激光清洗在金屬表面處理中的應用研究進展

朱國棟，王守仁* ，成巍，王高琦 ，任遠

(1.濟南大學機械工程學院，山東 濟南 250022；2.齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250022)

金屬表面處理是工業生產制造過程中重要的一環[1]，包括去除表面銹、漆、氧化膜、涂層、積碳、微粒和其他污物以及提高表面性能等[2]。傳統的表面處理方法有機械摩擦、化學腐蝕、液體固體沖擊和高頻超聲波等，雖然滿足了性能要求，但對基體產生了損傷，也對環境造成了污染[3]。而激光清洗具有無研磨、非接觸、效率高和適用于各種材質的物體等清洗特點，被認為是汽車制造、飛機除漆、電子工業、文物保護等許多領域最可靠、最有效的解決辦法[4]。同時，激光清洗可以解決一些采用傳統清洗方式無法解決的問題，如采油設備、核設施以及口香糖殘跡等的無害化處理[5]。在我國要求大力發展綠色環保產業的大環境下[6]，激光清洗技術開始應用于金屬表面處理中。

激光技術最早出現在20世紀60年代[7]，因其不接觸工件且對工件無污染、能量集中、精確細致的特點，被廣泛應用于激光加工、激光測距等領域的應用[8]。直至20世紀80年代，激光清洗技術的研究開始應用于古代藝術品、雕塑的修復與保養。此后的幾十年里，激光清洗逐漸應用于各種金屬材料上，技術日漸成熟。激光清洗靈活性強、穩定性高、清洗質量好、效率高[9]，其應用進一步拓展到了眾多工業加工領域，尤其是在一些諸如精密零件加工、武器裝備保養等特殊領域，既可以清洗有機的污染物，也可以用來清洗無機物[10]。國外因有較多的古建筑和文物需要長期維護，激光清洗技術起步較早。我國激光清洗技術的起步較晚[11]，經過十幾年的發展，已經取得了顯著的成果，研制出的激光器在體積、功率、清洗速度、清洗質量上有了質的提升，應用更加廣泛。但與國外相比，我國的激光清洗技術基本處于實驗室階段[12],還沒有形成成熟的體系，實際應用并不多。2018年，激光清洗在脫漆除銹、模具清洗、文物保護、微電子器件等領域的全球市場價值已達到5.89億美元[13]，隨著激光器的成本不斷下降，該技術的普及將成為現實。本文通過綜述激光清洗在金屬表面處理中的應用現狀，指出了目前該項技術存在的問題，以期為我國激光清洗的規模化應用提供參考。

1 激光清洗的機理與特點

激光清洗過程實際上是光與物質之間的相互作用[14]，其中包括了一系列的物理化學變化。研究表明，污染物和其所附著的物體表面之間的結合力主要有共價鍵、雙偶極子、毛細作用、氫鍵、范德瓦耳斯力和靜電力,其中范德瓦耳斯力、毛細作用、靜電力最難破壞[15]。激光清洗就是利用激光輻射基體表面，使基體表面的污物通過蒸發、破碎剝離、振動彈出的方式脫離下來，從而達到清洗基體的目的。常見的金屬材料在不同種類激光波長下的吸收系數如表1所示。

表1 金屬材料在不同種類激光波長下的吸收系數

目前，激光清洗的方法主要有4種[16-17]：

(1)激光干洗法。即不采用輔助方法，采用激光直接輻射基體去污，主要適用于常見的脫漆除銹及工業生產中的金屬表面處理。

(2)激光濕洗法。即先在基體表面覆蓋一層液膜作為能量交換介質，再用激光輻射去污，主要適用于文物的修復。

(3)惰性氣體法。即在使用激光干洗法的同時，將惰性氣體吹向基體表面，避免清洗過的表面被二次污染，主要適用于航空、航天及精密機械材料的清洗。

(4)非腐蝕化學法。即先使用激光輻射基體表面將污物半脫離，再用非腐蝕方法去除污物，主要適用于石質材料的清洗[18]。

激光清洗的特點主要有[19]：

(1)激光清洗是一種綠色清洗技術，對環境無污染；

(2)激光清洗是非接觸清洗，能夠輕易清洗常規方法較難清洗的復雜零件，且對基體表面無機械作用力，可有效減少二次污染；

(3)穩定性和自動化程度高，清洗的質量和效率優于常規清洗方法。

2 激光清洗的應用研究進展

2.1 激光清洗在金屬表面脫漆除銹中的應用

金屬的銹蝕無處不在[20]，每年都需要耗費大量的人力、財力去去除金屬表面的銹蝕層[21]，在船舶、汽車、航天飛機的維護中，需要完全清洗原有的漆層以便噴涂新油漆[22]。因此，尋找一種有效的方法去除金屬表面的銹層及漆層成為了大家所關注的問題[23]。傳統的脫漆除銹方法主要是機械和化學方法[24]，不僅耗費較多的勞動力，產生的粉塵對人體和環境也有危害。利用一定功率密度的激光照射銹層或漆層，可以使其產生氣化和振動剝離，從而有效地從金屬表面脫離下來，且幾乎對金屬無損耗。

早在20世紀60年代[25]，國外對激光清洗技術有了初步研究。1983年，Mallets[26]對航空物流中心的飛機進行激光脫漆，并對激光脫漆程序進行可行性論證和模型優化。1997年，Ashidate等[27]首次運用Nd:YAG激光器對輸電塔進行脫漆除銹實驗，討論了不同脈沖寬度情況下最佳剝離參數的不同，在200 ns時最佳輻照參數為3.3 ～4.4 J/cm3，基本不會對鍍鋅鋼基體產生損傷。2013年，為了避免對基體表面存留的激光燒蝕產物進行再處理，Madhukar等[28]研究了一種水射流輔助激光除漆工藝，在提高清洗后表面光潔度的同時減少激光能量的吸收損失。我國對于激光脫漆除銹的研究開始于20世紀80年代。1980年，阮國強[29]采用一定功率密度的激光照射鋼鐵表面的銹蝕，發現激光可以高效地將銹蝕完全去除。由于條件有限，對激光清洗的研究僅限于實驗室研究方面。直到近十年，激光清洗在國內才有了大量的應用。2002年，徐軍等[30]利用激光除銹過程中產生的聲波隨清洗程度變化的特性，提出了其可作為除銹過程的實時監測信號。2006年，田彬等[31]對不同程度的鐵銹進行了激光清洗試驗，發現了不同銹蝕程度的樣品其所適應的清洗閾值均不相同，并且證明提高激光的重復頻率比增強激光的輻照密度清洗效果更佳。近幾年，激光清洗相關研究發展十分迅速，2019年，齊先勝等[32]通過優化工藝參數，對高速列車集電環試樣進行激光除銹，大大提高了高速列車的行車安全。劉帥[33]對納秒脈沖激光與Q235和45鋼表面銹蝕層的相互作用機理進行研究，揭示了納秒脈沖激光除銹機理，對提高遠洋設施的壽命和可靠性具有重要意義。常明等[34]采用脈寬為10 ps的激光對熱軋Q235鋼板進行了除銹工藝試驗研究，證明了高、低能量密度交替的清洗方式可以獲得比固定參數清洗更好的清洗效果，并得到了最優除銹參數。陳浩[35]利用優化參數，對比了清洗前后材料的性能及二次涂覆油漆的性能變化，驗證了激光清洗油漆技術的可靠性，為其在汽車行業的應用提供了一種可靠的選擇。國內由于激光清洗機理過于復雜且激光清洗機費用較為昂貴，激光清洗在脫漆除銹方面所占的比例很低。國內已廣泛應用的激光器大多為中低功率，高功率激光器仍依靠進口。激光除漆除銹作為一種綠色高效的清洗技術，相信隨著科技的發展，未來會有著廣闊的應用前景。

2.2 激光清洗在輪胎模具中的應用

我國是世界第一輪胎生產大國，輪胎模具在長期使用過程中，因硫化作用使得模腔內充滿了一層硫化物[36]，直接影響到輪胎的質量，因此需要經常對輪胎模具進行清洗。傳統的清洗方法有噴砂清洗、干冰清洗、超聲波清洗和化學方法清洗等[37]，不僅降低了模具的精度，也對環境造成了一定的污染。利用激光清洗，可以清洗到傳統方法不易清洗到的位置，而且不會對輪胎模具金屬表面造成損傷，清洗效率高，能夠增加輪胎產量。由于橡膠并無氣化，因此不會產生有毒害的氣體，對環境無污染。

Anderson等[38]利用激光光學系統對輪胎的精度及磨損狀態進行檢測，為以后激光清洗應用于輪胎模具打下了基礎。從20世紀80年代起，激光清洗便開始應用于輪胎模具上[39]。Litchfield[40]通過比較激光清洗、干冰清洗以及氫化鈉化學清洗方法的清洗效果，提出可以將激光清洗用于航空航天模具中。2017年，Niroomand等[41]采用CO2激光器對輪胎模具及輪胎簾子線進行表面處理，提高了輪胎的粘結性能和摩擦系數，從而降低爆胎的風險。由于國外的技術壟斷，進入21世紀我國才將激光技術用于輪胎模具清洗。2000年，王澤敏等[42]研究了激光清洗輪胎模具的機理和工藝，證明了激光保持在完全清洗閾值和損傷閾值之間，可以很好地清洗輪胎模具而且基體不會受任何損傷。2009年，孫海迎[43]運用不同功率、不同掃描速度的CO2激光器清洗輪胎模具，通過分析對比，確定了CO2激光清洗輪胎模具的最佳清洗閾值和損傷閾值。2018年，張自豪等[44]研發了一種脈沖YAG激光器來清洗輪胎模具，其主要性能指標已經與外國設備相當，通過實驗確定了最佳激光輻照密度，并證明了YAG激光比CO2激光更有效。國內用于輪胎清洗的激光清洗機大多為100 W以內的小功率光纖激光器，其核心技術始終被德國所掌握，從而導致其價格一直居高不下。2018年，山東省科學院激光研究所研發了一種平均功率達180 W的Nd:YAG激光器，其功率遠大于國內其他激光清洗機，實際應用證明，該設備可以有效地去除硫化物和其他雜質。目前，我國還是將干冰清洗作為清洗輪胎模具的主流方法，其主要原因一方面是干冰清洗技術的成熟度較高，另一方面還是由于激光清洗設備的投資回收期太長。不過隨著激光技術的發展，在未來模具清洗應用中將會實現全自動化控制，精密高效使其具有無可替代的優勢。

2.3 激光清洗在微型機械清洗中的應用

隨著科學技術的的進步，金屬微電子器件、光學器件及微型醫用設備的研究進展迅速，其性能不斷優化、尺寸也在不斷減小。即使是納米級的顆粒也會劃傷微型機械零件表面，對零件性能產生巨大的影響[45]。1987年，美國提出了微機電系統計劃，人類對微機械的研究進入了新的階段[46]。自此，微型機械零件的清洗成為一個難題。傳統的機械、化學方法已經不能滿足微型器件的清潔度要求，即使利用超聲波清洗也無法去除微米級的顆粒，人們開始嘗試用激光去除微型器件表面的污染顆粒并取得了成效。

利用激光去除微納米顆粒是利用顆粒吸收能量從而產生彈射，而基體不會吸收能量的機理。1992年，Lee等[47]利用CO2激光器去除表面微米級Al2O3顆粒，并以水為能量傳遞介質避免損傷基體表面。2006年，宋峰等[48]利用濕式激光清洗方法成功清洗了微電子器件表面0.35 μm的Al2O3微粒，證明了激光清洗是一種去除微小顆粒的有效技術。2010年，吳堅[49]利用激光微加工技術來對μ-TAS生化芯片中的微米級導管進行加工，實現了光譜檢測器件向微米級發展。2012年，Ye等[50]采用1064 nm激光有效去除了光學器件表面的SiO2顆粒，去除率為95%。2015年，Takahashi等[51]提出了激光輔助材料去除新概念，即利用激光輔助紫外線照射來實現微三維物體的納米尺度矯正。2016年，Ivanova等[52]提出了一種基于激光熱毛細效應的納米粒子表面去除方法，該方法比脈沖激光清洗方法的工作溫度低，不會對表面造成任何損傷。2018年，Gu等[53]使用激光等離子體沖擊波去除光滑基體表面直徑為100 nm的鋁粒子，研究了不同激光聚焦與基體顆粒大小的影響，得到了最佳的去除條件。目前，微型機械的激光清洗雖然是一種有效的方法，但是對其清洗機制的研究還未成熟，且激光對不同的材料有不同的清洗閾值，因此有一定的選擇性。不過隨著技術的進步，激光清洗在高新產業應用中必定占有重要席位。

2.4 激光清洗在金屬文物保護中的應用

文物歷史悠久,其表面都附著著很難清除的污染物[54]。貴重文物(青銅器、金銀器等)表面的老化層已經失去了機械強度和彈性，傳統的清洗方法極易劃傷文物表面，所以可以采用激光清洗代替傳統方法。清洗的機理與2.3節相似，一般通過選擇不同參數的YAG激光使金屬表面不同的污物吸收從而從基體上脫離下來，而基體本身不會吸收激光的能量。激光清洗采用了非接觸清洗方法，不損害文物且去除了文物表面的污物，是一種高度可控和精確的去除污垢層及已經老化的保護材料的清洗方法[55-57]。

激光清洗技術最初的用途就是用來保護和修復文物的，歐美國家在20世紀80年代已經將激光清洗技術用于古代典籍、雕塑等文物的保護。我國在也21世紀初對此展開研究，但研究對象大都為石質文物，2003年，毛宗雄[58]對石材文物清洗技術展開了研究并取得了良好的效果。直至近幾年，激光清洗才用來清洗青銅器等文物。2009年， Mateo等[59]成功地利用Q開關Nd:YAG激光器去除黃銅藝術品表面的裝飾油墨以及腐蝕產物，并且不影響藝術品表面的光潔度。2013年，Lee等[60]利用波長為1064 nm的Nd:YAG激光器成功去除鍍金青銅器表面的銅腐蝕物，但由于鍍金層的不均勻性，在表面仍存有部分殘留物，因此對鍍金層表面性能的研究和激光清洗應用應該同時進行。2016年，Palomar等[61]使用納秒q開關Nd:YAG激光器對純銀制品進行激光去污，發現在不同波長下銀制品的顏色和質量會有不同的變化，而在532 nm可見光波長下未出現這種現象，進而確定了純銀文物的最佳清洗閾值。2017年，Bojana等[62]利用Nd:YAG激光對鍍銀銅絲民族志織物進行了腐蝕激光清洗，證實了激光清洗技術比傳統的方法更有效。2019年，Raza等[63]采用準分子激光清洗銀表面硫磺結殼，結果表明其可有效地去除硫化物的表面鑲嵌。目前為止，激光清洗在文物保護上取得了長足的進展，但也存在一些問題，例如激光的各項參數選擇不當，偏離于文物的清洗閾值，會使文物表面熔化導致微觀形態變化和光學反射變化，所以在清洗時最好加入一層液膜以作保護。相比其他保護文物的技術，激光清洗仍有著巨大的優越性，我國對于此技術的研究剛剛起步，作為歷史悠久的文明古國，有大量的文物亟待保護，在今后的應用前景是相當大的。

2.5 激光清洗在其他方面的應用

激光清洗除了能夠廣泛應用在金屬表面處理中，還可將其作為工業設施的一種凈化技術。在核能工業中，不可避免地也會產生污染物，這些污染物通常是由不同種類的放射性元素組成的氧化物，為了保證核設施的安全性，對放射性化合物污染的清潔是十分重要的。在20世紀80年代初，美國能源部首次提出使用大功率激光來凈化核設施。20世紀90年代， Ames實驗室使用準分子激光器和Nd:YAG激光器來去除金屬表面的放射性氧化物。2003年，利物浦大學Delaporte等[64]使用Nd:YAG激光(6 ns)和氙氣閃光燈(200 ms)對放射性化合物進行除塵研究。利用激光清洗對核設施進行去污，產生的放射性廢料很少，是一種干燥、清潔的清洗工藝，并且適用于大面積的表面清洗，去污效率高，可以確保工作人員的安全，是一種很好的核凈化技術。

油田采油設備需要定期進行清洗，但目前還沒有一種高效的綠色環保清洗方法。另外海上石油泄漏事件在近幾年發生頻繁，對儲油設備及海洋環境造成了嚴重的污染，這無疑增加了傳統化學清洗方法的困難性。20世紀80年代，前蘇聯科學家使用CO2激光清洗馬路表面殘留的燃料斑，針對石油顆粒的清洗技術開始得到發展[2]。2005年，Mateo等[65]對石油和底層材料的燒蝕閾值進行了研究，證明激光可以清洗被石油泄漏污染的各種材料并在其表面不會殘留燃料。實驗證明，激光清洗以其高效的清洗效率，完全可以應用于大面積的表面處理，因此可以將此項技術廣泛應用在工業設施的凈化修復中。

隨著社會的發展，城市環境對人們的影響不容忽視，圍墻、公園、旅游景區的亂涂鴉現象愈演愈烈，其清洗也比較困難。朱玉峰等[66]利用TEA CO2激光器用于清洗涂鴉，表明在一定激光能量密度下能夠實現有效清除。激光清洗以其極強的適應性，不僅應用于金屬表面處理中，在其他領域應用也十分有效，相信未來還能夠開發出更多不同材質的清洗工藝。

3 目前激光清洗存在的問題與未來發展方向

3.1 存在的問題

激光清洗經過了幾十年的發展，其相關技術雖已趨于成熟，但因為清洗機理過于復雜，還是存在如下問題：

(1)激光清洗設備費用高。目前國內一臺普通的手持式激光清洗機的價格最低也要幾十萬，高功率、自動化程度高的激光設備要達到幾百萬元，這也是激光清洗未得到普及的主要原因之一。

(2)對人體健康的隱患。雖然激光清洗是一種綠色環保的技術，但未來激光器必然朝著大功率的方向發展，激光產生的直射光和反射光會對人體眼睛和皮膚產生損害，尤其對眼睛損傷最大。目前，用于激光清洗所處的波段人類肉眼無法看到，這也增加了對人體健康的隱患。

(3)激光清洗的機理尚沒有完善，對很多材料的清洗效果尚未研究。不同的材料都有一個最佳清洗的閾值，這個閾值包括激光的波長、功率、重復頻率、掃描次數等。若低于最佳閾值，會使基體表面污物清洗得不徹底；若高于最佳閾值，激光會對基體產生燒蝕，在基體表面形成燒蝕孔，從而降低基體的表面性能及光潔度。目前，對此還沒有一個完整的標準體系，在清洗不同的材料時還需不斷調整激光的參數，這無疑降低了清洗的效率。

(4)未實現復雜構件的精密高效清洗。在清洗復雜零件時，因其多為不規則形狀，要不斷改變激光器的焦距來達到均勻輻照。但目前的激光清洗設備大多為手持式，或通過簡單移動平臺實現二維精密清洗，既無法實現對復雜零件及大型構件的精密高效清洗，更無法實現對于異形孔等復雜結構的清洗。

3.2 未來發展方向

對于目前激光清洗所存在的問題，未來可以從如下方向入手：

(1)激光清洗設備的核心在于激光器，降低激光器的成本是普及激光清洗的關鍵所在。 目前要實現激光清洗的低成本和大規模應用，應在不同工業領域加快推廣激光清洗技術，進而調動我國相關科研單位自主研發激光器的積極性，促進激光清洗產業鏈的發展。

(2)設計大功率激光清洗裝置應實現清洗光路封閉，操作人員操作時穿戴防護服和護鏡，防止反射光照射人體。應用不同參數的激光清洗時進行安全級別劃分，優化清洗工藝，同時增加指示光源，確定激光照射的位置，從而實現激光防護。

(3)建立一套完整的激光清洗機理是需要大量實驗數據支撐的，目前可以建立不同材質清洗過程的有限元模型進行模擬仿真。通過對激光參數的數值模擬，可以得到不同激光參數對污物的清除效果以及熱燒蝕現象的影響 ，從而為研究激光清洗機理提供重要依據。當前要對所有的材料都確定一個最佳清洗閾值還有很長的路要走，可以在清洗的過程中加入介質(如液膜)，從而避免超過清洗閾值對基體產生燒蝕。

(4)改進現有移動平臺，利用機械手與光纖傳輸，使移動平臺可以實現三維移動；在清洗過程中，通過對聲波、光譜的實時監測能夠實現對清洗效果的在線評估，進而實現復雜零件及大型構件的精密高效清洗。

4 結語

綜上所述，激光清洗技術以其環保、非接觸、穩定高效的特點，在國內外金屬表面處理等領域應用十分廣泛。隨著激光器的不斷完善和成熟，以及激光清洗機理研究的不斷深入，激光清洗技術的應用前景會更加廣闊。同時，伴隨著“中國制造2025”計劃的實施，國家對綠色發展越來越重視，未來激光清洗有著更加強大的市場需求和發展潛力，該技術的推廣應用能夠促進我國制造業發展水平的全面提升。