激光清洗技术在工业领域的应用分析

引言

制造业迅猛发展的今天，不论是机械还是电子产品在加工或者装配之前以及设备运转一段时间之后的维修维护，基本都需要对部分材料或者部件进行清洗处理。随着时代的进步与科学技术的发展，人们发明了新型清洗方法：如高压喷淋法、机械法、化学法、超声波法等，这些清洗方法主要清除以锈迹和油脂为主的表面污染物。激光清洗的概念提出较早，但激光清洗技术的发展依赖于激光器的发展和应用，所以直到20世纪90年代才开始逐步的应用[1]。

激光清洗是基于激光与物质相互作用发展而来，与机械摩擦清洗、化学腐蚀清洗、液体固体强力冲击清洗和高频超声清洗等传统清洗方法相比，激光清洗具有环境友好、非接触、可精准控制、可实时监控反馈和对基材无损微损等优点，有望部分替代传统清洗方法，成为目前具有很大发展潜力的清洗技术。

近几年，激光清洗成为激光再制造领域的研究热点之一，国家重点研发计划2017和2018连续两年将激光清洗项目写入指南。研究内容也涵盖工艺、理论、装备及应用，但国内在激光清洗装备和应用方面的整体水平与国外仍有差距。

随着激光器技术和性能的不断发展和提高，激光清洗的机理研究不断深入，科学仪器对材料表面质量的监测能力逐渐提高，表征方法与手段也日趋完善，激光清洗材料表面的质量得到提升，清洗精度和效率也逐渐增加，激光清洗机的效能逐渐提高，价格不断降低，激光清洗技术已能清洗不同的基材表面，包括钢材、铝合金、钛合金、玻璃和复合材料等，应用行业也覆盖到航空航天、航海装备、高铁、汽车、模具、核电等高端领域。

激光清洗研究现状分析

激光清洗过程十分复杂，涉及材料去除机理的种类繁多，目前尚未对激光清洗的过程认识十分清楚，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。

在以上三种方法中，激光烧蚀清洗方法的操作条件简单，使用最为广泛，选择合适的激光器类型、采用优化的工艺参数可去除各种涂层、油漆、颗粒或污物。其余两种方法虽然也具有各自的优点，但目前应用仍处于研究阶段，没有大规模推广。

激光清洗机理的研究

对于激光清洗机理的研究，基于激光烧蚀理论，江苏大学佟艳群[2]研究了激光作用下金属和金属氧化物的温升规律，分析激光能量、激光脉宽等参数的影响。结合形貌分析，提出金属氧化物的激光去除机理是激光烧蚀的物理化学效应和弹性振动效应共同作用的结果，为激光工艺参数的选取和在线监测技术提供了依据。

南开大学李伟[3]汇总了激光清洗的物理机制。他认为激光清洗的对象可分为微粒和膜层两种，对于微粒的去除有三种作用在里面，分别为热弹性膨胀、激光烧蚀、间隙液膜爆发性沸腾等，其中以热弹性膨胀机制为主。通过分析激光加热引起的温度分布和位移分布，建立激光引起的脱离应力与粘附力之间的比较关系，或热弹性能与粘附势能之间的比较关系，进而确定清洗条件，最终得到激光参数、材料参数和环境参数与清洗效果、效率之间的决定关系。

南开大学施曙东[4]提出一种三层吸收界面烧蚀振动模型，并利用模型对激光清洗漆涂覆层的机制、清洗阈值等模拟与实际工作密切相关的因素进行了比较分析。用数学方法确定清洗模型中的各层吸收的激光和热转化，并使用有限元方法对其进行了数值求解，给出了清洗过程中的温度分布、应力分布和位移值的数值计算解。

激光清洗应用研究现状

激光清洗对象包括基材与清洗物，基体材料现已涵盖钢材、铝合金、钛合金、树脂基复合材料等，清洗物囊括漆层、锈蚀、氧化层、硫化层和各种有机物等。

表近年来部分激光清洗的研究进展分类介绍

激光清洗技术逐渐推广到相应的产业当中，目前已见报道的除常见产品的除漆除锈外，还在弹药修理、动车组维修、雷达组件制造、锂离子电池电极片清洗和树脂基复合材料等新兴领域得到了应用。作者所在单位也在钛合金表面氧化物清洗和复合材料表面除漆进行了系统研究，清洗效果如下图。

钛合金清洗

树脂基复合材料清洗

激光清洗装备研发进展

目前激光清洗技术发展不平衡，有些已经实现工业化，有的还处于实验室阶段。尽管欧美国家的激光清洗装备研发处于领先地位，但是欧美国家的激光清洗市场表现稳定，并没有表现出爆发性增长。

我国的激光清洗技术研究和设备开发基本上是跟踪国外的发展，但是在短时间内也取得了一些成果，近年学术界激光清洗的研究文章逐渐增多，清洗材料种类和应用领域逐渐扩大。2010年中国工程物理研究院激光聚变研究中心在国内最早尝试了激光清洗设备的开发，并成功应用到文物清洗领域，目前已经形成小批量生产和销售。自此以后，尤其2016年下半年至今，从事激光清洗设备研发的企事业单位层出不穷，激光清洗技术也逐渐露出庐山真面目，显现在人们眼前，为更多的人所认知。

目前国内从事激光清洗的研究单位主要有中国工程物理研究院、哈尔滨工业大学、华中科技大学等单位；相关企业主要有创鑫激光、锐科激光、铭镭激光、中科四象、大族激光、华工激光等单位。各式激光清洗设备层出不穷，功率从100 W到800 W都可提供，销售价格有所下降，当然设备的质量也是良莠不齐。自行研发清洗专用激光器的单位主要有中国工程物理研究院和创鑫激光等。2017“江门智博会”，可以说云集了国内绝大部分激光清洗设备。

最早的激光清洗设备都是手持式操作，具有较大的应用局限性。目前激光清洗正在向自动化控制方向发展，铭镭激光、中国工程物理研究院、嘉信激光等实现了自动化清洗，提高了清洗效率，尤其是提高了安全性。

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激光清洗未来发展的思考

经过多年发展，激光清洗在工业应用领域开辟了许多新的机遇，但是对于激光清洗技术的发展，作者持谨慎态度，认为还有以下工作需要深入推进。

首先，作者认为激光清洗只是（至少目前）现有清洗技术的有益补充，而不是革命性的新技术；其次，以下原因是激光清洗没有大规模推广的主要因素：

激光清洗的基础理论与工艺研究仍然欠缺

激光清洗过程十分复杂，涉及材料去除机理的种类繁多，是多物理场耦合作用的结果，目前的基础研究欠缺。科研单位在基础研究方面有优势，但产业化力度欠缺，而企业直接面向市场，但基础研究相对薄弱。同时激光清洗至今没有相应的标准制定，也成为激光清洗机技术大力推广的一道障碍。

激光清洗的环保性有待“商榷”

与传统的清洗技术如化学清洗和喷砂清洗的清洗介质相比，激光是绿色无污染的。但是清洗的废弃物同样需要处理，物质是守恒的，激光清洗也会产生污染物的颗粒等。在实验室阶段，清洗小件样品，无需处理或仅需简单的吸尘器即可。如果几十台清洗机同时作业，会产生大量的废弃物，处理是一个大问题，尤其是除漆作业，会产生强烈的刺激性气味，现在任何一家激光清洗研究单位都没有明确的解决措施。

激光清洗的效率有待提高

与喷砂清洗和化学清洗相比，激光清洗的效率还比较低，尤其是除漆作业。作者操作过国内多种200 W级激光清洗设备，除漆作业效率都不是很令人满意。而化学清洗，可以说是无坚不摧、无孔不入，对复杂形状部件的清洗更是激光清洗所不能比拟。

与公众的预期有差距

激光在公众看来属于高科技，清洗界人士对激光清洗的期望值很高，但是看到真正的激光清洗的效果尤其是效率以后，往往产生心理落差，效率不如喷砂和化学清洗，效果不如化学清洗，对复杂形状工件的清洗有时又是无能为力，一次性投入又较大，因此产生观望心理。

基于以上分析，作者认为，激光清洗未来的发展应该是精细化方向，即立足激光清洗是现有清洗技术的有益补充这一事实，科研和生产单位应该加强基础研究，寻找真正适用激光清洗的领域，采用激光清洗技术解决常规清洗技术无能为力或者性价比很差的方向和问题，而不是一味的寻求替代，真正起到引领消费的作用；加强清洗专用激光器的研发力度，作者做过多次实验，对于一些特殊清洗对象，对激光器的输出光束质量要求较高，而不是调节平均功率、重频、脉宽和扫描速度等常规参数就能解决问题的，对于从事清洗设备生产的企业来说，掌握了清洗专用激光器也就等于占领了行业的制高点；激光清洗技术与智能技术结合也必将是未来的发展方向。

结语

作为激光应用的新领域——激光清洗技术，有着诱人的应用前景。用激光去除固体表面层，开拓了工业清洁技术的新思路，在有些领域已经显示出优越性。作为一项相对较新的技术，激光清洗还有很多基础工作需要深入，包括强化公众的认知等。可以预见，随着激光技术的发展，成本的下降，激光清洗技术应用会更加广泛。

作者简介

贾宝申，中国工程物理研究院工程师，主要从事激光技术和工业自动化技术研究。

参考文献

1 雷正龙，田泽，陈彦宾. 工业领域的激光清洗技术, 激光与光电子学进展, 2018,55:030005-1-030005-13

2 佟艳群.激光去除金属氧化物的机理与应用基础研究，江苏大学博士论文，2014

3 李伟. 激光清洗诱蚀的机制研究和设备开发，南开大学博士论文，2015

4 施曙东. 脉冲激光除漆的理论模型、数值计算和应用研究，南开大学博士论文，2015

5 乔玉林，赵吉鑫，王思捷等. 锈蚀表面的激光清洗及其元素组成分析,激光与红外,2018,43(3):299-304

6 陈一鸣，周龙早，闫飞等. 铝合金激光清洗机理与质量评估,中国激光，2017,(12): 202005-1-202005-8

7 李倩，夏芸，龙爽等.印花镍网生产现状及激光清洗的可行性分析,针织工业，2017,2:60-64