引言

制造業(yè)迅猛發(fā)展的今天，不論是機(jī)械還是電子產(chǎn)品在加工或者裝配之前以及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間之后的維修維護(hù)，基本都需要對(duì)部分材料或者部件進(jìn)行清洗處理。隨著時(shí)代的進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)明了新型清洗方法：如高壓噴淋法、機(jī)械法、化學(xué)法、超聲波法等，這些清洗方法主要清除以銹跡和油脂為主的表面污染物。激光清洗的概念提出較早，但激光清洗技術(shù)的發(fā)展依賴(lài)于激光器的發(fā)展和應(yīng)用，所以直到20世紀(jì)90年代才開(kāi)始逐步的應(yīng)用[1]。

激光清洗是基于激光與物質(zhì)相互作用發(fā)展而來(lái)，與機(jī)械摩擦清洗、化學(xué)腐蝕清洗、液體固體強(qiáng)力沖擊清洗和高頻超聲清洗等傳統(tǒng)清洗方法相比，激光清洗具有環(huán)境友好、非接觸、可精準(zhǔn)控制、可實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋和對(duì)基材無(wú)損微損等優(yōu)點(diǎn)，有望部分替代傳統(tǒng)清洗方法，成為目前具有很大發(fā)展?jié)摿Φ那逑醇夹g(shù)。

近幾年，激光清洗成為激光再制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃2017和2018連續(xù)兩年將激光清洗項(xiàng)目寫(xiě)入指南。研究?jī)?nèi)容也涵蓋工藝、理論、裝備及應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)在激光清洗裝備和應(yīng)用方面的整體水平與國(guó)外仍有差距。

隨著激光器技術(shù)和性能的不斷發(fā)展和提高，激光清洗的機(jī)理研究不斷深入，科學(xué)儀器對(duì)材料表面質(zhì)量的監(jiān)測(cè)能力逐漸提高，表征方法與手段也日趨完善，激光清洗材料表面的質(zhì)量得到提升，清洗精度和效率也逐漸增加，激光清洗機(jī)的效能逐漸提高，價(jià)格不斷降低，激光清洗技術(shù)已能清洗不同的基材表面，包括鋼材、鋁合金、鈦合金、玻璃和復(fù)合材料等，應(yīng)用行業(yè)也覆蓋到航空航天、航海裝備、高鐵、汽車(chē)、模具、核電等高端領(lǐng)域。

激光清洗研究現(xiàn)狀分析

激光清洗過(guò)程十分復(fù)雜，涉及材料去除機(jī)理的種類(lèi)繁多，目前尚未對(duì)激光清洗的過(guò)程認(rèn)識(shí)十分清楚，清洗過(guò)程中可能同時(shí)存在多種機(jī)理，這主要?dú)w因于激光與材料之間的相互作用，包括材料表面發(fā)生的燒蝕、分解、電離、降解、熔化、燃燒、氣化、振動(dòng)、飛濺、膨脹、收縮、爆炸、剝離、脫落等物理化學(xué)變化過(guò)程。目前，典型的激光清洗方法主要有三種：激光燒蝕清洗、液膜輔助激光清洗和激光沖擊波式清洗方法。

在以上三種方法中，激光燒蝕清洗方法的操作條件簡(jiǎn)單，使用最為廣泛，選擇合適的激光器類(lèi)型、采用優(yōu)化的工藝參數(shù)可去除各種涂層、油漆、顆?；蛭畚铩Ｆ溆鄡煞N方法雖然也具有各自的優(yōu)點(diǎn)，但目前應(yīng)用仍處于研究階段，沒(méi)有大規(guī)模推廣。

01

激光清洗機(jī)理的研究

對(duì)于激光清洗機(jī)理的研究，基于激光燒蝕理論，江蘇大學(xué)佟艷群[2]研究了激光作用下金屬和金屬氧化物的溫升規(guī)律，分析激光能量、激光脈寬等參數(shù)的影響。結(jié)合形貌分析，提出金屬氧化物的激光去除機(jī)理是激光燒蝕的物理化學(xué)效應(yīng)和彈性振動(dòng)效應(yīng)共同作用的結(jié)果，為激光工藝參數(shù)的選取和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了依據(jù)。

南開(kāi)大學(xué)李偉[3]匯總了激光清洗的物理機(jī)制。他認(rèn)為激光清洗的對(duì)象可分為微粒和膜層兩種，對(duì)于微粒的去除有三種作用在里面，分別為熱彈性膨脹、激光燒蝕、間隙液膜爆發(fā)性沸騰等，其中以熱彈性膨脹機(jī)制為主。通過(guò)分析激光加熱引起的溫度分布和位移分布，建立激光引起的脫離應(yīng)力與粘附力之間的比較關(guān)系，或熱彈性能與粘附勢(shì)能之間的比較關(guān)系，進(jìn)而確定清洗條件，最終得到激光參數(shù)、材料參數(shù)和環(huán)境參數(shù)與清洗效果、效率之間的決定關(guān)系。

南開(kāi)大學(xué)施曙東[4]提出一種三層吸收界面燒蝕振動(dòng)模型，并利用模型對(duì)激光清洗漆涂覆層的機(jī)制、清洗閾值等模擬與實(shí)際工作密切相關(guān)的因素進(jìn)行了比較分析。用數(shù)學(xué)方法確定清洗模型中的各層吸收的激光和熱轉(zhuǎn)化，并使用有限元方法對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值求解，給出了清洗過(guò)程中的溫度分布、應(yīng)力分布和位移值的數(shù)值計(jì)算解。

02

激光清洗應(yīng)用研究現(xiàn)狀

激光清洗對(duì)象包括基材與清洗物，基體材料現(xiàn)已涵蓋鋼材、鋁合金、鈦合金、樹(shù)脂基復(fù)合材料等，清洗物囊括漆層、銹蝕、氧化層、硫化層和各種有機(jī)物等。

表 近年來(lái)部分激光清洗的研究進(jìn)展分類(lèi)介紹

激光清洗技術(shù)逐漸推廣到相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，目前已見(jiàn)報(bào)道的除常見(jiàn)產(chǎn)品的除漆除銹外，還在彈藥修理、動(dòng)車(chē)組維修、雷達(dá)組件制造、鋰離子電池電極片清洗和樹(shù)脂基復(fù)合材料等新興領(lǐng)域得到了應(yīng)用。作者所在單位也在鈦合金表面氧化物清洗和復(fù)合材料表面除漆進(jìn)行了系統(tǒng)研究，清洗效果如下圖。

鈦合金清洗

樹(shù)脂基復(fù)合材料清洗

03

激光清洗裝備研發(fā)進(jìn)展

目前激光清洗技術(shù)發(fā)展不平衡，有些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，有的還處于實(shí)驗(yàn)室階段。盡管歐美國(guó)家的激光清洗裝備研發(fā)處于領(lǐng)先地位，但是歐美國(guó)家的激光清洗市場(chǎng)表現(xiàn)穩(wěn)定，并沒(méi)有表現(xiàn)出爆發(fā)性增長(zhǎng)。

我國(guó)的激光清洗技術(shù)研究和設(shè)備開(kāi)發(fā)基本上是跟蹤國(guó)外的發(fā)展，但是在短時(shí)間內(nèi)也取得了一些成果，近年學(xué)術(shù)界激光清洗的研究文章逐漸增多，清洗材料種類(lèi)和應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。2010年中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心在國(guó)內(nèi)最早嘗試了激光清洗設(shè)備的開(kāi)發(fā)，并成功應(yīng)用到文物清洗領(lǐng)域，目前已經(jīng)形成小批量生產(chǎn)和銷(xiāo)售。自此以后，尤其2016年下半年至今，從事激光清洗設(shè)備研發(fā)的企事業(yè)單位層出不窮，激光清洗技術(shù)也逐漸露出廬山真面目，顯現(xiàn)在人們眼前，為更多的人所認(rèn)知。

目前國(guó)內(nèi)從事激光清洗的研究單位主要有中國(guó)工程物理研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位；相關(guān)企業(yè)主要有創(chuàng)鑫激光、銳科激光、銘鐳激光、中科四象、大族激光、華工激光等單位。各式激光清洗設(shè)備層出不窮，功率從100 W到800 W都可提供，銷(xiāo)售價(jià)格有所下降，當(dāng)然設(shè)備的質(zhì)量也是良莠不齊。自行研發(fā)清洗專(zhuān)用激光器的單位主要有中國(guó)工程物理研究院和創(chuàng)鑫激光等。2017“江門(mén)智博會(huì)”，可以說(shuō)云集了國(guó)內(nèi)絕大部分激光清洗設(shè)備。

最早的激光清洗設(shè)備都是手持式操作，具有較大的應(yīng)用局限性。目前激光清洗正在向自動(dòng)化控制方向發(fā)展，銘鐳激光、中國(guó)工程物理研究院、嘉信激光等實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化清洗，提高了清洗效率，尤其是提高了安全性。

044

激光清洗未來(lái)發(fā)展的思考

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，激光清洗在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟了許多新的機(jī)遇，但是對(duì)于激光清洗技術(shù)的發(fā)展，作者持謹(jǐn)慎態(tài)度，認(rèn)為還有以下工作需要深入推進(jìn)。

首先，作者認(rèn)為激光清洗只是（至少目前）現(xiàn)有清洗技術(shù)的有益補(bǔ)充，而不是革命性的新技術(shù)；其次，以下原因是激光清洗沒(méi)有大規(guī)模推廣的主要因素：

激光清洗的基礎(chǔ)理論與工藝研究仍然欠缺

激光清洗過(guò)程十分復(fù)雜，涉及材料去除機(jī)理的種類(lèi)繁多，是多物理場(chǎng)耦合作用的結(jié)果，目前的基礎(chǔ)研究欠缺。科研單位在基礎(chǔ)研究方面有優(yōu)勢(shì)，但產(chǎn)業(yè)化力度欠缺，而企業(yè)直接面向市場(chǎng)，但基礎(chǔ)研究相對(duì)薄弱。同時(shí)激光清洗至今沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)制定，也成為激光清洗機(jī)技術(shù)大力推廣的一道障礙。

激光清洗的環(huán)保性有待“商榷”

與傳統(tǒng)的清洗技術(shù)如化學(xué)清洗和噴砂清洗的清洗介質(zhì)相比，激光是綠色無(wú)污染的。但是清洗的廢棄物同樣需要處理，物質(zhì)是守恒的，激光清洗也會(huì)產(chǎn)生污染物的顆粒等。在實(shí)驗(yàn)室階段，清洗小件樣品，無(wú)需處理或僅需簡(jiǎn)單的吸塵器即可。如果幾十臺(tái)清洗機(jī)同時(shí)作業(yè)，會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物，處理是一個(gè)大問(wèn)題，尤其是除漆作業(yè)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激性氣味，現(xiàn)在任何一家激光清洗研究單位都沒(méi)有明確的解決措施。

激光清洗的效率有待提高

與噴砂清洗和化學(xué)清洗相比，激光清洗的效率還比較低，尤其是除漆作業(yè)。作者操作過(guò)國(guó)內(nèi)多種200 W級(jí)激光清洗設(shè)備，除漆作業(yè)效率都不是很令人滿(mǎn)意。而化學(xué)清洗，可以說(shuō)是無(wú)堅(jiān)不摧、無(wú)孔不入，對(duì)復(fù)雜形狀部件的清洗更是激光清洗所不能比擬。

與公眾的預(yù)期有差距

激光在公眾看來(lái)屬于高科技，清洗界人士對(duì)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，往往產(chǎn)生心理落差，效率不如噴砂和化學(xué)清洗，效果不如化學(xué)清洗，對(duì)復(fù)雜形狀工件的清洗有時(shí)又是無(wú)能為力，一次性投入又較大，因此產(chǎn)生觀望心理。

基于以上分析，作者認(rèn)為，激光清洗未來(lái)的發(fā)展應(yīng)該是精細(xì)化方向，即立足激光清洗是現(xiàn)有清洗技術(shù)的有益補(bǔ)充這一事實(shí)，科研和生產(chǎn)單位應(yīng)該加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，尋找真正適用激光清洗的領(lǐng)域，采用激光清洗技術(shù)解決常規(guī)清洗技術(shù)無(wú)能為力或者性?xún)r(jià)比很差的方向和問(wèn)題，而不是一味的尋求替代，真正起到引領(lǐng)消費(fèi)的作用；加強(qiáng)清洗專(zhuān)用激光器的研發(fā)力度，作者做過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)于一些特殊清洗對(duì)象，對(duì)激光器的輸出光束質(zhì)量要求較高，而不是調(diào)節(jié)平均功率、重頻、脈寬和掃描速度等常規(guī)參數(shù)就能解決問(wèn)題的，對(duì)于從事清洗設(shè)備生產(chǎn)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，掌握了清洗專(zhuān)用激光器也就等于占領(lǐng)了行業(yè)的制高點(diǎn)；激光清洗技術(shù)與智能技術(shù)結(jié)合也必將是未來(lái)的發(fā)展方向。

結(jié)語(yǔ)

作為激光應(yīng)用的新領(lǐng)域——激光清洗技術(shù)，有著誘人的應(yīng)用前景。用激光去除固體表面層，開(kāi)拓了工業(yè)清潔技術(shù)的新思路，在有些領(lǐng)域已經(jīng)顯示出優(yōu)越性。作為一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)，激光清洗還有很多基礎(chǔ)工作需要深入，包括強(qiáng)化公眾的認(rèn)知等?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，成本的下降，激光清洗技術(shù)應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

作者簡(jiǎn)介

賈寶申，中國(guó)工程物理研究院工程師，主要從事激光技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)研究。

參考文獻(xiàn)

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