清洗工业的“颠覆者”：激光清洗技术

来源：科学出版社

清洗作业是工业生产过程必不可少的关键环节之一，对提高产品质量、延长使用寿命等具有重要作用。在国家大力推进制造业转型升级的大背景下，传统的清洗方法已无法满足工业领域的应用需求，特别是高精尖应用领域，先进的激光清洗技术越来越受到重视。

激光是一种能量比较集中的光束，特别适用于材料表面处理。第一台激光器在20世纪60年代问世。1969年，Bedair首次提出激光清洗的概念。20世纪80年代，IBM公司将激光清洗用于电子束投影放大的掩模板被污染的部位，通过激光与表面亚微米量级的颗粒相互作用，成功去除附着力强大（约为自身重力的106倍）的杂质颗粒，完美解决传统清洗方法无法去除微小颗粒的难题，激光清洗技术的经济价值凸显出来。随后俄罗斯的专家Petrov、德国的专家Zapka、美国的专家Allen等领导的研究小组，进一步研究掩模板的激光清洗实验，激光清洗技术逐步发展起来。技术的生命周期包括产生、发展、成熟和衰退四个阶段，施曙东等通过对激光清洗技术的专利情况分析，认为技术发展期是目前激光清洗技术所处的阶段，需要较长一段时间的技术完善，才能达到成熟期和衰退期。

激光清洗系统是一种典型的光机电算一体化设备，涉及光学工程、软件工程、检测技术、机械工程等多个学科。如图所示，激光清洗系统的核心部分包含激光光源、光学系统、移动装置及在线检测系统，在工业自动化生产线上应用则需要自动控制系统，采用辅助系统保证绿色环保。

由于激光作为加工工具，因此激光清洗具有激光加工的典型特点。又由于激光具有波粒二象性，激光作用于材料的区域内既有热效应又有力效应，与传统清洗方法相比，激光清洗具有独特的优势：

绿色环保无污染清洗。相较于传统清洗方法需要消耗大量水，激光清洗几乎不消耗水资源。清洗过程不使用化学药剂，激光清洗不需使用化学药剂和清洗液，无废液排放，清洗下来的废料基本上都是固体物质，可采用专门的辅助设备收集固体残渣，体积小，易存放。激光束作用过程中，也不会引入附加杂质。

定域无损高精度清洗。激光方向性好，易于确定清洗区域，集中实施精密去除。利用表面污染物与基体对激光不同的吸收系数，通过设定脉冲能量、光斑大小等参数，可以在保证基体不受损伤的情况下实施有选择性的去除。对清洗对象不挑剔，可应用范围广泛，以微电子领域的颗粒污染物为例，传统的工业清洗方法不能有效清除尺寸小于1μm的颗粒，利用激光清洗技术可以实现纳米工艺制造过程的高精度清洗。由于纳秒脉冲激光作用时间短，产生瞬间加速度可达109m/s²，足以克服微粒与工件表面之间的黏附力。

非接触式清洗。与传统接触式清洗方法相比，激光清洗将激光光能转换为去除力，无电磁干扰，无研磨、无接触，不造成机械损伤，因此省去工具的更换成本和麻烦。

操作安全方便。激光可以远距离实施操作，可应用于危险位置清洗，如核设施内部污染物清洗。对表面形状复杂的精密零部件来说，现有人工清洗、机械清洗或化学清洗等传统清洗手段清洗的表面质量不高，甚至无法实现清洗。激光的输出方式多样，可通过多种光学系统实现，结合光纤或机械手等控制输出方式，可实现复杂形状（如角钢、圆筒）或不易到达位置（如转角）的污染物清洗。

便于与焊接等后续设备集成。激光清洗系统很容易和其他设备集成，也适合自动化生产线上使用，可以简化工序，缩短产品的制造周期，提高产品的生产效率，确保产品的质量，具有较高的经济价值。

重复性好。在相同工艺参数条件下，激光清洗效果几乎完全一致，具有很好的重复性，适合要求高的场合。同时良好的重复性有助于实现激光清洗技术的标准化和规范化，改进激光清洗产品、过程和服务的适用性，促进技术合作。也能解决传统清洗作业中清洗效果参差不齐、水平差异性大的问题。

易实现微区和大面积清洗。激光聚焦诱导产生等离子体，作用影响区域可以达到微米量级范围，实现裂缝、划痕、小孔等微区清洗。对于大面积清洗，采用扫描输出激光方式，由于激光具有良好的空间可控性和时间可控性，可实现不受面积限制的大范围清洗。

激光清洗作为一种先进技术，被认为是清洗工业的“颠覆者”。激光清洗技术适用范围非常广，在工业发展中的应用价值潜力巨大，几乎可以覆盖整个工业领域。

目前激光清洗技术发展不平衡，在高端制造业领域已部分实现工业化，如半导体、海洋装备、汽车制造、航空航天、高铁运输等。如今先进制造业已成为国际竞争的制高点，发展激光清洗技术对我国装备国际竞争力的大幅提升、经济和社会的发展具有非常重要的战略意义。本书（文）主要研究高端制造业领域的典型激光清洗技术及应用。

激光清洗技术最早应用于半导体行业。随着亚微米及深亚微米超大规模集成电路遵循着“摩尔定律”迅速发展，设计线宽急剧减小，基体表面的亚微米污物足以导致大量的缺陷，电路板表面的污染微颗粒与基材之间具有极大吸附力，传统的化学清洗、机械清洗和超声清洗等方法不能有效地去除微米级和亚微米级的颗粒，或者在去除微颗粒时会造成基体损伤。激光清洗技术就是在这样的背景下应运而生的，在克服传统清洗技术不足的基础上，还表现出了很大的优越性。Zapka等在1987年首次申请了关于激光清洗方面的专利，20世纪90年代，激光清洗技术成功应用于半导体制造工艺中，用于去除掩模板表面微颗粒，实现了早期激光清洗技术在半导体行业的应用，之后激光清洗广泛应用于半导体行业中，目前相关技术已较为成熟。国内谭东晖、陆冬升等采用准分子激光直接清洗硅片，根据激光清洗过程中基片表面温度分布，推导硅片清洗的清洗阈值和损伤阈值，进一步完善激光清洗在半导体行业应用的工艺。

以激光清洗替代传统喷砂清洗技术令海洋装备行业充满期待。虽然传统喷砂工艺相对成熟，但是存在毛化度超标、工具损耗严重、环境污染大、给长期从事喷砂作业的工人身体造成巨大损害等缺点。而其他清洗方法如酸洗和高压水清洗的方法污染严重，超声和气动清洗的方法清除不彻底，激光清洗无水液污染、粉尘可回收，特别适合海洋环境作业。因此，开发激光清洗在船舶制造和修复、深海钻井储油平台、港口机械、集装箱等方面的应用，可以提高材料表面性能以及装备抗风浪能力、服役安全度和寿命。

本书作者为了保证焊接工程质量，对船用钢板进行焊前坡口及两侧的30mm区域激光清洗，由机理分析入手，以检测技术为辅，确定因素及水平，根据表面质量评估，结合正交试验和优化工艺，获取激光清洗的最优工艺参数。

解宇飞和刘洪伟等也展开针对船舶钢材表面的激光除锈研究，研究表明防腐性能达到传统喷砂除锈的工艺指标，激光除锈后钢板表面的力学性能得到提高。

激光清洗技术在汽车制造行业有着广泛应用，满足高质量清洗需求。AdaptLaser公司提供奥迪TT汽车生产线的光纤激光清洗装备，用于清洗轻质铝合金车门框表面的氧化膜。国内起步较晚，陈曦开展汽车热成型钢表面Al-Si涂层的去除研究。朱伟等采用光纤激光器清洗车用铝合金平板基材表面的快干热塑性丙烯酸气雾漆，不仅达到理想脱漆效果，而且提高基材表面的力学性能。俞鸿斌开展车用铝合金表面除漆和除锈的最佳工艺参数研究。

本书作者采用高重复频率的纳秒脉冲光纤激光器实现铝合金焊接前表面氧化物清洗，焊接实验表明表面氧化物被彻底去除，形成良好的焊缝形貌，降低气孔的产生概率。

激光未作用区域的铝元素含量低于光斑中心，在光斑边缘处铝元素含量发生跳变，氧元素变化过程与铝元素恰好相反。清洗后表面凹凸不平增加激光焊接的吸收率

激光清洗也应用于汽车轮胎模具清洗，虽然初期投资成本较高，但在节省待机时间、避免模具损坏、工作安全及节省原材料等方面具有很大优势。激光清洗实验表明，仅需2h就可以在线清洗一套大型载重轮胎的模具，清洗效果好，和常规清洗方法相比，经济效益是显而易见的。

高铁和航空航天领域对材料表面性能要求高，采用激光清洗机身油漆，实现复合材料胶接前预处理等工艺，可以解决效率低、清除不均匀、表面性能差、环境污染大等问题。美国海军H53、H56直升机螺旋桨叶片和F16战斗机平尾等复合材料表面均已实现激光脱漆应用，德国的Schweizer使用2kW的CO₂激光器成功实现飞机机身除漆。薛亚飞等开展高铁车体、注塑机螺杆激光清洗技术研究。

本书作者研究碳纤维复合材料表面激光清洗和改性处理结合技术，显著提高复合材料表面的剪切和黏接强度。

激光清洗在高端行业装备领域取得较大进步，在文物、核电、医疗及光学等领域的应用也获得重视。

文物十分珍贵，对文物的清洗要求无损伤、高精密。传统的清洗技术往往会对文物造成伤害，伤害不可逆，影响大。激光清洗技术独特的优势满足文物清洗要求。Georgiou等对修复绘画艺术作品进行尝试，获得满意的清洗效果。

Scholten等成功清洗了被污染古代绘画艺术作品。王昊等的成果实现激光清洗海洋出水石雕文物表面的黄色铁氧化物色斑。本书作者尝试采用激光清洗石质文物表面的黑色环境污染物。

对于核电站等领域的工业清洗要考虑放射性物质的因素，常规清洗方法需要操作者的手动控制，而放射性物质又会对人体造成巨大伤害，激光清洗方法能够采用光纤及操作系统实现远距离操控，可应用于核设施等危险位置的清洗。Itoh等对放射性氯化铯溶液污染的金属片进行激光清洗。侯素霞等对核化工中蒸汽发生器传热管的激光清洗技术进行研究，实验结果表明表面污染物100%被去除。Roberts等利用激光清洗去除金属表面铀混合物。Delaporte等开展激光去除不同金属样品表面的放射性氧化物实验研究。Aniruddha利用激光冲击波方法清除玻璃表面的放射性颗粒。

医疗器械如注射针头、手术刀具等精密清洗需要通过人体健康检验，属于难度很大的精细清洗。目前的清洗消毒过程是先用水或氟利昂溶液清洗之后再用高温高压消毒灭菌，中间环节多，增加了疾病传染的可能性，清洗消毒时间较长，易产生大量污水污物。激光清洗不引入杂质，产生的高压高温不但可以快速地清除医疗器械上的各种污染物，还可以杀死各种细菌与病毒，同时达到清洗和消毒的效果，节约清洗时间，能够达到医疗器械高精度清洗的要求，替代目前的氟利昂化学清洗，提高清洗的准确性、安全性和成功率。

光学产品对清洗设备的要求很高，常规物理清洗可能对精密的光学元件造成损伤，复杂精密的光学设备需要避免对光学元件进行离线拆分清洗，激光清洗作为一种高精尖的清洗技术，不造成二次污染，不损伤光学器件，可以通过光纤或传导头准确定位清洗，实现光学元件的在线清洗。特别是具有精细表面结构的光学元件（如镀金光栅），常规清洗技术无法解决微颗粒的去除问题，激光清洗技术开辟新途径。韩丰明采用激光清洗K9玻璃表面的颗粒污染物，实现定点清洗，未对K9玻璃基体产生损伤，有效清除微米级甚至亚微米级污染物。苗心向等进行高功率激光装置大口径光学元件侧面清洗实验，通过微观形貌和对通光口径影响分析实验，与化学刻蚀清洗相比，激光清洗处理具有更好的安全性和适用性。赵吉等激光清洗光学元件常见的污染物（如皮肤油脂、粉尘、液晶薄膜），实验效果明显。

绿色环保高效的激光清洗是一种具有应用前途的工业清洗技术，将逐步取代传统清洗工艺。由于激光清洗对象众多、清洗条件多样、清洗要求严格，目前激光清洗技术及装备还存在诸多问题：尚无完备理论支撑，如表面污染物去除机理和基体表面受损机理；缺乏清洗过程的检测和监控，复杂表面的清洗工艺及自动化装备等，给清洗效率、表面质量和精度控制带来影响。因此，在已有的大量实验和理论研究基础上，阐明激光与被清洗对象之间的多样作用机理，分析激光清洗过程的多元参数检测与控制，建立清洗工艺数据库，实现激光清洗效果的有效控制，具有十分重要的科学意义、工程实用价值以及潜在的巨大经济效益。