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激光清洗
01
序 言
1969年，美國加州大學伯克利分校空間科學實驗室和核能工程系的S. M. Beadair和Harold P. Smith, JR.首次提出激光清洗的概念。激光清洗技術基于綠色、清洗效果佳、應用范圍廣、精度高、非接觸式和可達性好等突出優(yōu)勢，與清洗劑、超聲波和機械方式清洗形成鮮明對照，未來有望部分或完全替代傳統(tǒng)清洗方法成為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色清洗技術。
盡管激光清洗的出現(xiàn)最早可追溯到20世紀60年代，但針對這種創(chuàng)新型清洗技術的研究和應用是從20世紀90年代開始逐步擴大的。在過去20多年的時間里，國內外均有關于激光清洗技術的報道，近幾年迅速成為工業(yè)制造領域的研究熱點，研究內容主要涵蓋激光清洗工藝、理論、裝備以及應用，國內在激光清洗裝備和應用方面的整體水平與國外差距較大。
在工業(yè)應用領域，隨著激光器的高速發(fā)展、人們對激光清洗機理研究的不斷深入，表面質量監(jiān)測與表征方法日趨完整全面，激光清洗材料表面質量得到提升，清洗精度和效率也逐漸增加。如今，它已經成為能夠清洗大量不同基材表面的可靠技術，清洗對象包括鋼、鋁合金、鈦合金、玻璃和復合材料等，應用行業(yè)覆蓋航天、航空、船舶、高鐵、汽車、模具、核電和海洋等領域。
本文將介紹三種典型的激光清洗方法，綜述近年來基于不同材料的激光清洗研究現(xiàn)狀，最后列舉了一些國內外激光清洗技術的典型應用，為科研人員開展相關研究提供參考。
02
三種激光清洗方法
激光清洗過程十分復雜，涉及去除材料機理種類繁多，對于一種激光清洗方法來說，清洗過程中可能有多種機理同時發(fā)生，這主要歸因于激光與材料之間的相互作用，包括材料表面發(fā)生燒蝕、分解、電離、降解、熔化、燃燒、汽化、振動、飛濺、膨脹、收縮、爆炸、剝離、脫落等眾多物理化學變化。截至目前，根據(jù)國內外對激光清洗方法的研究進行歸納提煉，主要有以下三種，即激光燒蝕清洗方法，液膜輔助激光清洗方法和激光沖擊波式清洗方法。
激光燒蝕清洗方法包括的機理主要有熱膨脹、氣化、燒蝕和相爆炸等，如圖1所示。它是指激光直接作用于基材表面待去除的材料上，環(huán)境條件可以為空氣、惰性氣體或真空，當激光輻照在材料表面時，基體和清洗物均先發(fā)生熱膨脹。隨著激光與清洗物相互作用時間增加，如果溫度低于清洗物氣化閾值，則清洗物僅發(fā)生物理變化，其與基體熱膨脹系數(shù)之間的差異導致界面處產生壓力，清洗物發(fā)生屈曲、從基材表面撕開，產生裂紋，機械斷裂，振動破碎，以噴射方式被去除或被剝離基材表面；如果溫度高于清洗物氣化閾值，此時出現(xiàn)兩種情況：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，既可以有效去除清洗物，又不會對基材造成損傷。
液膜輔助式激光清洗去除材料的機理主要有液膜沸騰汽化和振動等，如圖2所示，它是指將液膜（水、酒精或其它液體）預先覆蓋在清洗物表面，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)生強力爆炸，爆炸沸騰的液體高速運動，將能量傳遞給表層清洗物，高瞬態(tài)的爆炸性力量足以去除表面污物達到清洗目的。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，來輔助激光去除NiP硬磁盤基材表面直徑300 nm的Al2O3污染微粒。
激光沖擊波式清洗方法的工藝方式和清洗機理與前兩者有很大不同，其工藝過程如圖與基材不發(fā)生接觸，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附近，如圖3所示，機理主要為沖擊波力去除，清洗對象主要為微粒。
激光以平行于基材表面的方向射出，光輸出后焦點處空氣會發(fā)生電離現(xiàn)象，創(chuàng)造出沖擊波，沖擊波以圓球狀迅速膨脹擴大，并延伸至與微粒發(fā)生接觸，當沖擊波作用在微粒上橫向分量的力矩超過縱向分量+微粒粘附力的力矩時，微粒發(fā)生滾動去除。如中國工程物理研究院的Yayun Ye等利用激光沖擊波式清洗方法來去除鍍金K9玻璃表面直徑15 nm的SiO2微粒。
以上三種方法中，激光燒蝕清洗方法操作條件簡單，使用最為廣泛，選擇合適的激光器類型采用優(yōu)化的工藝參數(shù)可去除各種涂層、油漆、顆粒或污物。
液膜輔助式激光清洗方法在使用時需要考慮選擇合適的激光波長，液膜對激光吸收率越高則優(yōu)勢越明顯。液膜輔助式激光清洗在某種程度可彌補激光燒蝕清洗過程沖擊壓力不足的問題，用于去除一些比較難去除的清洗對象，但這種方法存在兩個缺點，一是工藝麻煩，過程難以控制；二是由于使用了液膜，清洗完畢后基材表面化學成分容易改變，生成新物質。
激光沖擊波式清洗方法主要用于去除微粒（亞微米級或納米級），但是針對涂層的清洗還未見報道，該方法對工藝要求非常嚴格，既要保證激光參數(shù)能夠電離空氣，又要控制激光與基材之間保持合適的距離，確保作用在微粒上的沖擊力足夠大。
03
基于不同清洗對象的激光清洗研究現(xiàn)狀
從現(xiàn)階段研究來看，相對比較成熟的研究主要集中在鋼材除銹、輕質合金表面除氧化膜，此外研究范圍還擴大至復合材料的表面漆層和有機物等污物的清洗、核電裝置內部核微粒、鍍膜玻璃表面微小顆粒的清洗以及其它耐高溫、耐腐蝕和耐磨損涂層的清洗，但是對微電子制造領域硅片表面激光清洗的研究主要集中在2010年以前，近幾年尚無相關報道。
激光清洗對象包括基材與清洗物，基體材料涵蓋：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材料、有機玻璃和鎢帶等，清洗物囊括：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，激光清洗時需要根據(jù)不同的清洗對象選擇合適的激光波長、脈沖寬度、脈沖頻率等參數(shù)。
●國內外針對涂層和微小顆粒的激光清洗研究絕大多數(shù)都選擇了波長1064 nm的納秒脈沖光纖激光器，但是激光脈沖頻率有很大差別，前者的脈沖頻率為幾千赫茲到幾十千赫茲，清洗后表面粗糙度可達1 μm左右，后者則集中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，激光器的選擇逐漸從過去的10.64 μm波長的高功率CO2激光器向波長1064 nm的脈沖光纖激光器轉變，此時需要綜合考慮不同顏色漆層對激光的吸收能力以及清洗效率來選擇合適波長的激光器，清洗后表面粗糙度接近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使用，和未清洗相比，清洗后復合材料膠接接頭的剪切強度均有一定程度提高，油污去除率可達95%。
04
激光清洗技術應用
20世紀80年代，隨著半導體行業(yè)高速發(fā)展，對硅晶元上掩模表面的污染微粒的清洗技術提出了更高的要求，其關鍵點在于克服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、超聲清洗方法均無法滿足需求，而激光清洗可以很容易解決此類污染問題，相關研究與應用得到迅速開展。
IBM公司的W. Zapka等在1987年首次申請了關于激光清洗方面的專利，進入90年代之后，同在IBM工作的A.C. Tam等成功將激光清洗技術應用于半導體制造工藝中，用于去除掩模表面微顆粒，實現(xiàn)了早期激光清洗技術在工業(yè)領域的應用。1995年，德國的Schweizer等使用2 kW的TEA CO2激光器成功實現(xiàn)飛機機身除漆的應用。
進入21世紀后，隨著超短脈沖激光器制造技術的高速發(fā)展和成本降低，國內外對激光清洗技術的研究和應用逐步增多，重點集中在金屬材料表面，國外的典型應用有飛機機身脫漆、模具表面除油污、發(fā)動機內部除積碳和焊前接頭表面清理等。美國EWI研究所激光清洗F-16戰(zhàn)機的現(xiàn)場裝備圖如圖4所示，清洗效率可達1Ft2·mils/(kW·min)。
值得一提的是，先進復合材料部件的激光脫漆研究與應用也會是一大熱點。美國海軍H-53、H-56直升機螺旋槳葉片和F16戰(zhàn)斗機平尾等復合材料表面均已實現(xiàn)激光脫漆應用，我國由于復合材料在飛機上的應用較晚，因此此類研究基本處于空白。
此外，有關CFRP復合材料膠接前接頭處采用激光清洗技術做表面處理來提高接頭強度也是當前的研究重點，應用前景十分樂觀。圖5為Adapt Laser公司提供奧迪TT汽車生產線的光纖激光清洗裝備，用于清洗輕質鋁合金車門框表面的氧化膜。英國Rolls-Royce在激光清洗鈦合金航空發(fā)動機部件表面氧化膜方面開展了應用。
工業(yè)領域激光清洗技術的應用方向包括：航天、航空、汽車、高鐵、艦船、海洋和核電等，具體清洗內容覆蓋除銹、除氧化膜、除涂層、脫漆、除油污、除微生物和除核微粒等。由于國內較國外在激光清洗領域開展的研究較晚，加上短脈沖激光器本身價格昂貴，需要更高的清洗效率與之相匹配才能在實際應用中取得較高價值，因此目前相關應用極少。
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、中國工程物理研究院、蘇州熱工院、上海臨仕激光、大族激光等都對激光清洗技術表現(xiàn)出了濃厚的興趣，陸續(xù)開始了激光清洗技術在工業(yè)領域的研究與應用，并且開展激光清洗的裝備制造。
05
結論及展望
綜上所述，目前國內外關于激光清洗研究的結論如下：
1 .激光清洗方法包括激光燒蝕清洗、液膜輔助式激光清洗和激光沖擊波式清洗，涉及機理主要包括燒蝕、振動、熱膨脹、相爆炸、氣化和沖擊波等。
2 .激光清洗對象分為基材和清洗物兩部分，基材主要有鋼、輕質合金、有色金屬、硅和復合材料等，清洗物主要包括銹、氧化膜、漆層、涂層、油污和微粒等。
3 .激光清洗技術在工業(yè)領域應用前景十分廣闊，具體包括航空航天、汽車、高鐵、船舶、海洋和核電等行業(yè)。
在理論與工藝方面，雖然國內外在激光清洗工藝研究方面均已開展大量試驗，但是激光清洗理論和機理尚不完善。盡管已有研究人員建立了相關物理模型，作出了一定的假設和條件，但是這些模型仍然有很大局限性，想要全面揭示和理解激光清洗過程仍需做大量研究，尤其是在激光與材料相互作用方面需多加考慮。
在實際應用方面，國內與國外差距較大，這是由很多原因造成的，除了激光清洗機理與工藝不夠成熟以外，設備方面也限制了激光清洗效率和精度的提高，尤其是我國無法自主研發(fā)高功率短脈沖激光器，這是限制高效激光清洗成套裝備開發(fā)的一大瓶頸。
當今先進制造業(yè)已成為國際競爭的制高點，激光制造是我國“十三五”期間部署的重點任務，激光清洗技術作為激光制造中的一種先進技術，在工業(yè)發(fā)展中的應用價值潛力巨大，大力發(fā)展激光清洗技術對我國高端激光制造技術與裝備國際競爭力的大幅提升、經濟和社會的發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。
