作者簡介
姚建銓 中國科學院院士 天津大學教授 激光與光電子研究所所長
中國是公認的制造大國，也是全球最大的加工國家，工業體量也是世界第一。 隨著帶來環境的問題，改變一些生產工序上的工藝和升級更加環保的清洗工藝，就成為非常迫切與必要的任務，激光清洗/除銹就是一項非常有發揮潛力的選擇。
據市場調研報告顯示，2018年，全球激光清洗市場的規模將達到5.89億美元，到2023年這一數值預計將達到7.24億美元，2018年和2023年之間的復合年增長率（CAGR）為4.22％。在不少屬于國民經濟的支柱產業中使用激光清洗技術，產生的經濟效益和社會效益是十分可觀的。利用我國現有的激光技術條件，開發配套的激光清洗設備，并使其在短時間內實用化、產業化，是完全可能的，對推動高新技術產業的發展本身亦具有重要意義。
技術原理及優勢
激光清洗是利用窄脈寬、高功率密度的激光作用于待清洗物表面，在快速光振動、氣化、分解和等離子體剝離等機理的共同作用下，使污染物脫離基底，實現表面清洗。
由于傳統的清洗方法已不能滿足高效低成本、無污染、無能耗的清洗要求，因此目前迫切需要一種新型的、綠色的清洗技術，而激光清洗則具備的優勢使它成為最佳選擇：
- 安全，對基底基本無損傷；
- 環保，不產生二次污染，去除物質可回收；
- 精準，可實現微米級精度控制；
- 低能耗，僅消耗電能；
- 適用性和機動性強。
圖 傳統清洗方法
市場上的激光清洗機一般主要由激光器、光束傳輸整形單元、自動控制操作系統、清洗質量檢測保護單元、位移平臺等組成。
圖 激光清洗機組成示意
眾多領域已應用
激光清洗目前已應用在眾多領域，如下所示：
微電子領域：半導體元件、微電子器件、存儲器模板、硅模板等去除微粒以及元器件針腳去除氧化物；
文物保護：石雕、青銅器、玻璃、紙張、布面、皮質、壁畫等；
模具清洗：橡膠模具、復合模具、金屬模具等；
表面處理：親水性處理、表面粗糙化、焊接前預處理；
其他：城市涂鴉、印刷滾筒、精密機械工業零件上潤滑油、建筑外墻、核管道等危險行業清洗。
未來激光清洗將更大范圍的應用在大型裝備的除漆除銹，如飛機、艦船、武器裝備、橋梁、鐵塔等全自動化激光除漆、除銹系統；應用在精密部件精確除漆如飛機零部件、電氣產品（代替刻蝕）等。
關鍵技術要知道
激光清洗用激光器
光束高效傳輸、高精度勻化整形、精準聚焦掃描技術；光束長焦深、大有效清洗范圍、激光參量調節控制技術；快速、高效、基底無損傷清洗技術。
工藝
工藝技術：基底無損傷清洗
應用對象：高鐵變流器柜
基底材質：主流柜材質鋁合金，輔助變流器為碳鋼
漆層：柜體表面底漆和面漆，總厚度0.1 mm
清洗部位：吊點、擋板
清洗要求：去除油漆、 無污物、基底材料無損傷
激光清洗能夠有效去除變流器柜體油漆，不損傷基底材料，清洗效果滿足要求。
分離
工藝技術：油漆分層剝離
應用對象：高鐵車廂表面油漆
基底材質：鋁合金
清洗要求：分層剝離表面清漆層，下層面漆層無損傷，不影響重新噴涂效果。
激光清洗能夠分層剝離高鐵車廂表面油漆，剝離前后油漆結合力和硬度無變化。
?不同物質
工藝技術：不同種類污染物清洗
應用對象：油漆、鐵銹、金屬表面氧化物清洗試驗
清洗效果可達到GB8923-88《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》Sa2.5級~Sa3級
激光清洗技術還可利用高功率密度脈沖激光輻照材料表面產生微納米結構，改變材料表面的物理、化學性質，顯著提高材料表面對光的吸光率，產生黑化或拋光效果。材料表面激光黑化可用于光闌、光閘以及各類光吸收體的表面黑化工作，同時也可用于光伏產業等，如在硅片上制備精細陷光結構，制備新一代太陽能電池。
國內外發展現狀
國外應用歷史已久，應用范圍廣泛
激光清洗技術研究起步于20世紀80年代中期，但直到20世紀90年代初期才真正步入工業生產中，在許多場合逐步取代傳統清洗方法。歐洲國家普遍保留了大量的歷史文物和古老建筑，許多教堂、城堡、大學、博物館、雕塑等均有數百年甚至千年歷史，歐洲人十分注重這些“古董”的保護和修復，自1990年代中已開始把激光清洗技術用于文物修復去污。
國外激光清洗的去污范圍非常廣泛，從厚銹層到激光表面微細顆粒都可以去除，已有近30年的使用經驗。
主要供應商包括：P-laser，CleanLaser，Adapt Laser Systems，General Lasertronics，IPG等，目前歐美國家的激光清洗市場表現穩定。
主要技術研究方向如下所示：
Wavelength、Power or energy、Repetition rate、Moving velocity、Focus、Other equipment、Procession technology、激光清洗最佳化、激光參數、清洗運轉參數、外界參數。
國內設備公司取得增長，市場成長仍需時間
盡管自2016-2017年，激光清洗的工業應用吸引了各行各業的普遍關注，然而市場的成長與用戶接受還需要一些時間，直至2017年底，預估全國有超過40家企業與科研機構從事激光清洗系統的研究與開發，總體激光清洗相關產品的營收不超過5億元。因為激光清洗的工業應用在中國還是比較新，有些是初創企業，其業績還不到一千萬，而像大族激光、華工激光、銘鐳激光等兼做清洗設備的，可依靠原來積累的品牌影響贏得一些訂單。
據悉，進入2018年各家激光清洗設備公司均取得了不錯的增長，保守估計上半年的銷售額比去年增長了超過60%。一部分原因是目前從事激光清洗設備的企業增加，各式機器層出不窮，價格也有一定下降，另外就是以往一些潛在用戶在觀望了解后，今年下決心采購用上激光清洗。
如今國內從事激光清洗的科研機構包括中國工程物理研究院激光聚變中心、解放軍裝甲兵工程學院再制造中心、哈爾濱工業大學、天津大學、江蘇大學、華中科技大學、南開大學等，相關激光器廠家主要有創鑫激光、銳科激光、海富光子、珠西激光、飛博激光、中科四象、國科激光等，而從事激光清洗設備開發的企業就更多了，大族激光智能裝備集團、華工激光、銘鐳激光、帝耐激光、艾思蘭、紐芬奇機電、武鋼華工、嘉信激光、奧華激光、匯澤激光、瑞豐光電、翔明激光、三江航天激光研究院等，其中個別企業最高可以提供1000 W的清洗機。目前國內提供激光清洗用的光纖激光器最高功率水平達到800 W，由海富光子生產，創鑫激光正在研發；而在1000 W功率水平則僅是IPG一家提供。
國內的激光清洗發展受到環保需求和政策的驅動，目前仍存在以下問題：
- 用于清洗的國產激光器技術和產業化還落后國外廠家很多；
- 激光清洗工藝應用點很多，但沒有形成成熟的體系；
- 還沒有具備指導性的檢測方法、儀器和行業標準。
目前，由作者帶領的團隊正集合國內激光器生產企業、激光清洗技術研究所和高校、集成單位和應用單位四類代表性組織，聯合成立專家委員會及行業標準籌備組，為激光清洗技術和產業指引方向。
由于脈沖光纖激光器的功率局限，更高功率的激光清洗應用，目前則要用上固體激光器，英國的Powerlase公司可提供1600 W用于激光清洗的固體激光器。一些從事配套產品的企業也順勢推出了激光清洗頭，比如金海創科技。較早開發的激光清洗機主要是手持式的，但由于激光的高亮度和高能量，使用高功率的激光時采用手持式也許不太適合，一些企業逐漸研發出了機器人激光清洗系統，包括銘鐳、嘉信、匯澤幾家，實現了自動化清洗控制，大大提高了清洗效率和人的安全。
中國未來激光清洗產業的發展方向
在國家項目上，圍繞軍民用飛機蒙皮除漆清洗的重大需求，攻克多組分材料逐層精密無損去除機理、工藝技術，突破激光清洗質量控制及其成套裝備研發等關鍵技術，實現大功率光纖激光清洗技術在軍民飛機蒙皮清洗領域的示范應用，為激光清洗技術和裝備的輻射和推廣提供技術、硬件和實踐基礎。
未來國內激光清洗產業將呈集群產業化的爆發式需求增長，具體表現在：傳統方法被快速替代；激光器技術突破性發展；產業集群的成本大幅降低；高效率、小型化、專業化發展，同時追求高效率、小型化和專業化。
關于可應用領域的幾點思考
模具的清洗
每年全世界的輪胎生產企業制造數億個輪胎，生產過程中輪胎模具的清洗必須迅速可靠，以節省停機的時間。傳統的清洗方法包括噴沙、超聲波或二氧化碳清洗等，但這些方法通常必須在高熱的模具經數小時冷卻后，再移往清洗設備進行清潔，清潔所需的時間長，并容易損害模具的精度，化學溶劑及噪聲還會產生安全和環保等問題。
利用激光清洗方式，可利用光纖來傳輸，在使用上深具彈性；光纖連接而將光導至模具的死角或不易清除的部位進行清洗，因此使用方便；同時，橡膠并無氣化，因此不會產生有毒害的氣體，影響工作環境的安全。
激光清洗輪胎模具的技術已經大量在歐美的輪胎工業中被采用，雖然初期投資成本較高，但可在節省待機時間、避免模具損壞、工作安全及節省原材料上所獲得的收益迅速得到回收。根據作者所研發的激光清洗器換算，重輪胎公司生產線上進行的清洗試驗表明，僅需2個小時就可以在線清洗一套大型載重輪胎的模具。和常規清洗方法相比，經濟效益是顯而易見的。食品工業模具上防粘的彈性膜層需要定期更換以保證衛生，激光清洗特別適合應用在該領域。
武器裝備的清洗
激光清洗技術在武器維護保養上廣泛應用。采用激光清洗系統，可以高效、快捷地清除銹蝕、污染物，并可以對清除部位進行選擇，實現清洗的自動化。采用激光清洗，不但清潔度高于化學清洗工藝，而且對于物體表面幾乎無損害。通過設定不同參數，還可以在金屬物體表面形成一層致密的氧化物保護膜或金屬熔融層，提高表面強度和耐腐蝕性。激光清除的廢料對環境基本上不構成污染，還可以進行遠距離操作，有效減少了對操作人員的健康損害。
飛機舊漆的清除
在歐洲激光清洗系統早已應用在航空工業中。飛機的表面經過一定時間后要重新噴漆，但是噴漆之前需要將原來的舊漆完全除去。傳統的機械清除油漆法容易對飛機的金屬表面造成損傷，給安全飛行帶來隱患。如采用多個激光清洗系統，可在兩天之內將一架A320空中客車表面的漆層完全除掉，且不會損傷到金屬表面。
樓宇外墻的清洗
隨著我國經濟的飛速發展，越來越多的摩天大樓被建立起來，大樓外墻的清潔問題日益凸現，激光清洗系統可以通過最長70米的光纖對建筑物外墻的清洗提供了很好的解決方法，它可以對各種石材、金屬、玻璃上的各種污染物進行有效清洗，且比常規清洗效率高很多倍。還可以對建筑物的各種石材上的黑斑、色斑進行清除。嵩山少林寺對建筑物、石碑進行的清洗試驗表明，采用激光清洗對保護古建筑恢復外觀效果非常好。
電子工業中的清洗
電子工業使用激光去除氧化物：電子工業需要高精度地去污，特別適合采用激光去氧化物。在電路板焊接前，元件針腳必須徹底去氧化物以保證最佳的電接觸，在去污過程中還不能損壞針腳。激光清洗可以滿足使用要求，且效率很高，一個針腳只需照射一次激光。
精密機械工業中的精確去酯清洗
精密機械工業常常需對零件上用來潤滑和抗腐蝕的酯類及礦物油加以清除，通常是用化學方法，而化學清洗往往仍有殘留物。激光去酯可以將酯類及礦物油完全去除，不損傷零件表面。其污染物去除是由沖擊波完成，零件表面氧化物薄層爆炸性氣化形成了沖擊波，導致污物去除，而非機械互作用。材料徹底去酯用于航天工業機械零件的清理。機械零件加工中的油酯去除同樣可采用激光清洗。
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