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激光清洗研究现状及技术应用

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  发布:cici

关键词:激光清洗 激光烧蚀清洗

2018-06-20

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序  言

      1969年,美国加州大学伯克利分校空间科学实验室和核能工程系的S. M. Beadair和Harold P. Smith, JR.首次提出激光清洗的概念。激光清洗技术基于绿色、清洗效果佳、应用范围广、精度高、非接触式和可达性好等突出优势,与清洗剂、超声波和机械方式清洗形成鲜明对照,未来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。

      尽管激光清洗的出现最早可追溯到20世纪60年代,但针对这种创新型清洗技术的研究和应用是从20世纪90年代开始逐步扩大的。在过去20多年的时间里,国内外均有关于激光清洗技术的报道,近几年迅速成为工业制造领域的研究热点,研究内容主要涵盖激光清洗工艺、理论、装备以及应用,国内在激光清洗装备和应用方面的整体水平与国外差距较大。

      在工业应用领域,随着激光器的高速发展、人们对激光清洗机理研究的不断深入,表面质量监测与表征方法日趋完整全面,激光清洗材料表面质量得到提升,清洗精度和效率也逐渐增加。如今,它已经成为能够清洗大量不同基材表面的可靠技术,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。

      本文将介绍三种典型的激光清洗方法,综述近年来基于不同材料的激光清洗研究现状,最后列举了一些国内外激光清洗技术的典型应用,为科研人员开展相关研究提供参考。

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三种激光清洗方法

      激光清洗过程十分复杂,涉及去除材料机理种类繁多,对于一种激光清洗方法来说,清洗过程中可能有多种机理同时发生,这主要归因于激光与材料之间的相互作用,包括材料表面发生烧蚀、分解、电离、降解、熔化、燃烧、汽化、振动、飞溅、膨胀、收缩、爆炸、剥离、脱落等众多物理化学变化。截至目前,根据国内外对激光清洗方法的研究进行归纳提炼,主要有以下三种,即激光烧蚀清洗方法,液膜辅助激光清洗方法和激光冲击波式清洗方法。

      激光烧蚀清洗方法包括的机理主要有热膨胀、气化、烧蚀和相爆炸等,如图1所示。它是指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、惰性气体或真空,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增加,如果温度低于清洗物气化阈值,则清洗物仅发生物理变化,其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,产生裂纹,机械断裂,振动破碎,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气化阈值,此时出现两种情况:当清洗物烧蚀阈值小于基材烧蚀阈值时,需调整激光能量密度处于清洗物与基材烧蚀阈值之间,既可以有效去除清洗物,又不会对基材造成损伤。

      液膜辅助式激光清洗去除材料的机理主要有液膜沸腾汽化和振动等,如图2所示,它是指将液膜(水、酒精或其它液体)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,爆炸沸腾的液体高速运动,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达到清洗目的。如美国加州大学伯克利分校的Min She等用8vol.%丙醇+92vol.%水作为薄层液膜,来辅助激光去除NiP硬磁盘基材表面直径300 nm的Al2O3污染微粒。

      激光冲击波式清洗方法的工艺方式和清洗机理与前两者有很大不同,其工艺过程如图与基材不发生接触,二者之间距离很小。移动工件或激光头将激光焦点调整至微粒附近,如图3所示,机理主要为冲击波力去除,清洗对象主要为微粒。

      激光以平行于基材表面的方向射出,光输出后焦点处空气会发生电离现象,创造出冲击波,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横向分量的力矩超过纵向分量+微粒粘附力的力矩时,微粒发生滚动去除。如中国工程物理研究院的Yayun Ye等利用激光冲击波式清洗方法来去除镀金K9玻璃表面直径15 nm的SiO2微粒。

      以上三种方法中,激光烧蚀清洗方法操作条件简单,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。

      液膜辅助式激光清洗方法在使用时需要考虑选择合适的激光波长,液膜对激光吸收率越高则优势越明显。液膜辅助式激光清洗在某种程度可弥补激光烧蚀清洗过程冲击压力不足的问题,用于去除一些比较难去除的清洗对象,但这种方法存在两个缺点,一是工艺麻烦,过程难以控制;二是由于使用了液膜,清洗完毕后基材表面化学成分容易改变,生成新物质。

      激光冲击波式清洗方法主要用于去除微粒(亚微米级或纳米级),但是针对涂层的清洗还未见报道,该方法对工艺要求非常严格,既要保证激光参数能够电离空气,又要控制激光与基材之间保持合适的距离,确保作用在微粒上的冲击力足够大。

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基于不同清洗对象的激光清洗研究现状

      从现阶段研究来看,相对比较成熟的研究主要集中在钢材除锈、轻质合金表面除氧化膜,此外研究范围还扩大至复合材料的表面漆层和有机物等污物的清洗、核电装置内部核微粒、镀膜玻璃表面微小颗粒的清洗以及其它耐高温、耐腐蚀和耐磨损涂层的清洗,但是对微电子制造领域硅片表面激光清洗的研究主要集中在2010年以前,近几年尚无相关报道。

      激光清洗对象包括基材与清洗物,基体材料涵盖:钢、铝合金、钛合金、铜、镍基合金、混凝土砖块、硅晶元、碳纤维增强树脂基复合材料、有机玻璃和钨带等,清洗物囊括:漆层、锈蚀、氧化层、硫化层、耐磨耐高温涂层、油污、UO2核微粒、SiO2微粒、C微粒、W微粒和各种有机物等。

      综上所述,激光清洗时需要根据不同的清洗对象选择合适的激光波长、脉冲宽度、脉冲频率等参数。

  ●国内外针对涂层和微小颗粒的激光清洗研究绝大多数都选择了波长1064 nm的纳秒脉冲光纤激光器,但是激光脉冲频率有很大差别,前者的脉冲频率为几千赫兹到几十千赫兹,清洗后表面粗糙度可达1 μm左右,后者则集中在几赫兹到几十赫兹,去除率可达90%以上;

  ●针对漆层的激光清洗,激光器的选择逐渐从过去的10.64 μm波长的高功率CO2激光器向波长1064 nm的脉冲光纤激光器转变,此时需要综合考虑不同颜色漆层对激光的吸收能力以及清洗效率来选择合适波长的激光器,清洗后表面粗糙度接近1 μm;

  ●针对树脂、油污及其它有机物的清洗,脉冲光纤激光器、连续CO2激光器和准分子激光器等均有使用,和未清洗相比,清洗后复合材料胶接接头的剪切强度均有一定程度提高,油污去除率可达95%。

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激光清洗技术应用

      20世纪80年代,随着半导体行业高速发展,对硅晶元上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,而激光清洗可以很容易解决此类污染问题,相关研究与应用得到迅速开展。

       IBM公司的W. Zapka等在1987年首次申请了关于激光清洗方面的专利,进入90年代之后,同在IBM工作的A.C. Tam等成功将激光清洗技术应用于半导体制造工艺中,用于去除掩模表面微颗粒,实现了早期激光清洗技术在工业领域的应用。1995年,德国的Schweizer等使用2 kW的TEA CO2激光器成功实现飞机机身除漆的应用。

       进入21世纪后,随着超短脉冲激光器制造技术的高速发展和成本降低,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表面清理等。美国EWI研究所激光清洗F-16战机的现场装备图如图4所示,清洗效率可达1Ft2·mils/(kW·min)。

      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会是一大热点。美国海军H-53、H-56直升机螺旋桨叶片和F16战斗机平尾等复合材料表面均已实现激光脱漆应用,我国由于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,有关CFRP复合材料胶接前接头处采用激光清洗技术做表面处理来提高接头强度也是当前的研究重点,应用前景十分乐观。图5为Adapt Laser公司提供奥迪TT汽车生产线的光纤激光清洗装备,用于清洗轻质铝合金车门框表面的氧化膜。英国Rolls-Royce在激光清洗钛合金航空发动机部件表面氧化膜方面开展了应用。

      工业领域激光清洗技术的应用方向包括:航天、航空、汽车、高铁、舰船、海洋和核电等,具体清洗内容覆盖除锈、除氧化膜、除涂层、脱漆、除油污、除微生物和除核微粒等。由于国内较国外在激光清洗领域开展的研究较晚,加上短脉冲激光器本身价格昂贵,需要更高的清洗效率与之相匹配才能在实际应用中取得较高价值,因此目前相关应用极少。

      近三年来,国内的一些高校、科研院所和企业,如哈尔滨工业大学、华中科技大学、南开大学、装甲兵工程学院、中国工程物理研究院、苏州热工院、上海临仕激光、大族激光等都对激光清洗技术表现出了浓厚的兴趣,陆续开始了激光清洗技术在工业领域的研究与应用,并且开展激光清洗的装备制造。

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结论及展望

  综上所述,目前国内外关于激光清洗研究的结论如下:

      1 .激光清洗方法包括激光烧蚀清洗、液膜辅助式激光清洗和激光冲击波式清洗,涉及机理主要包括烧蚀、振动、热膨胀、相爆炸、气化和冲击波等。

      2 .激光清洗对象分为基材和清洗物两部分,基材主要有钢、轻质合金、有色金属、硅和复合材料等,清洗物主要包括锈、氧化膜、漆层、涂层、油污和微粒等。

      3 .激光清洗技术在工业领域应用前景十分广阔,具体包括航空航天、汽车、高铁、船舶、海洋和核电等行业。

 在理论与工艺方面,虽然国内外在激光清洗工艺研究方面均已开展大量试验,但是激光清洗理论和机理尚不完善。尽管已有研究人员建立了相关物理模型,作出了一定的假设和条件,但是这些模型仍然有很大局限性,想要全面揭示和理解激光清洗过程仍需做大量研究,尤其是在激光与材料相互作用方面需多加考虑。

     在实际应用方面,国内与国外差距较大,这是由很多原因造成的,除了激光清洗机理与工艺不够成熟以外,设备方面也限制了激光清洗效率和精度的提高,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。

      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。