序 言

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

盡管激光清洗的出現最早可追溯到20世紀60年代，但針對這種創(chuàng)新式清洗技能的研討和運用是從20世紀90年代開始逐漸擴展的。在曾經20多年的時間里，國內外均有關于激光清洗技能的報導，近幾年活絡成為工業(yè)制作范疇的研討搶手，研討內容首要包含激光清洗工藝、理論、配備以及運用，國內在激光清洗配備和運用方面的整體水平與國外距離較大。

在工業(yè)運用范疇，跟著激光器的高速翻開、人們對激光清洗機理研討的不斷深入，外表質量監(jiān)測與表征辦法日趨無缺全面，激光清洗資料外表質量得到行進，清洗精度和功率也逐漸增加?，F在，它已經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、玻璃和復合資料等，運用作業(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，總述近年來根據不同資料的激光清洗研討現狀，終究列舉了一些國內外激光清洗技能的典型運用，為科研人員翻開相關研討供給參看。

02

三種激光清洗辦法

激光清洗進程非常復雜，觸及去除資料機理品種繁多，關于一種激光清洗辦法來說，清洗進程中可能有多種機理一同發(fā)作，這首要歸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變化。到現在，根據國內外對激光清洗辦法的研討進行概括提煉，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，當激光輻照在資料外表時，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之間的差異導致界面處發(fā)作壓力，清洗物發(fā)作牽強、從基材外表扯開，發(fā)作裂紋，機械開裂，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，此刻出現兩種狀況：當清洗物燒蝕閾值小于基材燒蝕閾值時，需調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，又不會對基材構成危害。

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）預先掩蓋在清洗物外表，然后用激光對其進行照射。液膜吸收激光能量致使液態(tài)介質發(fā)作強力爆破，爆破歡娛的液體高速運動，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清洗意圖。如美國加州大學伯克利分校的Min She等用8vol.%丙醇+92vol.%水作為薄層液膜，來輔佐激光去除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理與前兩者有很大不同，其工藝進程如圖與基材不發(fā)作觸摸，二者之間距離很小。移動工件或激光頭將激光焦點調整至微粒鄰近，如圖3所示，機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，光輸出后焦點處空氣會發(fā)作電離現象，創(chuàng)造出沖擊波，沖擊波以圓球狀活絡脹大擴展，并延伸至與微粒發(fā)作觸摸，當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，微粒發(fā)作翻滾去除。如我國工程物理研討院的Yayun Ye等運用激光沖擊波式清洗辦法來去除鍍金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略，運用最為廣泛，挑選合適的激光器類型選用優(yōu)化的工藝參數可去除各種涂層、油漆、顆?；蛭畚铩?/span>

液膜輔佐式激光清洗辦法在運用時需求考慮挑選合適的激光波長，液膜對激光吸收率越高則優(yōu)勢越顯著。液膜輔佐式激光清洗在某種程度可補償激光燒蝕清洗進程沖擊壓力短少的問題，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缺點，一是工藝費事，進程難以操控；二是因為運用了液膜，清洗完畢后基材外表化學成分簡略改動，生成新物質。

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

03

根據不同清洗政策的激光清洗研討現狀

從現階段研討來看，相對比較老到的研討首要會合在鋼材除銹、輕質合金外表除氧化膜，此外研討規(guī)劃還擴展至復合資料的外表漆層和有機物等污物的清洗、核電設備內部核微粒、鍍膜玻璃外表纖細顆粒的清洗以及其它耐高溫、耐腐蝕和耐磨損涂層的清洗，可是對微電子制作范疇硅片外表激光清洗的研討首要會合在2010年早年，近幾年尚無相關報導。

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、碳纖維增強樹脂基復合資料、有機玻璃和鎢帶等，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微粒和各種有機物等。

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

●國內外針對涂層和纖細顆粒的激光清洗研討絕大多數都挑選了波長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1 μm左右，后者則會合在幾赫茲到幾十赫茲，去除率可達90%以上；

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

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

04

激光清洗技能運用

20世紀80年代，跟著半導體作業(yè)高速翻開，對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)的化學清洗、機械清洗、超聲清洗辦法均無法滿意需求，而激光清洗可以很簡略處理此類污染問題，相關研討與運用得到活絡翻開。

IBM公司的W. Zapka等在1987年初度申請了關于激光清洗方面的專利，進入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用于半導體制作工藝中，用于去除掩模外表微顆粒，結束了前期激光清洗技能在工業(yè)范疇的運用。1995年，德國的Schweizer等運用2 kW的TEA CO2激光器成功結束飛機機身除漆的運用。

進入21世紀后，跟著超短脈沖激光器制作技能的高速翻開和本錢下降，國內外對激光清洗技能的研討和運用逐漸增多，要害會合在金屬資料外表，國外的典型運用有飛機機身脫漆、模具外表除油污、發(fā)動機內部除積碳和焊前接頭外表清理等。美國EWI研討所激光清洗F-16戰(zhàn)機的現場配備圖如圖4所示，清洗功率可達1Ft2·mils/(kW·min)。

圖4 美國EWI研討所激光清洗F-16戰(zhàn)機漆層現場

值得一提的是，先進復合資料部件的激光脫漆研討與運用也會是一大搶手。美國海軍H-53、H-56直升機螺旋槳葉片和F16戰(zhàn)斗機平尾等復合資料外表均已結束激光脫漆運用，我國因為復合資料在飛機上的運用較晚，因而此類研討根柢處于空白。

此外，有關CFRP復合資料膠接前接頭處選用激光清洗技能做外表處理來行進接頭強度也是當時的研討要害，運用遠景非常曠達。圖5為Adapt Laser公司供給奧迪TT轎車生產線的光纖激光清洗配備，用于清洗輕質鋁合金車門框外表的氧化膜。英國Rolls-Royce在激光清洗鈦合金航空發(fā)動機部件外表氧化膜方面翻開了運用，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 英國羅羅公司激光清洗鈦合金航空發(fā)動機外表氧化膜

工業(yè)范疇激光清洗技能的運用方向包含：航天、航空、轎車、高鐵、艦船、海洋和核電等，詳細清洗內容掩蓋除銹、除氧化膜、除涂層、脫漆、除油污、除微生物和除核微粒等。因為國內較國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格昂貴，需求更高的清洗功率與之相匹配才能在實踐運用中取得較高價值，因而現在相關運用很少。

近三年來，國內的一些高校、科研院所和企業(yè)，如哈爾濱工業(yè)大學、華中科技大學、南開大學、裝甲兵工程學院、我國工程物理研討院、姑蘇熱工院、上海臨仕激光、大族激光等都對激光清洗技能表現出了稠密的喜愛，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，現在國內外關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、輕質合金、有色金屬、硅和復合資料等，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)范疇運用遠景非常廣闊，詳細包含航空航天、轎車、高鐵、船舶、海洋和核電等作業(yè)。

在理論與工藝方面，盡管國內外在激光清洗工藝研討方面均已翻開許多試驗，可是激光清洗理論和機理尚不完善。盡管已有研討人員建立了相關物理模型，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。

在實踐運用方面，國內與國外距離較大，這是由許多原因構成的，除了激光清洗機理與工藝不行老到以外，設備方面也捆綁了激光清洗功率和精度的行進，尤其是我國無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。

當今先進制作業(yè)已成為世界比賽的制高點，激光制作是我國“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技能，在工業(yè)翻開中的運用價值潛力巨大，大力翻開激光清洗技能對我國高端激光制作技能與配備世界比賽力的大幅行進、經濟和社會的翻開具有非常重要的戰(zhàn)略意義。