激光清洗(激光清洗原理)
一直以來，我國製造業(ye) 的表麵處理能力遠遠落後於(yu) 生產(chan) ，這也極大限製了製造業(ye) 由大轉強的進程。隨著“十四五”戰略規劃的實施，特別是高端製造及節能減排對於(yu) 先進工藝的需求愈發迫切。在表麵處理方麵，國內(nei) 亟待技術和工藝全麵升級。傳(chuan) 統的清洗工藝如機械摩擦清洗、化學腐蝕清洗、強力衝(chong) 擊清洗、高頻超聲清洗等方法，不僅(jin) 清洗周期長，難以實現自動化，對環境造成有害影響，且達不到理想的清潔效果，無法很好滿足精細化加工需求。
但隨著環境保護、高效率和高精度的矛盾日益突出，其應用受到很大的挑戰。與(yu) 此同時，各種有利於(yu) 環境保護、適用於(yu) 超精加工領域零件的清洗技術應運而生，激光清洗技術就是其中之一。
激光清洗概念
激光清洗機是利用聚焦的激光作用在材料表麵，使表麵的汙染物迅速汽化或剝離，從(cong) 而實現材料表麵清洗的技術。相對於(yu) 各類傳(chuan) 統的物理或化學的清洗方式，激光清洗具備無接觸、無耗材、無汙染、精度高、無損傷(shang) 或損傷(shang) 小等特點，是新一代工業(ye) 清洗技術的理想選擇。
激光清洗原理
激光除鏽機的原理比較複雜，可能同時包含物理過程和化學過程，在比較多的情況下是以物理過程為(wei) 主，伴隨著部分化學反應。主要過程可以歸納為(wei) 三類，包括氣化過程、衝(chong) 擊過程和振蕩過程。
氣化過程
當高能量的激光照射到材料表麵時，表麵吸收激光能量轉換成內(nei) 能，使表麵溫度迅速升高，達到材料的汽化溫度以上，從(cong) 而使汙染物以蒸汽的形式脫離材料表麵。在表麵汙染物對激光的吸收率明顯高於(yu) 基材對激光的吸收率時，通常會(hui) 發生選擇性汽化，比較典型的應用案例是石材表麵的髒汙清理。如下圖所示，石材表麵的汙染物對激光的吸收較強，迅速被汽化。當汙染物被清除幹淨，激光照射到石材表麵時，吸收較弱，較多的激光能量被石材表麵散射，石材表麵的溫度變化小，石材表麵因此而得到保護，不受損傷(shang) 。
以化學作用為(wei) 主的典型過程則是在采用紫外波段的激光進行清洗有機汙染物時發生，被稱作激光消融（Ablation）。紫外激光的波長較短，光子能量高，比如KrF準分子激光，波長248nm，光子能量高達5 eV，超過CO2激光光子能量（0.12 eV）的40倍。這麽(me) 高的光子能量足以破壞有機物的分子鍵，使有機汙染物中的C-C、C-H、C-O等在吸收激光的光子能量後發生斷裂，從(cong) 而產(chan) 生裂解氣化，從(cong) 表麵清除。
衝(chong) 擊過程
衝(chong) 擊過程是在激光與(yu) 材料作用過程中，發生的一係列反應，進而形成的對材料表麵的衝(chong) 擊波。在衝(chong) 擊波的作用下，表麵汙染物發生碎裂，變成粉塵或碎片從(cong) 表麵剝離。造成衝(chong) 擊波的機理有多種，包括等離子體(ti) 、蒸汽、急劇的熱脹冷縮現象等。以等離子體(ti) 衝(chong) 擊波為(wei) 例，可以簡要了解一下激光清洗中的衝(chong) 擊過程是如何將表麵汙染物去除的。隨著超短脈寬（ns）、超高峰值功率（107– 1010 W/cm2）激光器的應用，即使表麵對激光的吸收較弱的情況下，表麵溫度依然會(hui) 急劇升高，瞬間達到汽化溫度以上，形成在材料表麵上方的蒸氣，如下圖中（a）所示。蒸氣的溫度可達到104 - 105 K，可以使蒸氣本身或周圍的空氣發生電離，形成等離子體(ti) 。等離子體(ti) 會(hui) 阻擋激光到達材料表麵，材料表麵的汽化可能會(hui) 停止，但是等離子體(ti) 會(hui) 繼續吸收激光能量，溫度持續升高，形成一個(ge) 局部的超高溫超高壓的狀態，對材料表麵產(chan) 生1-100 kbar的瞬時衝(chong) 擊，並逐步向材料內(nei) 部傳(chuan) 遞，如下圖（b）和（c）所示。在衝(chong) 擊波作用下，表麵汙染物發生碎裂，變成微小的粉塵、顆粒或者碎片。當激光從(cong) 照射位置移開後，等離子體(ti) 隨即消失，局部產(chan) 生一個(ge) 負壓，汙染物的微粒或碎片被從(cong) 表麵移除，如下圖（d）所示。
振蕩過程
短脈衝(chong) 作用下，材料升溫和降溫的過程都極其迅速。由於(yu) 不同的材料，其熱膨脹係數不同，因此在短脈衝(chong) 激光照射下，表麵汙染物和基體(ti) 會(hui) 發生高頻次的不同程度的熱脹冷縮，產(chan) 生振蕩作用，使汙染物從(cong) 材料表麵剝落。在此剝落過程中，可能不會(hui) 發生材料的汽化，也不一定會(hui) 產(chan) 生等離子體(ti) ，而是依靠振蕩作用下，在汙染物與(yu) 基材界麵形成的剪切力破壞了汙染物與(yu) 基材的結合。研究表明，當激光的入射角稍微加大時，可以增加激光與(yu) 顆粒汙染物和基材界麵的接觸，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大，太大的入射角會(hui) 降低作用在材料表麵的能量密度，減弱激光的清洗能力。
激光清洗的行業(ye) 應用
1、模具行業(ye)
激光可實現模具無接觸清洗，對模具表麵十分安全，可以確保其精度，並且可以清洗傳(chuan) 統清洗方法無法清除的亞(ya) 微米級汙物顆粒，實現真正的無汙染、高效、高質清洗。
激光清洗模具效果對比
2、精密儀(yi) 器工業(ye)
精密機械工業(ye) 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(shang) 零件表麵。激光促使零件表麵氧化物薄層爆炸性氣化形成了衝(chong) 擊波，導致汙物去除，而非機械互作用。
激光清洗鋰電池極耳、PCB除膠除塵
3、鋼軌行業(ye)
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(shang) 嚴(yan) 重，殘餘(yu) 應力嚴(yan) 重，並且每年消耗大量砂輪耗材，成本高，對環境造成嚴(yan) 重粉塵汙染。激光清洗可為(wei) 我國高速鐵路鋪軌生產(chan) 提供高質、高效的綠色清洗技術，解決(jue) 以上問題，消除無縫鐵軌孔洞、灰斑等焊接缺陷，提高我國高速鐵路運行的穩定性及安全性。
激光清洗軌道效果對比圖
4、航空行業(ye)
飛機的表麵過一定時間後要重新噴漆，但是噴漆之前需要將原來的舊漆完全除去。化學浸泡/擦拭是航空領域的主要脫漆方法，該方法造成了大量化學附屬廢物，也無法實現局部檢修脫漆，該工序工作量繁重、危害健康。激光清洗可實現飛機蒙皮表麵塗漆的高質量去除，且易於(yu) 實現自動化生產(chan) 。目前，該技術在國外已開始應用於(yu) 部分高端機型的維護。
激光清洗飛機蒙皮效果圖
5、船舶行業(ye)
目前船舶產(chan) 前清洗主要采用噴砂方法，噴砂方法對周圍環境造成了嚴(yan) 重的粉塵汙染，已逐漸被禁用，從(cong) 而導致船舶生產(chan) 企業(ye) 的減產(chan) ，甚至停產(chan) 。激光清洗技術將為(wei) 船舶表麵防腐噴塗提供綠色無汙染清洗方案。
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