高端制造和節(jié)能減排對先進工藝的需求越來越迫切，工業(yè)表面處理方面亟待技術(shù)、工藝的全面升級，傳統(tǒng)的工業(yè)清洗工藝，如機械摩擦清洗、化學(xué)腐蝕清洗、強沖擊清洗、高頻超聲波清洗等，不僅清洗周期長，而且難以實現(xiàn)自動化，對環(huán)境有危害，達不到理想的清洗效果，不能很好地滿足精細加工的需要。

然而隨著環(huán)保、高效、高精度之間矛盾的日益突出，傳統(tǒng)的工業(yè)清洗方式受到極大的挑戰(zhàn)，與此同時，各種有利于環(huán)保、適用于超精加工領(lǐng)域零件的清洗技術(shù)也紛紛涌現(xiàn)，激光清洗技術(shù)就是其中的一種。

激光清洗概念

激光清洗是利用聚焦激光作用于材料表面，使表面污染物迅速汽化或剝離，從而達到清洗材料表面的技術(shù)。與各種傳統(tǒng)的物理或化學(xué)清洗方法相比，激光清洗具有無接觸、無耗材、無污染、精度高、無損傷或損傷小等特點，是新一代工業(yè)清洗技術(shù)的理想選擇。

激光清洗機工作原理

原理 激光清洗機 反應(yīng)過程比較復(fù)雜，可能既包括物理過程，也包括化學(xué)過程，很多情況下以物理過程為主，伴有一定程度的化學(xué)反應(yīng)，主要過程可分為氣化過程、沖擊過程、振蕩過程3類。

氣化過程

當(dāng)高能激光照射到材料表面時，表面吸收激光能量并轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，使表面溫度迅速升高并達到材料的汽化溫度以上，從而使污染物以蒸汽的形式脫離材料表面。選擇性汽化通常發(fā)生在表面污染物對激光的吸收率明顯高于基材時。一個典型的應(yīng)用案例就是石材表面污垢的清洗。如下圖所示，石材表面的污染物對激光的吸收率很強，很快被汽化。當(dāng)去除污染物后再用激光照射石材表面時，吸收較弱，更多的激光能量被石材表面散射，石材表面的溫度變化很小，保護石材表面不受損傷。

典型的化學(xué)工藝是使用紫外線波段的激光來清除有機污染物，這被稱為激光燒蝕。紫外線激光波長短，光子能量高。例如，KrF 準(zhǔn)分子激光的波長為 248 nm，光子能量高達 5 eV，是 CO2 激光光子能量高(0.12eV)，如此高的光子能量足以破壞有機物的分子鍵，使有機污染物中的CC、CH、CO等吸收激光的光子能量后發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致熱解氣化并從表面去除。

沖擊過程

沖擊過程是激光與材料相互作用過程中發(fā)生的一系列反應(yīng)，然后在材料表面形成沖擊波。在沖擊波的作用下，表面污染物被打碎，成為從表面剝離的灰塵或碎屑。引起沖擊波的機制有很多，包括等離子體、蒸汽、快速的熱膨脹和收縮。以等離子體沖擊波為例，可以簡單了解激光清洗中的沖擊過程是如何去除表面污染物的。隨著超短脈沖寬度（ns）和超高峰值功率（107–1010 W/cm2）激光的應(yīng)用，即使表面輕輕吸收激光，表面溫度仍會急劇上升，瞬間達到汽化溫度以上，在材料表面上方形成蒸氣，如下圖（a）所示。蒸氣的溫度可以達到104 - 105 K，可以電離蒸氣本身或周圍的空氣，形成等離子體。等離子體會阻擋激光到達材料表面，材料表面的汽化可能會停止，但等離子體會繼續(xù)吸收激光能量，溫度不斷升高，形成局部超高溫高壓狀態(tài)，在材料表面產(chǎn)生瞬間1-100kbar的沖擊，并逐漸轉(zhuǎn)移到材料內(nèi)部，如下圖（b）、（c）所示。在沖擊波的作用下，表面污染物被擊碎成微小的粉塵、顆粒或碎片。當(dāng)激光離開照射位置時，等離子體消失，局部產(chǎn)生負壓，將污染物的顆粒或碎片從表面清除，如下圖（d）所示。

振蕩過程

在短脈沖作用下，材料的加熱和冷卻過程極其迅速。由于不同材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，在短脈沖激光的照射下，表面污染物和基片將發(fā)生不同程度的高頻熱脹冷縮，產(chǎn)生振蕩，使污染物從材料表面剝離。在這個剝離過程中，可能不會發(fā)生材料的汽化，也不會產(chǎn)生等離子體，而是在振蕩作用下在污染物與基片界面處形成的剪切力，破壞了污染物與基片之間的結(jié)合。研究表明，當(dāng)激光的入射角略微增大時，可以增加激光與顆粒污染物及基片界面的接觸，降低激光清洗的閾值，振蕩效應(yīng)更明顯，清洗效率更高。但入射角不宜過大。入射角過大，會降低作用于材料表面的能量密度，削弱激光的清潔能力。

激光清洗機的行業(yè)應(yīng)用

模具行業(yè)

激光清洗機可以實現(xiàn)對模具的非接觸式清洗，對模具表面非常安全，既能保證其精度，又能清洗掉傳統(tǒng)清洗方式無法去除的亞微米級污垢顆粒，達到真正的無污染、高效、高質(zhì)量的清洗。

精密儀器行業(yè)

精密機械行業(yè)經(jīng)常需要從零件上去除用于潤滑和防腐的酯類和礦物油，通常采用化學(xué)方法，而化學(xué)清洗往往會留下殘留物。激光脫酯可以完全去除酯類和礦物油，而不會損壞零件表面。激光促使零件表面薄氧化層爆炸性氣化，形成沖擊波，從而去除污染物，而不是機械相互作用。

鐵路行業(yè)

目前，鋼軌焊前清理全部采用砂輪、砂帶磨削式清理，對基體損傷嚴(yán)重，殘余應(yīng)力嚴(yán)重，每年要消耗大量的砂輪耗材，成本高，對環(huán)境造成嚴(yán)重的粉塵污染。激光清理可為我國高鐵鋪軌生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)高效的綠色清理技術(shù)，解決上述問題，消除無縫軌孔洞、灰斑等焊接缺陷，提高我國高鐵運營的穩(wěn)定性和安全性。

航空工業(yè)

飛機表面使用一定時間后需重新噴漆，但噴漆前需將原有舊漆全部清除?；瘜W(xué)浸泡/擦拭是航空領(lǐng)域主要的脫漆方法，此方法產(chǎn)生大量化學(xué)輔助廢棄物，無法實現(xiàn)局部維修和脫漆，工作量大且對健康有害。激光清洗可高質(zhì)量去除飛機蒙皮表面油漆，且易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。目前，激光清洗技術(shù)已應(yīng)用于一些高端機型的維修中。

船舶工業(yè)

目前船舶投產(chǎn)前清洗主要采用噴砂方式，噴砂方式對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的粉塵污染，已逐步被禁止，導(dǎo)致船舶制造廠減產(chǎn)甚至停產(chǎn)。激光清洗技術(shù)將為船舶表面防腐噴涂提供綠色、無污染的清洗解決方案。

武器

激光清洗技術(shù)在武器維修中得到了廣泛的應(yīng)用，激光清洗系統(tǒng)可以 除銹 激光清洗機能高效、快速地去除工件表面的污染物和殘渣，并可選擇清洗部位，實現(xiàn)清洗的自動化。采用激光清洗，不僅清潔度比化學(xué)清洗工藝高，而且對物體表面幾乎沒有損傷。通過設(shè)定不同的參數(shù)，激光清洗機還能在金屬物體表面形成一層致密的氧化保護膜或金屬熔融層，提高表面強度和抗腐蝕性能。激光清除的廢料基本不污染環(huán)境，還可以遠距離操作，有效減少了對操作人員健康的損害。

建筑外觀

摩天大樓越來越多，建筑外墻清洗問題日益突出。激光清洗系統(tǒng)通過光纖對建筑外墻進行很好的清洗，最長可達70米的解決方案，可以有效清洗各種石材、金屬、玻璃上的各種污染物，效率遠高于常規(guī)清洗，還可以清除建筑物內(nèi)各種石材上的黑點、污漬。激光清洗系統(tǒng)對建筑物、石碑的清洗試驗表明，激光清洗對保護古建筑外觀有很好的效果。

電子行業(yè)

電子行業(yè)用激光去除氧化物：電子行業(yè)對除污精度要求高，激光除污尤為適用。元件引腳在焊接電路板前必須徹底除污，以保證最佳的電接觸，除污過程中不得損壞引腳。激光清洗即可滿足使用要求，而且效率很高，每根針頭只需照射一次激光。

核電廠

激光清洗系統(tǒng)還用于核電站反應(yīng)堆管道的清洗。它利用光纖將高功率激光束引入反應(yīng)堆，直接清除放射性粉塵，清洗物容易清洗。而且由于是遠距離操作，工作人員的安全可以得到保障。

結(jié)語

當(dāng)今先進制造業(yè)已成為國際競爭的制高點，激光清洗機作為激光制造中的先進系統(tǒng)，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中有著巨大的應(yīng)用價值潛力，大力發(fā)展激光清洗技術(shù)對經(jīng)濟社會發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。