激光清洗(激光清洗原理)
一直以來(lái)，我國(guó)制造業(yè)的表面處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于生產(chǎn)，這也極大限制了制造業(yè)由大轉(zhuǎn)強(qiáng)的進(jìn)程。隨著“十四五”戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施，特別是高端制造及節(jié)能減排對(duì)于先進(jìn)工藝的需求愈發(fā)迫切。在表面處理方面，國(guó)內(nèi)亟待技術(shù)和工藝全面升級(jí)。傳統(tǒng)的清洗工藝如機(jī)械摩擦清洗、化學(xué)腐蝕清洗、強(qiáng)力沖擊清洗、高頻超聲清洗等方法，不僅清洗周期長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，對(duì)環(huán)境造成有害影響，且達(dá)不到理想的清潔效果，無(wú)法很好滿(mǎn)足精細(xì)化加工需求。
但隨著環(huán)境保護(hù)、高效率和高精度的矛盾日益突出，其應(yīng)用受到很大的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，各種有利于環(huán)境保護(hù)、適用于超精加工領(lǐng)域零件的清洗技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，激光清洗技術(shù)就是其中之一。
激光清洗概念
激光清洗機(jī)是利用聚焦的激光作用在材料表面，使表面的污染物迅速汽化或剝離，從而實(shí)現(xiàn)材料表面清洗的技術(shù)。相對(duì)于各類(lèi)傳統(tǒng)的物理或化學(xué)的清洗方式，激光清洗具備無(wú)接觸、無(wú)耗材、無(wú)污染、精度高、無(wú)損傷或損傷小等特點(diǎn)，是新一代工業(yè)清洗技術(shù)的理想選擇。
激光清洗原理
激光除銹機(jī)的原理比較復(fù)雜，可能同時(shí)包含物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程，在比較多的情況下是以物理過(guò)程為主，伴隨著部分化學(xué)反應(yīng)。主要過(guò)程可以歸納為三類(lèi)，包括氣化過(guò)程、沖擊過(guò)程和振蕩過(guò)程。
氣化過(guò)程
當(dāng)高能量的激光照射到材料表面時(shí)，表面吸收激光能量轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，使表面溫度迅速升高，達(dá)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。在表面污染物對(duì)激光的吸收率明顯高于基材對(duì)激光的吸收率時(shí)，通常會(huì)發(fā)生選擇性汽化，比較典型的應(yīng)用案例是石材表面的臟污清理。如下圖所示，石材表面的污染物對(duì)激光的吸收較強(qiáng)，迅速被汽化。當(dāng)污染物被清除干凈，激光照射到石材表面時(shí)，吸收較弱，較多的激光能量被石材表面散射，石材表面的溫度變化小，石材表面因此而得到保護(hù)，不受損傷。
以化學(xué)作用為主的典型過(guò)程則是在采用紫外波段的激光進(jìn)行清洗有機(jī)污染物時(shí)發(fā)生，被稱(chēng)作激光消融（Ablation）。紫外激光的波長(zhǎng)較短，光子能量高，比如KrF準(zhǔn)分子激光，波長(zhǎng)248nm，光子能量高達(dá)5 eV，超過(guò)CO2激光光子能量（0.12 eV）的40倍。這么高的光子能量足以破壞有機(jī)物的分子鍵，使有機(jī)污染物中的C-C、C-H、C-O等在吸收激光的光子能量后發(fā)生斷裂，從而產(chǎn)生裂解氣化，從表面清除。
沖擊過(guò)程
沖擊過(guò)程是在激光與材料作用過(guò)程中，發(fā)生的一系列反應(yīng)，進(jìn)而形成的對(duì)材料表面的沖擊波。在沖擊波的作用下，表面污染物發(fā)生碎裂，變成粉塵或碎片從表面剝離。造成沖擊波的機(jī)理有多種，包括等離子體、蒸汽、急劇的熱脹冷縮現(xiàn)象等。以等離子體沖擊波為例，可以簡(jiǎn)要了解一下激光清洗中的沖擊過(guò)程是如何將表面污染物去除的。隨著超短脈寬（ns）、超高峰值功率（107– 1010 W/cm2）激光器的應(yīng)用，即使表面對(duì)激光的吸收較弱的情況下，表面溫度依然會(huì)急劇升高，瞬間達(dá)到汽化溫度以上，形成在材料表面上方的蒸氣，如下圖中（a）所示。蒸氣的溫度可達(dá)到104 - 105 K，可以使蒸氣本身或周?chē)目諝獍l(fā)生電離，形成等離子體。等離子體會(huì)阻擋激光到達(dá)材料表面，材料表面的汽化可能會(huì)停止，但是等離子體會(huì)繼續(xù)吸收激光能量，溫度持續(xù)升高，形成一個(gè)局部的超高溫超高壓的狀態(tài)，對(duì)材料表面產(chǎn)生1-100 kbar的瞬時(shí)沖擊，并逐步向材料內(nèi)部傳遞，如下圖（b）和（c）所示。在沖擊波作用下，表面污染物發(fā)生碎裂，變成微小的粉塵、顆?；蛘咚槠?。當(dāng)激光從照射位置移開(kāi)后，等離子體隨即消失，局部產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，污染物的微?；蛩槠粡谋砻嬉瞥?，如下圖（d）所示。
振蕩過(guò)程
短脈沖作用下，材料升溫和降溫的過(guò)程都極其迅速。由于不同的材料，其熱膨脹系數(shù)不同，因此在短脈沖激光照射下，表面污染物和基體會(huì)發(fā)生高頻次的不同程度的熱脹冷縮，產(chǎn)生振蕩作用，使污染物從材料表面剝落。在此剝落過(guò)程中，可能不會(huì)發(fā)生材料的汽化，也不一定會(huì)產(chǎn)生等離子體，而是依靠振蕩作用下，在污染物與基材界面形成的剪切力破壞了污染物與基材的結(jié)合。研究表明，當(dāng)激光的入射角稍微加大時(shí)，可以增加激光與顆粒污染物和基材界面的接觸，降低激光清洗的閾值，振蕩作用更加明顯，清洗效率更高。但是入射角也不宜過(guò)大，太大的入射角會(huì)降低作用在材料表面的能量密度，減弱激光的清洗能力。
激光清洗的行業(yè)應(yīng)用
1、模具行業(yè)
激光可實(shí)現(xiàn)模具無(wú)接觸清洗，對(duì)模具表面十分安全，可以確保其精度，并且可以清洗傳統(tǒng)清洗方法無(wú)法清除的亞微米級(jí)污物顆粒，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)污染、高效、高質(zhì)清洗。
激光清洗模具效果對(duì)比
2、精密儀器工業(yè)
精密機(jī)械工業(yè)常常需對(duì)零件上用來(lái)潤(rùn)滑和抗腐蝕的酯類(lèi)及礦物油加以清除，通常是用化學(xué)方法，而化學(xué)清洗往往仍有殘留物。激光去酯可以將酯類(lèi)及礦物油完全去除，不損傷零件表面。激光促使零件表面氧化物薄層爆炸性氣化形成了沖擊波，導(dǎo)致污物去除，而非機(jī)械互作用。
激光清洗鋰電池極耳、PCB除膠除塵
3、鋼軌行業(yè)
目前，鋼軌焊前清洗全部采用砂輪、砂帶打磨式清洗，基材損傷嚴(yán)重，殘余應(yīng)力嚴(yán)重，并且每年消耗大量砂輪耗材，成本高，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重粉塵污染。激光清洗可為我國(guó)高速鐵路鋪軌生產(chǎn)提供高質(zhì)、高效的綠色清洗技術(shù)，解決以上問(wèn)題，消除無(wú)縫鐵軌孔洞、灰斑等焊接缺陷，提高我國(guó)高速鐵路運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性。
激光清洗軌道效果對(duì)比圖
4、航空行業(yè)
飛機(jī)的表面過(guò)一定時(shí)間后要重新噴漆，但是噴漆之前需要將原來(lái)的舊漆完全除去?；瘜W(xué)浸泡/擦拭是航空領(lǐng)域的主要脫漆方法，該方法造成了大量化學(xué)附屬?gòu)U物，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)局部檢修脫漆，該工序工作量繁重、危害健康。激光清洗可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)蒙皮表面涂漆的高質(zhì)量去除，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。目前，該技術(shù)在國(guó)外已開(kāi)始應(yīng)用于部分高端機(jī)型的維護(hù)。
激光清洗飛機(jī)蒙皮效果圖
5、船舶行業(yè)
目前船舶產(chǎn)前清洗主要采用噴砂方法，噴砂方法對(duì)周?chē)h(huán)境造成了嚴(yán)重的粉塵污染，已逐漸被禁用，從而導(dǎo)致船舶生產(chǎn)企業(yè)的減產(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(wú)污染清洗方案。
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