一百万套以上轮胎的企业也不下2000 家。年产呈在一百万套轮胎的厂家拥有的

　　模具就有几万套,且一套模具使用 3 周左右 就需清洗一次。可见推广应用激光技术清洗的意义重

　　大。相信在此技术不断完善的基 础上，随着设备的批呈生产，激光清洗技术将在轮胎模具清洗或

　　下面以激光清洗轮胎模具为例，说明激光清洗与脱机喷砂清洗和干冰清洗设备相比的 经济效益。

　　激光清洗技术具有明显优势：清洗快速，劳动强度低，无磨损,对操作员 无危险。

　　然而，设备的首期投资较高，达 30-60 万美元。因此工厂需要确立一个合理的投资回 收计划。

　　典型的JET 激光系统工厂可以在18 个月内取得投资回收。硫化停工时间短， 劳动力成本低，模

　　具磨损少以及较低的生产成本是潜在的效益。誓如，一台日产20000 条轮胎的设备，按8 台硫

　　化机（16 模）每天平均清洗一次的要求，假设每班清洗3 台硫化机或每天清洗9 台硫化机（有

　　的工厂清洗两次）从硫化机上拆下两半模具进行 脱机清洗，大约需要15h 的作业和10h 的停机

　　时间，如采用激光对两半模具进行清 洗，则需要0.3h 的作和3h 的停机时间，这样，清洗完一

　　台硫化机就可以节约14h 的作业和7h 的停机时间。又假设，只做10 次清洗（5 台硫化机），5

　　次在模具车间 进行脱机清洗，采用激光清洗将产生巨大的回报：每天可节约70 小时的作业和35

　　小 的的停机时间那么按一年320 天的工作日算每年可增加22400 /J\时作业和11200 小时的上

　　激光清洗设备的维修和维护费用也应该计算在内，为擦干净激光镜和清除沉积在过滤 器上的残余

　　物,每周需对装置进行30min 的维护,每4 周对主要部件进行60min 的 检修。每6 个月按照制造

　　商的要求对装置进行常规维护并运行一次激光系统。大部分 机械部件可以和激光器机架一样都有

　　10 年以上的使用寿命，一些激光部件在使用大 约300h 后要求替换。这些零部件可在常规预防

　　维修期间进行现场更换。激光装置加 上其一年的保修服勢。包括易损件的更换并提供典型备件，

　　总算起来操作成本约为第 小时4-8 美元。所有设备都有安装有Modem（调制调节器）,这样制

　　小结和展望 激光清洗技术比传统的清洗技术有很大的优势，在经济效益和〃绿色〃工程方面

　　都能给 社会带来很大的好处，市场前景相当广阔。而我国现在在这方面的硏究还是不够的， 如

　　果能够利用我们现有的激光技术，开发配套的激光清洗设备,并使之投入生产，实 现产业化，是

　　完全可能的。随看激光器成本的下降，必将使得激光清洗技术逐渐得以 普及，这对推动高新技术