激光清洗的機理研究進展

劉鵬宇，王憲倫，張則榮

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266100)

激光加工已廣泛應用于各種工業領域，激光加工技術包括激光焊接、激光熔覆、激光清洗、激光切割、激光打孔等。其中激光清洗技術相比于機械打磨清洗、化學清洗、干冰清洗等傳統的清洗方法，具有效率高、不損傷工件、對環境無污染的特點。激光清洗已在微顆粒清洗、油漆清洗、銹蝕清洗、輪胎模具清洗、文物清洗等眾多領域得到應用，但其機理復雜，涉及多學科交叉領域，而且清洗對象眾多、清洗條件多樣、污物材質龐雜，目前尚無完備的理論模型對激光清洗過程進行完全解釋[1]。學者們都是對激光清洗的應用進行綜述，而未專門從清洗機理方面進行敘述，為此，本文簡要介紹了激光清洗，主要針對不同材質污物的激光清洗機理進行梳理、概述。

1 激光清洗

激光清洗是利用能量高度集中的激光束輻照物體表面，使待除污物發生振動、燃燒、熔化、蒸發，從物體表面脫離的過程。激光輻照物體表面時會產生選擇性蒸發、快速加熱冷卻、等離子體爆炸和剝離切除等作用[2]。目前學者們研究的清洗機理主要包括燒蝕、燃燒、熔化、氣化、振動、膨脹、收縮、爆炸、飛濺、剝離、分解、降解、電離等物理化學變化[3]。

2 針對不同材質污物的清洗機理

2.1 微顆粒

很多學者[4-10]對微顆粒激光清洗機理進行研究。微顆粒污物去除機理是激光產生的清洗力克服微顆粒污物與基體的黏結吸附力，使微顆粒污物被去除。根據激光清洗微顆粒時周圍介質的不同，可將微顆粒清洗法分為干式激光清洗、濕式激光清洗及激光等離子體沖擊波清洗。干式激光清洗是微顆粒或基體吸收激光能量后，兩者分別或共同產生熱膨脹，熱膨脹產生振動清洗力，迫使微粒克服附著在基體上的吸附力，使其與基體表面分離。濕式激光清洗是使預先涂敷的液膜吸收激光產生爆炸性蒸發、強瞬態壓強，使微顆粒與基體之間的吸附力被克服，顆粒污染物噴濺，從基體表面脫離。等離子體沖擊波清洗是將待清洗基體與激光束平行放置，激光于焦點處匯聚，能量聚積可擊穿周圍空氣介質時，生成等離子體小球，等離子體小球不斷膨脹擴大產生沖擊應力波，沖擊波力大于微顆粒與基體間吸附力時，微顆粒污物脫離基體。

微顆粒污染物的吸附力主要包括毛細力、范德瓦耳斯力和靜電力。毛細力由毛細作用產生，濕性環境中占主導，范德瓦爾斯力是一種弱電性吸引力，會使微顆粒產生形變，在干性環境中占主導，靜電力主要包含靜電接觸力和靜電鏡像力。這些力遠遠大于微顆粒的自身重力，且傳統的清洗方法很難去除。微顆粒污染物與基體的吸附力模型如圖1所示。

圖1 微顆粒污染物與基體的吸附力模型

干式激光清洗產生的熱膨脹振動力，濕式激光清洗中液膜吸熱產生的爆炸性瞬態蒸發力，激光誘導等離子體產生的沖擊波壓力，共同組成了激光去除微顆粒污染物的清洗力。當清洗力克服微顆粒污染物與基體間的吸附力時，微顆粒污染物發生膨脹、蒸發、飛濺、剝離，脫離基體而得到清洗。

趙樂[5]闡述激光干式清洗方法的清洗力理論模型：激光輻照微顆粒污染物或基體，其吸收能量產生熱能，表面升溫，產生熱膨脹量，小的膨脹量在極短脈沖時間內產生巨大的瞬時加速度，通過牛頓第二定律即可得到清洗力。該清洗模型準確，用有限元軟件對模型數值仿真，可以模擬激光清洗的過程；但是他沒有建立濕式激光清洗和激光等離子體清洗的模型，這是一定不足。W.Zapka[10]等通過實驗表明，濕式激光清洗的機理是過熱流體層的突然爆炸，產生的驅動力致使微顆粒移除。相比干式，濕式激光清洗的效率更高。

2.2 油 漆

學者們[11-13]研究發現激光的除漆機理主要是振動效應和燒蝕效應。2012年施曙東等通過模擬和實驗發現在基體未發生損傷時，清洗機理是振動效應，而在基體產生損傷時清洗機理既包括振動效應，也包括燒蝕效應[14]。振動效應即激光輻照漆層與基體，快速的升溫與冷卻使漆層發生振動，漆層在振動作用下被移除，如圖2所示，除漆的振動效應與微顆粒的熱膨脹去除機理相似。燒蝕效應即激光輻照漆層，瞬時產生的高溫使漆層直接燒蝕、消融、蒸發，如圖3所示。

圖2 振動效應原理圖

圖3 燒蝕效應原理圖

Dan Savastru[15]等闡述了除漆主要是物理機制的拉伸、破壞、粉碎，而不是化學的燃燒，并詳細介紹了燒蝕機制：當燒蝕量很小時，所達到的表面溫度較低，不利于大塊材料的蒸發，在低的通量下所吸收的能量僅能滿足燒蝕小的顆粒；在極高的強度下，大塊材料被燒蝕，同時伴隨著向目標表面垂直傳播的強等離子體的產生；隨著激光通量的增加，表面消融和熱應力產生。Dan Savastru 對燒蝕機制的清洗過程敘述十分詳細。Zou Wanfang[16]等從熱應力角度構建模型，解釋了Nd: YAG納秒脈沖激光清洗附著在鋁、鐵基底上的油漆機理：油漆表面吸收激光能量，溫度上升，進而開始膨脹，在油漆上熱膨脹產生熱應力，油漆被激光移除的條件即熱應力大于附著力。Zou Wanfang的油漆清洗機理與其他學者關于干式激光清洗微顆粒的機理是十分相似的。Zhao H[17]等通過研究分析，提出三種可能的對于聚丙烯酸酯樹脂漆的剝離機理：燃燒反應，熱應力振動效應和等離子體沖擊效應。與其他學者關于油漆清洗機理相比，Zhao H額外引入了等離子體沖擊效應。

2.3 銹 蝕

目前對銹蝕清洗機理，文獻[18]闡明，研究人員提出的理論模型包括相互作用的四種。聲波沖擊機制，燒蝕機制，相爆炸機制及剝離機制。

王歡[19]等研究了激光除銹的物理化學機制，發現激光除銹機理會隨銹層殘留厚度的變化而改變。當銹蝕層厚度很大時，鐵基體無法吸收激光，激光直接照射在鐵銹上，因鐵銹的熱傳導率低，激光照射的時間短，大量的熱積累在短時間內于銹蝕表層產生，銹蝕表層通過燒蝕機制去除；隨著除銹工藝的進行，殘留銹蝕層慢慢減薄，基體能吸收部分激光能量后，基體的熱彈性膨脹機制將銹蝕層一次性整體去除，銹蝕去除由燒蝕機制轉變為膨脹振動機制。李華婷[18]闡明激光清洗膜層可分為異質層激光清洗和同質層激光清洗，銹蝕清洗屬于同質層激光清洗，她分別采用大功率和小功率激光進行二次清洗，實驗發現激光功率較大時，銹蝕清洗機理是相爆炸機制，銹蝕中空氣和水分受熱而迅速膨脹產生爆破力，使船用鋼銹蝕外層被去除；激光功率較小時，銹蝕清洗機理是燒蝕蒸發機制，銹蝕吸收激光能量氣化，內銹層得到去除。李偉[20]提出銹蝕分層去除模型，氧化鐵銹蝕表層吸收激光能量，達到分解溫度后，發生熔化機制，剝離去除；銹蝕中間層內部的空氣吸收激光能量后，受熱膨脹爆炸，擊碎銹蝕層，產生相爆炸去除機制；銹蝕深層與基體吸收激光能量后，發生熱彈性膨脹機制。以上幾名學者，王歡認為除銹機制由燒蝕效應變為振動效應，李華婷是爆破機制到燒蝕機制，李偉認為是熔化剝離機制到相爆炸機制，再到熱彈性膨脹機制，三位的研究是有差異的。

Michel[21]等研究了對波長透明質氧化層和對波長吸收質氧化層的清洗機理，對于透明介質氧化層，如不銹鋼表面的Cr2O3，熱機械作用是主要機理，導致界面斷裂和裂紋氧化層的剝落；對于吸收介質氧化層，如純鐵上的Fe3O4，燒蝕機理是主要作用機理。張光星[22]總結眾多學者的研究，將除銹和除漆的清洗機理概括為沖擊效應，蒸發效應以及振動效應。佟艷群說明脈沖激光清洗金屬氧化物的機理復雜，激光輻照后，加熱的氧化層表面由固態轉為液態、氣態、等離子態，多種狀態共存，同時存在各種熱力學、動力學、光學等非尋常的不平衡瞬態過程，詳盡研究清洗氧化物的微觀機理還有些困難[23]。

2.4 模具表面污垢

王澤敏[24]等闡明激光清洗模具表面橡膠的機理為：激光輻照產生的高溫使橡膠表層瞬間燃燒和氣化，激光脈沖產生的熱沖擊作用和橡膠深層的振動使橡膠顆粒濺射。周桂蓮[25]、弓寧滿[26]闡明輪胎模具的激光清洗原理是模具基體與表面污垢對特定波長的激光能量吸收系數差別很大，激光能量被表面污垢所吸收，而模具不吸收，使表面污垢受熱汽化、揮發，或瞬間膨脹，從而脫離模具表面。孔令兵[6]說明可利用脈沖激光的高頻率特性，迅速重復沖擊模具表面，激光束轉換成聲波，聲波在沖擊模具硬表面后折返，折返聲波再與橡膠污垢表面的入射聲波發生相互干涉作用，如岸邊的海浪一般，產生共振波，使模具表面污垢發生振動、微小爆裂，從而脫離。張清華[27]對激光清洗輪胎模具進行有限元數值模擬，分析模具的溫度場分布及位移場分布情況，得出其清洗機理為瞬時熱應力、熱位移引起的基體熱振動效應和超高激光能量產生的燒蝕效應。弓寧滿關于模具清洗機理的研究只說明瞬間受熱汽化蒸發，有些片面；王澤敏和孔令兵的研究不僅包含瞬間受熱氣化蒸發，而且包含熱沖擊、共振等作用機理，更完善一些。

王超群[28]闡明模具激光清洗原理除激光脈沖振動去污外還包括光分解、光剝離。模具表面污垢包括硫化物、無極氧化物、硅油、炭黑等，其分子中存在多種化學鍵，當激光光子能量大于污垢化學鍵能時，激光的光分解、光剝離可清洗掉有機污垢。王超群的研究中激光脈沖作用機理與其他學者相同，而從光子能量和污垢化學鍵能角度敘述清洗模具污垢機理，十分新穎。D.J.Kong[29]等研究表明橡膠硫化污物與基體之間黏結力的克服通常是三種方式，激光脈沖振蕩產生力學共振致橡膠剝離、橡膠顆粒熱膨脹、橡膠分子光解和轉換。其克服黏結力的論說機理和微顆粒清洗機理相似。

2.5 其 他

Watkins[30]在文獻中說明文物的污物清洗機制可能有選擇性蒸發，迅速膨脹，光熱分解，剝蝕去除[31]。宋峰[32]說明對于激光清洗繪畫的基本原理是：化作表面的污染物吸收光能，產生吸熱膨脹導致的光剝離和化學鍵斷裂引起的光分解，最后從繪畫表面脫落；對于雕塑或古建筑，其激光剝除機制為選擇性分解蒸發以及由超聲波引發的分裂。齊揚[31]對云崗砂巖表面的粉塵沉積污物和煙熏污物進行了干式和濕式的激光清洗，說明其清洗機理是污物溫升產生的熱應變，液膜蒸發氣化產生的爆破壓力等。葉亞云[33]等用CO2激光對鍍金光柵表面的硅油進行清洗，機理是激光輻照產生的熱效應使硅油汽化蒸發，脫離光柵表面。Kolar J[34]等使用Nd:YAG激光對受污染纖維素紙張進行了輻照清洗，實驗表明輻照后纖維素紙質無明顯變化，污染物變色降解。

3 結 語

本文簡單介紹了激光清洗，對不同材質污物的激光清洗機理進行了概述。微顆粒的激光清洗機理是不同激光清洗方法產生的清洗力大于微顆粒污物與基體的吸附力。油漆的激光清洗機理與銹蝕的是很相似的，清洗機制中都包含振動效應及燒蝕效應，但油漆屬于異質膜層清洗，銹蝕屬于同質膜層清洗，兩者又是不同的，銹蝕的清洗機制會隨著銹蝕厚度的減少而變化，不同學者對機制變化的研究是有差異的。模具表面污垢清洗機理為高溫受熱瞬間的蒸發氣化與干涉聲波產生的力學共振。激光清洗的機理復雜多樣，學者們進行了大量的研究，正慢慢完善。