引言
制造業迅猛發展的今天，不論是機械還是電子產品在加工或者裝配之前以及設備運轉一段時間之后的維修維護，基本都需要對部分材料或者部件進行清洗處理。隨著時代的進步與科學技術的發展，人們發明了新型清洗方法：如高壓噴淋法、機械法、化學法、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，但激光清洗技術的發展依賴于激光器的發展和應用，所以直到20世紀90年代才開始逐步的應用[1]。
激光清洗是基于激光與物質相互作用發展而來，與機械摩擦清洗、化學腐蝕清洗、液體固體強力沖擊清洗和高頻超聲清洗等傳統清洗方法相比，激光清洗具有環境友好、非接觸、可精準控制、可實時監控反饋和對基材無損微損等優點，有望部分替代傳統清洗方法，成為目前具有很大發展潛力的清洗技術。
近幾年，激光清洗成為激光再制造領域的研究熱點之一，國家重點研發計劃2017和2018連續兩年將激光清洗項目寫入指南。研究內容也涵蓋工藝、理論、裝備及應用，但國內在激光清洗裝備和應用方面的整體水平與國外仍有差距。
隨著激光器技術和性能的不斷發展和提高，激光清洗的機理研究不斷深入，科學儀器對材料表面質量的監測能力逐漸提高，表征方法與手段也日趨完善，激光清洗材料表面的質量得到提升，清洗精度和效率也逐漸增加，激光清洗機的效能逐漸提高，價格不斷降低，激光清洗技術已能清洗不同的基材表面，包括鋼材、鋁合金、鈦合金、玻璃和復合材料等，應用行業也覆蓋到航空航天、航海裝備、高鐵、汽車、模具、核電等高端領域。
激光清洗研究現狀分析
激光清洗過程十分復雜，涉及材料去除機理的種類繁多，目前尚未對激光清洗的過程認識十分清楚，清洗過程中可能同時存在多種機理，這主要歸因于激光與材料之間的相互作用，包括材料表面發生的燒蝕、分解、電離、降解、熔化、燃燒、氣化、振動、飛濺、膨脹、收縮、爆炸、剝離、脫落等物理化學變化過程。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單，使用最為廣泛，選擇合適的激光器類型、采用優化的工藝參數可去除各種涂層、油漆、顆粒或污物。其余兩種方法雖然也具有各自的優點，但目前應用仍處于研究階段，沒有大規模推廣。
01
激光清洗機理的研究
對于激光清洗機理的研究，基于激光燒蝕理論，江蘇大學佟艷群[2]研究了激光作用下金屬和金屬氧化物的溫升規律，分析激光能量、激光脈寬等參數的影響。結合形貌分析，提出金屬氧化物的激光去除機理是激光燒蝕的物理化學效應和彈性振動效應共同作用的結果，為激光工藝參數的選取和在線監測技術提供了依據。
南開大學李偉[3]匯總了激光清洗的物理機制。他認為激光清洗的對象可分為微粒和膜層兩種，對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、間隙液膜爆發性沸騰等，其中以熱彈性膨脹機制為主。通過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力與粘附力之間的比較關系，或熱彈性能與粘附勢能之間的比較關系，進而確定清洗條件，最終得到激光參數、材料參數和環境參數與清洗效果、效率之間的決定關系。
南開大學施曙東[4]提出一種三層吸收界面燒蝕振動模型，并利用模型對激光清洗漆涂覆層的機制、清洗閾值等模擬與實際工作密切相關的因素進行了比較分析。用數學方法確定清洗模型中的各層吸收的激光和熱轉化，并使用有限元方法對其進行了數值求解，給出了清洗過程中的溫度分布、應力分布和位移值的數值計算解。
02
激光清洗應用研究現狀
激光清洗對象包括基材與清洗物，基體材料現已涵蓋鋼材、鋁合金、鈦合金、樹脂基復合材料等，清洗物囊括漆層、銹蝕、氧化層、硫化層和各種有機物等。
表 近年來部分激光清洗的研究進展分類介紹
激光清洗技術逐漸推廣到相應的產業當中，目前已見報道的除常見產品的除漆除銹外，還在彈藥修理、動車組維修、雷達組件制造、鋰離子電池電極片清洗和樹脂基復合材料等新興領域得到了應用。作者所在單位也在鈦合金表面氧化物清洗和復合材料表面除漆進行了系統研究，清洗效果如下圖。
鈦合金清洗
樹脂基復合材料清洗
03
激光清洗裝備研發進展
目前激光清洗技術發展不平衡，有些已經實現工業化，有的還處于實驗室階段。盡管歐美國家的激光清洗裝備研發處于領先地位，但是歐美國家的激光清洗市場表現穩定，并沒有表現出爆發性增長。
我國的激光清洗技術研究和設備開發基本上是跟蹤國外的發展，但是在短時間內也取得了一些成果，近年學術界激光清洗的研究文章逐漸增多，清洗材料種類和應用領域逐漸擴大。2010年中國工程物理研究院激光聚變研究中心在國內最早嘗試了激光清洗設備的開發，并成功應用到文物清洗領域，目前已經形成小批量生產和銷售。自此以后，尤其2016年下半年至今，從事激光清洗設備研發的企事業單位層出不窮，激光清洗技術也逐漸露出廬山真面目，顯現在人們眼前，為更多的人所認知。
目前國內從事激光清洗的研究單位主要有中國工程物理研究院、哈爾濱工業大學、華中科技大學等單位；相關企業主要有創鑫激光、銳科激光、銘鐳激光、中科四象、大族激光、華工激光等單位。各式激光清洗設備層出不窮，功率從100 W到800 W都可提供，銷售價格有所下降，當然設備的質量也是良莠不齊。自行研發清洗專用激光器的單位主要有中國工程物理研究院和創鑫激光等。2017“江門智博會”，可以說云集了國內絕大部分激光清洗設備。
最早的激光清洗設備都是手持式操作，具有較大的應用局限性。目前激光清洗正在向自動化控制方向發展，銘鐳激光、中國工程物理研究院、嘉信激光等實現了自動化清洗，提高了清洗效率，尤其是提高了安全性。
044
激光清洗未來發展的思考
經過多年發展，激光清洗在工業應用領域開辟了許多新的機遇，但是對于激光清洗技術的發展，作者持謹慎態度，認為還有以下工作需要深入推進。
首先，作者認為激光清洗只是（至少目前）現有清洗技術的有益補充，而不是革命性的新技術；其次，以下原因是激光清洗沒有大規模推廣的主要因素：
激光清洗的基礎理論與工藝研究仍然欠缺
激光清洗過程十分復雜，涉及材料去除機理的種類繁多，是多物理場耦合作用的結果，目前的基礎研究欠缺。科研單位在基礎研究方面有優勢，但產業化力度欠缺，而企業直接面向市場，但基礎研究相對薄弱。同時激光清洗至今沒有相應的標準制定，也成為激光清洗機技術大力推廣的一道障礙。
激光清洗的環保性有待“商榷”
與傳統的清洗技術如化學清洗和噴砂清洗的清洗介質相比，激光是綠色無污染的。但是清洗的廢棄物同樣需要處理，物質是守恒的，激光清洗也會產生污染物的顆粒等。在實驗室階段，清洗小件樣品，無需處理或僅需簡單的吸塵器即可。如果幾十臺清洗機同時作業，會產生大量的廢棄物，處理是一個大問題，尤其是除漆作業，會產生強烈的刺激性氣味，現在任何一家激光清洗研究單位都沒有明確的解決措施。
激光清洗的效率有待提高
與噴砂清洗和化學清洗相比，激光清洗的效率還比較低，尤其是除漆作業。作者操作過國內多種200 W級激光清洗設備，除漆作業效率都不是很令人滿意。而化學清洗，可以說是無堅不摧、無孔不入，對復雜形狀部件的清洗更是激光清洗所不能比擬。
與公眾的預期有差距
激光在公眾看來屬于高科技，清洗界人士對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，往往產生心理落差，效率不如噴砂和化學清洗，效果不如化學清洗，對復雜形狀工件的清洗有時又是無能為力，一次性投入又較大，因此產生觀望心理。
基于以上分析，作者認為，激光清洗未來的發展應該是精細化方向，即立足激光清洗是現有清洗技術的有益補充這一事實，科研和生產單位應該加強基礎研究，尋找真正適用激光清洗的領域，采用激光清洗技術解決常規清洗技術無能為力或者性價比很差的方向和問題，而不是一味的尋求替代，真正起到引領消費的作用；加強清洗專用激光器的研發力度，作者做過多次實驗，對于一些特殊清洗對象，對激光器的輸出光束質量要求較高，而不是調節平均功率、重頻、脈寬和掃描速度等常規參數就能解決問題的，對于從事清洗設備生產的企業來說，掌握了清洗專用激光器也就等于占領了行業的制高點；激光清洗技術與智能技術結合也必將是未來的發展方向。
結語
作為激光應用的新領域——激光清洗技術，有著誘人的應用前景。用激光去除固體表面層，開拓了工業清潔技術的新思路，在有些領域已經顯示出優越性。作為一項相對較新的技術，激光清洗還有很多基礎工作需要深入，包括強化公眾的認知等。可以預見，隨著激光技術的發展，成本的下降，激光清洗技術應用會更加廣泛。
作者簡介
賈寶申，中國工程物理研究院工程師，主要從事激光技術和工業自動化技術研究。
參考文獻
1 雷正龍，田澤，陳彥賓. 工業領域的激光清洗技術, 激光與光電子學進展, 2018,55:030005-1-030005-13
2 佟艷群.激光去除金屬氧化物的機理與應用基礎研究，江蘇大學博士論文，2014
3 李偉. 激光清洗誘蝕的機制研究和設備開發，南開大學博士論文，2015
4 施曙東. 脈沖激光除漆的理論模型、數值計算和應用研究，南開大學博士論文，2015
5 喬玉林，趙吉鑫，王思捷等. 銹蝕表面的激光清洗及其元素組成分析,激光與紅外,2018,43(3):299-304
6 陳一鳴，周龍早，閆飛等. 鋁合金激光清洗機理與質量評估,中國激光，2017,(12): 202005-1-202005-8
7 李倩，夏蕓，龍爽等.印花鎳網生產現狀及激光清洗的可行性分析,針織工業，2017,2:60-64
8 胡太友，喬紅超，陸瑩等. 激光除漆對 Ti17 合金表面組織性能的影響,表面技術,2018,47(3):7-12
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