序 言

1969年，美国加州大学伯克利分校空间科学试验室和核能工程系的S. M. Beadair和Harold P. Smith, JR.初度提出激光清洗的概念。激光清洗技能根据绿色、清洗作用佳、运用规划广、精度高、非触摸式和可达性好等杰出优势，与清洗剂、超声波和机械办法清洗构成显着对照，未来有望部分或彻底代替传统清洗办法成为21世纪最具翻开潜力的绿色清洗技能。

尽管激光清洗的出现最早可追溯到20世纪60年代，但针对这种创新式清洗技能的研讨和运用是从20世纪90年代开始逐渐扩展的。在曾经20多年的时间里，国内外均有关于激光清洗技能的报导，近几年活络成为工业制作范畴的研讨抢手，研讨内容首要包含激光清洗工艺、理论、配备以及运用，国内在激光清洗配备和运用方面的整体水平与国外距离较大。

在工业运用范畴，跟着激光器的高速翻开、人们对激光清洗机理研讨的不断深入，外表质量监测与表征办法日趋无缺全面，激光清洗资料外表质量得到行进，清洗精度和功率也逐渐增加。现在，它已经成为可以清洗许多不同基材外表的牢靠技能，清洗政策包含钢、铝合金、钛合金、玻璃和复合资料等，运用作业掩盖航天、航空、船舶、高铁、轿车、模具、核电和海洋等范畴。

本文将介绍三种典型的激光清洗办法，总述近年来根据不同资料的激光清洗研讨现状，终究列举了一些国内外激光清洗技能的典型运用，为科研人员翻开相关研讨供给参看。

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三种激光清洗办法

激光清洗进程非常复杂，触及去除资料机理品种繁多，关于一种激光清洗办法来说，清洗进程中可能有多种机理一同发作，这首要归因于激光与资料之间的彼此作用，包含资料外表发作烧蚀、分解、电离、降解、熔化、燃烧、汽化、振荡、飞溅、胀大、缩短、爆破、剥离、掉落等很多物理化学变化。到现在，根据国内外对激光清洗办法的研讨进行概括提炼，首要有以下三种，即激光烧蚀清洗办法，液膜辅佐激光清洗办法和激光冲击波式清洗办法。

激光烧蚀清洗办法包含的机理首要有热胀大、气化、烧蚀和相爆破等，如图1所示。它是指激光直接作用于基材外表待去除的资料上，环境条件可以为空气、惰性气体或真空，当激光辐照在资料外表时，基体和清洗物均先发作热胀大。跟着激光与清洗物彼此作用时间增加，如果温度低于清洗物气化阈值，则清洗物仅发作物理变化，其与基体热胀大系数之间的差异导致界面处发作压力，清洗物发作牵强、从基材外表扯开，发作裂纹，机械开裂，振荡破碎，以喷射办法被去除或被剥离基材外表；如果温度高于清洗物气化阈值，此刻出现两种状况：当清洗物烧蚀阈值小于基材烧蚀阈值时，需调整激光能量密度处于清洗物与基材烧蚀阈值之间，既可以有用去除清洗物，又不会对基材构成危害。

图1 激光烧蚀清洗办法工艺示意图

液膜辅佐式激光清洗去除资料的机理首要有液膜欢娱汽化和振荡等，如图2所示，它是指将液膜（水、酒精或其它液体）预先掩盖在清洗物外表，然后用激光对其进行照射。液膜吸收激光能量致使液态介质发作强力爆破，爆破欢娱的液体高速运动，将能量传递给表层清洗物，高瞬态的爆破性力气足以去除外表污物到达清洗意图。如美国加州大学伯克利分校的Min She等用8vol.%丙醇+92vol.%水作为薄层液膜，来辅佐激光去除NiP硬磁盘基材外表直径300 nm的Al2O3污染微粒。

图2 液膜辅佐式激光清洗工艺示意图

激光冲击波式清洗办法的工艺办法和清洗机理与前两者有很大不同，其工艺进程如图与基材不发作触摸，二者之间距离很小。移动工件或激光头将激光焦点调整至微粒邻近，如图3所示，机理首要为冲击波力去除，清洗政策首要为微粒。

激光以平行于基材外表的方向射出，光输出后焦点处空气会发作电离现象，创造出冲击波，冲击波以圆球状活络胀大扩展，并延伸至与微粒发作触摸，当冲击波作用在微粒上横向重量的力矩跨越纵向重量+微粒粘附力的力矩时，微粒发作翻滚去除。如我国工程物理研讨院的Yayun Ye等运用激光冲击波式清洗办法来去除镀金K9玻璃外表直径15 nm的SiO2微粒。

图3 激光冲击波式清洗（a）工艺示意图（b）基材外表颗粒的受力分析

以上三种办法中，激光烧蚀清洗办法操作条件简略，运用最为广泛，挑选合适的激光器类型选用优化的工艺参数可去除各种涂层、油漆、颗粒或污物。

液膜辅佐式激光清洗办法在运用时需求考虑挑选合适的激光波长，液膜对激光吸收率越高则优势越显着。液膜辅佐式激光清洗在某种程度可补偿激光烧蚀清洗进程冲击压力短少的问题，用于去除一些比较难去除的清洗政策，但这种办法存在两个缺点，一是工艺费事，进程难以操控；二是因为运用了液膜，清洗完毕后基材外表化学成分简略改动，生成新物质。

激光冲击波式清洗办法首要用于去除微粒（亚微米级或纳米级），可是针对涂层的清洗还未见报导，该办法对工艺要求非常严峻，既要确保激光参数可以电离空气，又要操控激光与基材之间坚持合适的距离，确保作用在微粒上的冲击力足够大。

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根据不同清洗政策的激光清洗研讨现状

从现阶段研讨来看，相对比较老到的研讨首要会合在钢材除锈、轻质合金外表除氧化膜，此外研讨规划还扩展至复合资料的外表漆层和有机物等污物的清洗、核电设备内部核微粒、镀膜玻璃外表纤细颗粒的清洗以及其它耐高温、耐腐蚀和耐磨损涂层的清洗，可是对微电子制作范畴硅片外表激光清洗的研讨首要会合在2010年早年，近几年尚无相关报导。

激光清洗政策包含基材与清洗物，基体资料包含：钢、铝合金、钛合金、铜、镍基合金、混凝土砖块、硅晶元、碳纤维增强树脂基复合资料、有机玻璃和钨带等，清洗物包含：漆层、锈蚀、氧化层、硫化层、耐磨耐高温涂层、油污、UO2核微粒、SiO2微粒、C微粒、W微粒和各种有机物等。

综上所述，激光清洗时需求根据不同的清洗政策挑选合适的激光波长、脉冲宽度、脉冲频率等参数。

●国内外针对涂层和纤细颗粒的激光清洗研讨绝大多数都挑选了波长1064 nm的纳秒脉冲光纤激光器，可是激光脉冲频率有很大不同，前者的脉冲频率为几千赫兹到几十千赫兹，清洗后外表粗糙度可达1 μm左右，后者则会合在几赫兹到几十赫兹，去除率可达90%以上；

●针对漆层的激光清洗，激光器的挑选逐渐从曾经的10.64 μm波长的高功率CO2激光器向波长1064 nm的脉冲光纤激光器改动，此刻需求概括考虑不同色彩漆层对激光的吸收能力以及清洗功率来挑选合适波长的激光器，清洗后外表粗糙度靠近1 μm；

●针对树脂、油污及其它有机物的清洗，脉冲光纤激光器、连续CO2激光器和准分子激光器等均有运用，和未清洗比较，清洗后复合资料胶接接头的剪切强度均有必定程度行进，油污去除率可达95%。

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激光清洗技能运用

20世纪80年代，跟着半导体作业高速翻开，对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，其要害点在于战胜污染微颗粒与基材之间极大的吸附力，传统的化学清洗、机械清洗、超声清洗办法均无法满意需求，而激光清洗可以很简略处理此类污染问题，相关研讨与运用得到活络翻开。

IBM公司的W. Zapka等在1987年初度申请了关于激光清洗方面的专利，进入90年代之后，同在IBM作业的A.C. Tam等成功将激光清洗技能运用于半导体制作工艺中，用于去除掩模外表微颗粒，结束了前期激光清洗技能在工业范畴的运用。1995年，德国的Schweizer等运用2 kW的TEA CO2激光器成功结束飞机机身除漆的运用。

进入21世纪后，跟着超短脉冲激光器制作技能的高速翻开和本钱下降，国内外对激光清洗技能的研讨和运用逐渐增多，要害会合在金属资料外表，国外的典型运用有飞机机身脱漆、模具外表除油污、发动机内部除积碳和焊前接头外表清理等。美国EWI研讨所激光清洗F-16战机的现场配备图如图4所示，清洗功率可达1Ft2·mils/(kW·min)。

图4 美国EWI研讨所激光清洗F-16战机漆层现场

值得一提的是，先进复合资料部件的激光脱漆研讨与运用也会是一大抢手。美国海军H-53、H-56直升机螺旋桨叶片和F16战斗机平尾等复合资料外表均已结束激光脱漆运用，我国因为复合资料在飞机上的运用较晚，因而此类研讨根柢处于空白。

此外，有关CFRP复合资料胶接前接头处选用激光清洗技能做外表处理来行进接头强度也是当时的研讨要害，运用远景非常旷达。图5为Adapt Laser公司供给奥迪TT轿车生产线的光纤激光清洗配备，用于清洗轻质铝合金车门框外表的氧化膜。英国Rolls-Royce在激光清洗钛合金航空发动机部件外表氧化膜方面翻开了运用，见图6。

图5 Adapt Laser公司激光清洗铝合金车身外表氧化膜

图6 英国罗罗公司激光清洗钛合金航空发动机外表氧化膜

工业范畴激光清洗技能的运用方向包含：航天、航空、轿车、高铁、舰船、海洋和核电等，详细清洗内容掩盖除锈、除氧化膜、除涂层、脱漆、除油污、除微生物和除核微粒等。因为国内较国外在激光清洗范畴翻开的研讨较晚，加上短脉冲激光器本身价格昂贵，需求更高的清洗功率与之相匹配才能在实践运用中取得较高价值，因而现在相关运用很少。

近三年来，国内的一些高校、科研院所和企业，如哈尔滨工业大学、华中科技大学、南开大学、装甲兵工程学院、我国工程物理研讨院、姑苏热工院、上海临仕激光、大族激光等都对激光清洗技能表现出了稠密的喜爱，连续开始了激光清洗技能在工业范畴的研讨与运用，并且翻开激光清洗的配备制作。

05

定论及展望

综上所述，现在国内外关于激光清洗研讨的定论如下：

1

激光清洗办法包含激光烧蚀清洗、液膜辅佐式激光清洗和激光冲击波式清洗，触及机理首要包含烧蚀、振荡、热胀大、相爆破、气化和冲击波等。

2

激光清洗政策分为基材和清洗物两部分，基材首要有钢、轻质合金、有色金属、硅和复合资料等，清洗物首要包含锈、氧化膜、漆层、涂层、油污和微粒等。

3

激光清洗技能在工业范畴运用远景非常广阔，详细包含航空航天、轿车、高铁、船舶、海洋和核电等作业。

在理论与工艺方面，尽管国内外在激光清洗工艺研讨方面均已翻开许多试验，可是激光清洗理论和机理尚不完善。尽管已有研讨人员建立了相关物理模型，作出了必定的假定和条件，可是这些模型依然有很大局限性，想要全面提示和了解激光清洗进程仍需做许多研讨，尤其是在激光与资料彼此作用方面需多加考虑。

在实践运用方面，国内与国外距离较大，这是由许多原因构成的，除了激光清洗机理与工艺不行老到以外，设备方面也捆绑了激光清洗功率和精度的行进，尤其是我国无法自主研制高功率短脉冲激光器，这是捆绑高效激光清洗成套配备开发的一大瓶颈。

当今先进制作业已成为世界比赛的制高点，激光制作是我国“十三五”期间安顿的要害使命，激光清洗技能作为激光制作中的一种先进技能，在工业翻开中的运用价值潜力巨大，大力翻开激光清洗技能对我国高端激光制作技能与配备世界比赛力的大幅行进、经济和社会的翻开具有非常重要的战略意义。