序 言

1969年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分?？臻g科學(xué)試驗(yàn)室和核能工程系的S. M. Beadair和Harold P. Smith, JR.初度提出激光清洗的概念。激光清洗技能根據(jù)綠色、清洗作用佳、運(yùn)用規(guī)劃廣、精度高、非觸摸式和可達(dá)性好等杰出優(yōu)勢(shì)，與清洗劑、超聲波和機(jī)械辦法清洗構(gòu)成顯著對(duì)照，未來(lái)有望部分或徹底代替?zhèn)鹘y(tǒng)清洗辦法成為21世紀(jì)最具翻開潛力的綠色清洗技能。

盡管激光清洗的出現(xiàn)最早可追溯到20世紀(jì)60年代，但針對(duì)這種創(chuàng)新式清洗技能的研討和運(yùn)用是從20世紀(jì)90年代開始逐漸擴(kuò)展的。在曾經(jīng)20多年的時(shí)間里，國(guó)內(nèi)外均有關(guān)于激光清洗技能的報(bào)導(dǎo)，近幾年活絡(luò)成為工業(yè)制作范疇的研討搶手，研討內(nèi)容首要包含激光清洗工藝、理論、配備以及運(yùn)用，國(guó)內(nèi)在激光清洗配備和運(yùn)用方面的整體水平與國(guó)外距離較大。

在工業(yè)運(yùn)用范疇，跟著激光器的高速翻開、人們對(duì)激光清洗機(jī)理研討的不斷深入，外表質(zhì)量監(jiān)測(cè)與表征辦法日趨無(wú)缺全面，激光清洗資料外表質(zhì)量得到行進(jìn)，清洗精度和功率也逐漸增加?，F(xiàn)在，它已經(jīng)成為可以清洗許多不同基材外表的牢靠技能，清洗政策包含鋼、鋁合金、鈦合金、玻璃和復(fù)合資料等，運(yùn)用作業(yè)掩蓋航天、航空、船舶、高鐵、轎車、模具、核電和海洋等范疇。

本文將介紹三種典型的激光清洗辦法，總述近年來(lái)根據(jù)不同資料的激光清洗研討現(xiàn)狀，終究列舉了一些國(guó)內(nèi)外激光清洗技能的典型運(yùn)用，為科研人員翻開相關(guān)研討供給參看。

02

三種激光清洗辦法

激光清洗進(jìn)程非常復(fù)雜，觸及去除資料機(jī)理品種繁多，關(guān)于一種激光清洗辦法來(lái)說(shuō)，清洗進(jìn)程中可能有多種機(jī)理一同發(fā)作，這首要?dú)w因于激光與資料之間的彼此作用，包含資料外表發(fā)作燒蝕、分解、電離、降解、熔化、燃燒、汽化、振蕩、飛濺、脹大、縮短、爆破、剝離、掉落等很多物理化學(xué)變化。到現(xiàn)在，根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)激光清洗辦法的研討進(jìn)行概括提煉，首要有以下三種，即激光燒蝕清洗辦法，液膜輔佐激光清洗辦法和激光沖擊波式清洗辦法。

激光燒蝕清洗辦法包含的機(jī)理首要有熱脹大、氣化、燒蝕和相爆破等，如圖1所示。它是指激光直接作用于基材外表待去除的資料上，環(huán)境條件可以為空氣、惰性氣體或真空，當(dāng)激光輻照在資料外表時(shí)，基體和清洗物均先發(fā)作熱脹大。跟著激光與清洗物彼此作用時(shí)間增加，如果溫度低于清洗物氣化閾值，則清洗物僅發(fā)作物理變化，其與基體熱脹大系數(shù)之間的差異導(dǎo)致界面處發(fā)作壓力，清洗物發(fā)作牽強(qiáng)、從基材外表扯開，發(fā)作裂紋，機(jī)械開裂，振蕩破碎，以噴射辦法被去除或被剝離基材外表；如果溫度高于清洗物氣化閾值，此刻出現(xiàn)兩種狀況：當(dāng)清洗物燒蝕閾值小于基材燒蝕閾值時(shí)，需調(diào)整激光能量密度處于清洗物與基材燒蝕閾值之間，既可以有用去除清洗物，又不會(huì)對(duì)基材構(gòu)成危害。

圖1 激光燒蝕清洗辦法工藝示意圖

液膜輔佐式激光清洗去除資料的機(jī)理首要有液膜歡娛汽化和振蕩等，如圖2所示，它是指將液膜（水、酒精或其它液體）預(yù)先掩蓋在清洗物外表，然后用激光對(duì)其進(jìn)行照射。液膜吸收激光能量致使液態(tài)介質(zhì)發(fā)作強(qiáng)力爆破，爆破歡娛的液體高速運(yùn)動(dòng)，將能量傳遞給表層清洗物，高瞬態(tài)的爆破性力氣足以去除外表污物到達(dá)清洗意圖。如美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Min She等用8vol.%丙醇+92vol.%水作為薄層液膜，來(lái)輔佐激光去除NiP硬磁盤基材外表直徑300 nm的Al2O3污染微粒。

圖2 液膜輔佐式激光清洗工藝示意圖

激光沖擊波式清洗辦法的工藝辦法和清洗機(jī)理與前兩者有很大不同，其工藝進(jìn)程如圖與基材不發(fā)作觸摸，二者之間距離很小。移動(dòng)工件或激光頭將激光焦點(diǎn)調(diào)整至微粒鄰近，如圖3所示，機(jī)理首要為沖擊波力去除，清洗政策首要為微粒。

激光以平行于基材外表的方向射出，光輸出后焦點(diǎn)處空氣會(huì)發(fā)作電離現(xiàn)象，創(chuàng)造出沖擊波，沖擊波以圓球狀活絡(luò)脹大擴(kuò)展，并延伸至與微粒發(fā)作觸摸，當(dāng)沖擊波作用在微粒上橫向重量的力矩跨越縱向重量+微粒粘附力的力矩時(shí)，微粒發(fā)作翻滾去除。如我國(guó)工程物理研討院的Yayun Ye等運(yùn)用激光沖擊波式清洗辦法來(lái)去除鍍金K9玻璃外表直徑15 nm的SiO2微粒。

圖3 激光沖擊波式清洗（a）工藝示意圖（b）基材外表顆粒的受力分析

以上三種辦法中，激光燒蝕清洗辦法操作條件簡(jiǎn)略，運(yùn)用最為廣泛，挑選合適的激光器類型選用優(yōu)化的工藝參數(shù)可去除各種涂層、油漆、顆?；蛭畚?。

液膜輔佐式激光清洗辦法在運(yùn)用時(shí)需求考慮挑選合適的激光波長(zhǎng)，液膜對(duì)激光吸收率越高則優(yōu)勢(shì)越顯著。液膜輔佐式激光清洗在某種程度可補(bǔ)償激光燒蝕清洗進(jìn)程沖擊壓力短少的問(wèn)題，用于去除一些比較難去除的清洗政策，但這種辦法存在兩個(gè)缺點(diǎn)，一是工藝費(fèi)事，進(jìn)程難以操控；二是因?yàn)檫\(yùn)用了液膜，清洗完畢后基材外表化學(xué)成分簡(jiǎn)略改動(dòng)，生成新物質(zhì)。

激光沖擊波式清洗辦法首要用于去除微粒（亞微米級(jí)或納米級(jí)），可是針對(duì)涂層的清洗還未見報(bào)導(dǎo)，該辦法對(duì)工藝要求非常嚴(yán)峻，既要確保激光參數(shù)可以電離空氣，又要操控激光與基材之間堅(jiān)持合適的距離，確保作用在微粒上的沖擊力足夠大。

03

根據(jù)不同清洗政策的激光清洗研討現(xiàn)狀

從現(xiàn)階段研討來(lái)看，相對(duì)比較老到的研討首要會(huì)合在鋼材除銹、輕質(zhì)合金外表除氧化膜，此外研討規(guī)劃還擴(kuò)展至復(fù)合資料的外表漆層和有機(jī)物等污物的清洗、核電設(shè)備內(nèi)部核微粒、鍍膜玻璃外表纖細(xì)顆粒的清洗以及其它耐高溫、耐腐蝕和耐磨損涂層的清洗，可是對(duì)微電子制作范疇硅片外表激光清洗的研討首要會(huì)合在2010年早年，近幾年尚無(wú)相關(guān)報(bào)導(dǎo)。

激光清洗政策包含基材與清洗物，基體資料包含：鋼、鋁合金、鈦合金、銅、鎳基合金、混凝土磚塊、硅晶元、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合資料、有機(jī)玻璃和鎢帶等，清洗物包含：漆層、銹蝕、氧化層、硫化層、耐磨耐高溫涂層、油污、UO2核微粒、SiO2微粒、C微粒、W微粒和各種有機(jī)物等。

綜上所述，激光清洗時(shí)需求根據(jù)不同的清洗政策挑選合適的激光波長(zhǎng)、脈沖寬度、脈沖頻率等參數(shù)。

●國(guó)內(nèi)外針對(duì)涂層和纖細(xì)顆粒的激光清洗研討絕大多數(shù)都挑選了波長(zhǎng)1064 nm的納秒脈沖光纖激光器，可是激光脈沖頻率有很大不同，前者的脈沖頻率為幾千赫茲到幾十千赫茲，清洗后外表粗糙度可達(dá)1 μm左右，后者則會(huì)合在幾赫茲到幾十赫茲，去除率可達(dá)90%以上；

●針對(duì)漆層的激光清洗，激光器的挑選逐漸從曾經(jīng)的10.64 μm波長(zhǎng)的高功率CO2激光器向波長(zhǎng)1064 nm的脈沖光纖激光器改動(dòng)，此刻需求概括考慮不同色彩漆層對(duì)激光的吸收能力以及清洗功率來(lái)挑選合適波長(zhǎng)的激光器，清洗后外表粗糙度靠近1 μm；

●針對(duì)樹脂、油污及其它有機(jī)物的清洗，脈沖光纖激光器、連續(xù)CO2激光器和準(zhǔn)分子激光器等均有運(yùn)用，和未清洗比較，清洗后復(fù)合資料膠接接頭的剪切強(qiáng)度均有必定程度行進(jìn)，油污去除率可達(dá)95%。

04

激光清洗技能運(yùn)用

20世紀(jì)80年代，跟著半導(dǎo)體作業(yè)高速翻開，對(duì)硅晶元上掩模外表的污染微粒的清洗技能提出了更高的要求，其要害點(diǎn)在于戰(zhàn)勝污染微顆粒與基材之間極大的吸附力，傳統(tǒng)的化學(xué)清洗、機(jī)械清洗、超聲清洗辦法均無(wú)法滿意需求，而激光清洗可以很簡(jiǎn)略處理此類污染問(wèn)題，相關(guān)研討與運(yùn)用得到活絡(luò)翻開。

IBM公司的W. Zapka等在1987年初度申請(qǐng)了關(guān)于激光清洗方面的專利，進(jìn)入90年代之后，同在IBM作業(yè)的A.C. Tam等成功將激光清洗技能運(yùn)用于半導(dǎo)體制作工藝中，用于去除掩模外表微顆粒，結(jié)束了前期激光清洗技能在工業(yè)范疇的運(yùn)用。1995年，德國(guó)的Schweizer等運(yùn)用2 kW的TEA CO2激光器成功結(jié)束飛機(jī)機(jī)身除漆的運(yùn)用。

進(jìn)入21世紀(jì)后，跟著超短脈沖激光器制作技能的高速翻開和本錢下降，國(guó)內(nèi)外對(duì)激光清洗技能的研討和運(yùn)用逐漸增多，要害會(huì)合在金屬資料外表，國(guó)外的典型運(yùn)用有飛機(jī)機(jī)身脫漆、模具外表除油污、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部除積碳和焊前接頭外表清理等。美國(guó)EWI研討所激光清洗F-16戰(zhàn)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)配備圖如圖4所示，清洗功率可達(dá)1Ft2·mils/(kW·min)。

圖4 美國(guó)EWI研討所激光清洗F-16戰(zhàn)機(jī)漆層現(xiàn)場(chǎng)

值得一提的是，先進(jìn)復(fù)合資料部件的激光脫漆研討與運(yùn)用也會(huì)是一大搶手。美國(guó)海軍H-53、H-56直升機(jī)螺旋槳葉片和F16戰(zhàn)斗機(jī)平尾等復(fù)合資料外表均已結(jié)束激光脫漆運(yùn)用，我國(guó)因?yàn)閺?fù)合資料在飛機(jī)上的運(yùn)用較晚，因而此類研討根柢處于空白。

此外，有關(guān)CFRP復(fù)合資料膠接前接頭處選用激光清洗技能做外表處理來(lái)行進(jìn)接頭強(qiáng)度也是當(dāng)時(shí)的研討要害，運(yùn)用遠(yuǎn)景非常曠達(dá)。圖5為Adapt Laser公司供給奧迪TT轎車生產(chǎn)線的光纖激光清洗配備，用于清洗輕質(zhì)鋁合金車門框外表的氧化膜。英國(guó)Rolls-Royce在激光清洗鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件外表氧化膜方面翻開了運(yùn)用，見圖6。

圖5 Adapt Laser公司激光清洗鋁合金車身外表氧化膜

圖6 英國(guó)羅羅公司激光清洗鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)外表氧化膜

工業(yè)范疇激光清洗技能的運(yùn)用方向包含：航天、航空、轎車、高鐵、艦船、海洋和核電等，詳細(xì)清洗內(nèi)容掩蓋除銹、除氧化膜、除涂層、脫漆、除油污、除微生物和除核微粒等。因?yàn)閲?guó)內(nèi)較國(guó)外在激光清洗范疇翻開的研討較晚，加上短脈沖激光器本身價(jià)格昂貴，需求更高的清洗功率與之相匹配才能在實(shí)踐運(yùn)用中取得較高價(jià)值，因而現(xiàn)在相關(guān)運(yùn)用很少。

近三年來(lái)，國(guó)內(nèi)的一些高校、科研院所和企業(yè)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、南開大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院、我國(guó)工程物理研討院、姑蘇熱工院、上海臨仕激光、大族激光等都對(duì)激光清洗技能表現(xiàn)出了稠密的喜愛，連續(xù)開始了激光清洗技能在工業(yè)范疇的研討與運(yùn)用，并且翻開激光清洗的配備制作。

05

定論及展望

綜上所述，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外關(guān)于激光清洗研討的定論如下：

1

激光清洗辦法包含激光燒蝕清洗、液膜輔佐式激光清洗和激光沖擊波式清洗，觸及機(jī)理首要包含燒蝕、振蕩、熱脹大、相爆破、氣化和沖擊波等。

2

激光清洗政策分為基材和清洗物兩部分，基材首要有鋼、輕質(zhì)合金、有色金屬、硅和復(fù)合資料等，清洗物首要包含銹、氧化膜、漆層、涂層、油污和微粒等。

3

激光清洗技能在工業(yè)范疇運(yùn)用遠(yuǎn)景非常廣闊，詳細(xì)包含航空航天、轎車、高鐵、船舶、海洋和核電等作業(yè)。

在理論與工藝方面，盡管國(guó)內(nèi)外在激光清洗工藝研討方面均已翻開許多試驗(yàn)，可是激光清洗理論和機(jī)理尚不完善。盡管已有研討人員建立了相關(guān)物理模型，作出了必定的假定和條件，可是這些模型依然有很大局限性，想要全面提示和了解激光清洗進(jìn)程仍需做許多研討，尤其是在激光與資料彼此作用方面需多加考慮。

在實(shí)踐運(yùn)用方面，國(guó)內(nèi)與國(guó)外距離較大，這是由許多原因構(gòu)成的，除了激光清洗機(jī)理與工藝不行老到以外，設(shè)備方面也捆綁了激光清洗功率和精度的行進(jìn)，尤其是我國(guó)無(wú)法自主研制高功率短脈沖激光器，這是捆綁高效激光清洗成套配備開發(fā)的一大瓶頸。

當(dāng)今先進(jìn)制作業(yè)已成為世界比賽的制高點(diǎn)，激光制作是我國(guó)“十三五”期間安頓的要害使命，激光清洗技能作為激光制作中的一種先進(jìn)技能，在工業(yè)翻開中的運(yùn)用價(jià)值潛力巨大，大力翻開激光清洗技能對(duì)我國(guó)高端激光制作技能與配備世界比賽力的大幅行進(jìn)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的翻開具有非常重要的戰(zhàn)略意義。