传统工业清洗有各种各样的清洗方式，多是利用化学药剂和机械方法进行清洗，但是，如 CFCs 等的清洗方式会造成环境污染而影响公众健康。随着我国环境保护法的施行越来越严苛，以及民众环保和安全意识日益增强，市场对绿色环保、且更经济实用的科学清洗技术的需求变得更加迫切。
激光清洗的优势
激光清洗技术研究起步于 20 世纪 80 年代中期，但直到 20 世纪 90 年代初期才开始步入工业生产中。激光清洗就是一种目前备受青睐的“绿色”表面处理技术，主要通过中低功率、高能量密度的脉冲激光束作用于工件表面，使表面的污物、氧化层或涂层瞬间蒸发、气化或热膨胀而脱离基体，从而实现表面净化的效果。
与传统的清洗方法相比，激光清洗不需使用任何化学药剂和清洗液，清洗下来的废料基本上都是固体粉末，体积小，易于存放，可回收，可以轻易解决化学清洗带来的环境污染问题。
激光清洗原理和实际清洗过程
激光清洗的机理
激光清洗的机理基本可分为三个过程：
◆ 蒸发过程——选择性气化，剥离；
◆ 撞击过程——蒸发压力，光子压力；
◆ 振动过程——瞬时表面热处理。
（1）选择性气化
在脉宽为 1μs-1ms 脉冲模式下，相对低的激光功率密度（103~105W/cm 2 ）照射物体，表面污染物被选择性蒸发，而基材几乎完好无损，从而实现激光清洁。当覆盖物吸收率足够大，覆盖物本身的温度会迅速上升以致覆盖物气化蒸发；而基材的吸收率远低于与覆盖物，温度上升有限，可有效阻止基材剥离、熔化或蒸发。对于这种应用，一维加热模式可解释对入射激光能量不同的吸收率会导致两层表面温升的不同。
有效清洁的一个重要限制条件是：通过高温蒸发清除表面覆盖物，但不能超过基底层的熔化温度。在这个条件下，清洗过程中覆盖层将吸收一系列初始脉冲波，以使覆盖层的温度上升到蒸发温度以上，之后一旦覆盖层被清除，激光将作用于基底层。但由于脉冲能量致基层材料温度上升有限，并不会损伤基底层，此即为激光清洁的自限制效应。因此，在此过程中还存在一个清除基层材料的损伤阈值（如应力引起的表面裂纹损伤）。在能够造成覆盖层蒸发的激光功率密度 I 0 (1)，和基材的损伤阈值时的激光功率密度 I 0 (2) 之间的范围，就是对物体进行有效激光清洗的安全区。
（2）瞬时表面热处理
当短波长激光脉冲迅速沉积并被表面吸收，目标物表面即会快速膨胀和收缩，形成冲击波。受热层将施加压力在相邻材料上，压力冲击波将穿过材料。如果产生的力足够大以至超过材料的剪切强度，那么可以通过物理损坏来清除材料。
清洗处的表面快速膨胀和收缩的效应，一是这种效应的量值足够大以致能够产生声波；二是在去除表面积垢的同时，对基材的损坏可以忽略不计。
一维加热模式示意图
（3）碎裂
当激光功率密度107~1010W/cm2，激光脉冲持续时间约5~20ns时（如在调Q模式下），剥离机制在激光清洗中起主导作用。
在高功率密度下，覆盖物表面吸收激光能量后达到蒸发温度，蒸气部分被电离产生等离子体，等离子体会继续强烈吸收激光能量。覆盖物被等离子体屏蔽而远离激光时，最初的表面蒸发停止。当激光脉冲继续作用时，蒸气进一步受热，产生高压（1~100kbar），导致目标材料表面产生微观压力的冲击波，再当激光脉冲停止作用时，等离子体从表面扩张，材料表面弛豫，薄薄的表层（1~100μm）被碎裂直至剥落。
（4）烧蚀（破坏分子键）
高能量光子，如紫外激光中的光子，能够提供足够的能量以直接破坏有机材料中的 C-H 化学键，把长链式高分子剪切成短链式分子，然后被短脉冲激光产生的相关机械力清除。两个或多个 C-H 键的剪切需要更大的光子能量，这需要更短波长的紫外激光，如 157~248nm 的准分子激光。与热剥离不同的是，破坏化学键的过程没有或者几乎没有附带的热效应。因此这种“冷”烧蚀在许多应用中具有吸引力，如稀有油画和手稿的保存。
覆盖物因冲击波的作用碎裂
（5）蒸发压力
在激光辐射的表面产生高压脉冲的另外一种机制是蒸发压力。金属蒸气从紧挨周围气体的金属表面膨胀，和周围未压缩的空气之间存在一个压缩区，引起在压缩空气和周围未压缩空气的界面上产生激波。材料的迅速蒸发产生很大的反冲压力。例如在激光功率密度为 1×10 7 W/cm 2 时，会产生大约 2×10 7 Pa 的反冲压力，在 1×10 8 W/cm 2 时，会产生大约1×10 8 Pa 的反冲压力。
研究发现，当限定激光功率密度（激光强度）和波长，蒸发压力会随着脉冲宽度的减少而增加。在同样激光功率密度下，对限定的脉冲宽度，发现蒸发压力会随着激光波长的减少而增加。因此在清洗易碎物品时，选择合适范围的脉冲宽度区间可在保证清洗效果的前提下将机械和热效应降到最低。
快速蒸发机理示意图
计算得到的蒸发压力与激光功率密度的变化（波长 1.06μm，脉宽 10ns）
计算得到的蒸发压力与激光脉宽的变化（波长 1.06μm，功率密度 1×109W/cm 2 ）
计算得到的光子压强与激光峰值功率的变化关系（ 波 长 1.06μm， 脉 宽10n，光斑直径 1mm）
（6）光子压力
光子的动量有一个很小的压力施加在被照射的物体表面。高度聚焦的激光能产生非常大的光子流量，故激光能够在被辐射的物体表面产生一定的光子压力。这种压强虽小，但能清除材料表面小颗粒。在微电子元件清除亚微米小颗粒就是使用了这种机制。
三、激光清洗的应用
国外对激光清洗技术的应用比较早，理论研究也比较深入。有文字记录的第一例激光清洗是 20 世纪 60 年在加利福尼亚大学采访 Arthur Schawlow 的系列报道：Schawlow 发明了一个利用小型红宝石激光器来纠正打印机键入文件错误码和其他打印文件错误的激光擦除器专利。激光清洗在艺术品保护方面的应用也比较早。这方面最早的记录是 1972 年加利福尼亚圣迭戈大学的 John F Asmus 在威尼斯观察到红宝石激光器作用于带覆盖层的石像时，石像表面的黑色覆盖层被选择性清除，而激光对其基体无明显损害。
目前激光清洗的应用相当广泛，常见的应用有文物保护（如激光清洗古石制品，油画艺术品），橡胶模具的橡胶层清洗，金属表面的除锈，海面石油污染去除，军用装备清洗，金属焊接前预处理，微电子元件和光学元件上微颗粒清洁等等。未来在净化太空垃圾、清洗核辐射污染、高铁车体除漆、飞机除漆、去除隐形飞机表面涂层等方有也非常有前景。
激光清洗应用的限制
近二十年来，激光清洗技术在理论模型、工艺研究、设备开发方面都取得了显著进展。国内外已经有不少研究机构和企业研制出各种激光清洗设备，并且有少数企业已经将其投入到工业清洗中。但是国内外激光清洗技术发展尚不平衡。无论是理论研究还是设备研制方面，国外一直处于领先水平。随着国内对环保的重视，加上国产光纤激光技术的成熟和成本的大幅降低，国内的激光清洗技术和设备开发出现了蓬勃发展的形势。
目前激光清洗在国内工业中的应用范围仍然有较大限制，这主要是因为：
◆ 对激光清洗机理的研究有待深入。
◆ 各种影响因素的工艺研究缺乏深入探索。
◆ 激光清洗效率较低，清洗稳定性较低，并未真正体现出它应有的替代性。
◆ 相较于传统清洗装备，激光清洗设备价格仍然比较高。
展望未来
激光清洗技术具有清洗效果好、控制精度高、应用范围广、运行成本低、柔性高、可控性好、易于选区定位精密清洗，以及易于远距离遥控清洗难以到达或危险的地方等优势。
激光清洗技术的出现，开辟了激光技术在工业应用的新领域，它在微电子、汽车制造，医疗、建筑、核电站、文物保护等领域的开发方兴未艾，应用市场前景广阔。目前，我国在大型件激光加工技术领域的应用已初具规模，在钢铁除锈和模具去污方面的应用还是刚刚开始，而激光清洗技术在汽车制造、建筑等领域的市场仍在开发之中。
参考文献
1. Steen,W.M. Laser materialprocessing[M]. London: Springer-VerlagLondon Ltd., 2003:330-340.
2.王海将，刘伟嵬，余跃，等.金属表面污染物的激光清洗研究现状与展望[J].内燃机与配件,2016,(8):75-78.
3.俞鸿斌，王春明，张威，等.光清洗应用发展现状及展望[J].焊接工艺,2014.44(10):80-84.
4.张鑫陈玉华.各类型激光器在激光清洗技术应用中发展现状及展望[J].热加工工艺，45(8):37-40.
转载请注明出处。
相关文章
热门资讯
精彩导读
关注我们
