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激光清洗
01
序 言
1969年，美國加州大學(xué)伯克利分校空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shù)基于綠色、清洗效果佳、應(yīng)用范圍廣、精度高、非接觸式和可達(dá)性好等突出優(yōu)勢(shì)，與清洗劑、超聲波和機(jī)械方式清洗形成鮮明對(duì)照，未來有望部分或完全替代傳統(tǒng)清洗方法成為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色清洗技術(shù)。
盡管激光清洗的出現(xiàn)最早可追溯到20世紀(jì)60年代，但針對(duì)這種創(chuàng)新型清洗技術(shù)的研究和應(yīng)用是從20世紀(jì)90年代開始逐步擴(kuò)大的。在過去20多年的時(shí)間里，國內(nèi)外均有關(guān)于激光清洗技術(shù)的報(bào)道，近幾年迅速成為工業(yè)制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，研究內(nèi)容主要涵蓋激光清洗工藝、理論、裝備以及應(yīng)用，國內(nèi)在激光清洗裝備和應(yīng)用方面的整體水平與國外差距較大。
在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，隨著激光器的高速發(fā)展、人們對(duì)激光清洗機(jī)理研究的不斷深入，表面質(zhì)量監(jiān)測(cè)與表征方法日趨完整全面，激光清洗材料表面質(zhì)量得到提升，清洗精度和效率也逐漸增加。如今，它已經(jīng)成為能夠清洗大量不同基材表面的可靠技術(shù)，清洗對(duì)象包括鋼、鋁合金、鈦合金、玻璃和復(fù)合材料等，應(yīng)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(lǐng)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(nèi)外激光清洗技術(shù)的典型應(yīng)用，為科研人員開展相關(guān)研究提供參考。
02
三種激光清洗方法
激光清洗過程十分復(fù)雜，涉及去除材料機(jī)理種類繁多，對(duì)于一種激光清洗方法來說，清洗過程中可能有多種機(jī)理同時(shí)發(fā)生，這主要?dú)w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(dòng)、飛濺、膨脹、收縮、爆炸、剝離、脫落等眾多物理化學(xué)變化。截至目前，根據(jù)國內(nèi)外對(duì)激光清洗方法的研究進(jìn)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(jī)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(dāng)激光輻照在材料表面時(shí)，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(shí)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(dǎo)致界面處產(chǎn)生壓力，清洗物發(fā)生屈曲、從基材表面撕開，產(chǎn)生裂紋，機(jī)械斷裂，振動(dòng)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(shí)出現(xiàn)兩種情況：當(dāng)清洗物燒蝕閾值小于基材燒蝕閾值時(shí)，需調(diào)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(huì)對(duì)基材造成損傷。
液膜輔助式激光清洗去除材料的機(jī)理主要有液膜沸騰汽化和振動(dòng)等，如圖2所示，它是指將液膜（水、酒精或其它液體）預(yù)先覆蓋在清洗物表面，然后用激光對(duì)其進(jìn)行照射。液膜吸收激光能量致使液態(tài)介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)力爆炸，爆炸沸騰的液體高速運(yùn)動(dòng)，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(dá)到清洗目的。如美國加州大學(xué)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(jī)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(dòng)工件或激光頭將激光焦點(diǎn)調(diào)整至微粒附近，如圖3所示，機(jī)理主要為沖擊波力去除，清洗對(duì)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(diǎn)處空氣會(huì)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(kuò)大，并延伸至與微粒發(fā)生接觸，當(dāng)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(shí)，微粒發(fā)生滾動(dòng)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(shí)需要考慮選擇合適的激光波長，液膜對(duì)激光吸收率越高則優(yōu)勢(shì)越明顯。液膜輔助式激光清洗在某種程度可彌補(bǔ)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(duì)象，但這種方法存在兩個(gè)缺點(diǎn)，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(xué)成分容易改變，生成新物質(zhì)。
激光沖擊波式清洗方法主要用于去除微粒（亞微米級(jí)或納米級(jí)），但是針對(duì)涂層的清洗還未見報(bào)道，該方法對(duì)工藝要求非常嚴(yán)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(duì)象的激光清洗研究現(xiàn)狀
從現(xiàn)階段研究來看，相對(duì)比較成熟的研究主要集中在鋼材除銹、輕質(zhì)合金表面除氧化膜，此外研究范圍還擴(kuò)大至復(fù)合材料的表面漆層和有機(jī)物等污物的清洗、核電裝置內(nèi)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(duì)微電子制造領(lǐng)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(guān)報(bào)道。
激光清洗對(duì)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(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、有機(jī)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(jī)物等。
綜上所述，激光清洗時(shí)需要根據(jù)不同的清洗對(duì)象選擇合適的激光波長、脈沖寬度、脈沖頻率等參數(shù)。
●國內(nèi)外針對(duì)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(dá)1 μm左右，后者則集中在幾赫茲到幾十赫茲，去除率可達(dá)90%以上；
●針對(duì)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(zhuǎn)變，此時(shí)需要綜合考慮不同顏色漆層對(duì)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(duì)樹脂、油污及其它有機(jī)物的清洗，脈沖光纖激光器、連續(xù)CO2激光器和準(zhǔn)分子激光器等均有使用，和未清洗相比，清洗后復(fù)合材料膠接接頭的剪切強(qiáng)度均有一定程度提高，油污去除率可達(dá)95%。
04
激光清洗技術(shù)應(yīng)用
20世紀(jì)80年代，隨著半導(dǎo)體行業(yè)高速發(fā)展，對(duì)硅晶元上掩模表面的污染微粒的清洗技術(shù)提出了更高的要求，其關(guān)鍵點(diǎn)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(xué)清洗、機(jī)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(guān)研究與應(yīng)用得到迅速開展。
IBM公司的W. Zapka等在1987年首次申請(qǐng)了關(guān)于激光清洗方面的專利，進(jìn)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(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體制造工藝中，用于去除掩模表面微顆粒，實(shí)現(xiàn)了早期激光清洗技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。1995年，德國的Schweizer等使用2 kW的TEA CO2激光器成功實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)身除漆的應(yīng)用。
進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著超短脈沖激光器制造技術(shù)的高速發(fā)展和成本降低，國內(nèi)外對(duì)激光清洗技術(shù)的研究和應(yīng)用逐步增多，重點(diǎn)集中在金屬材料表面，國外的典型應(yīng)用有飛機(jī)機(jī)身脫漆、模具表面除油污、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)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(jī)的現(xiàn)場(chǎng)裝備圖如圖4所示，清洗效率可達(dá)1Ft2·mils/(kW·min)。
值得一提的是，先進(jìn)復(fù)合材料部件的激光脫漆研究與應(yīng)用也會(huì)是一大熱點(diǎn)。美國海軍H-53、H-56直升機(jī)螺旋槳葉片和F16戰(zhàn)斗機(jī)平尾等復(fù)合材料表面均已實(shí)現(xiàn)激光脫漆應(yīng)用，我國由于復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用較晚，因此此類研究基本處于空白。
此外，有關(guān)CFRP復(fù)合材料膠接前接頭處采用激光清洗技術(shù)做表面處理來提高接頭強(qiáng)度也是當(dāng)前的研究重點(diǎn)，應(yīng)用前景十分樂觀。圖5為Adapt Laser公司提供奧迪TT汽車生產(chǎn)線的光纖激光清洗裝備，用于清洗輕質(zhì)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(dòng)機(jī)部件表面氧化膜方面開展了應(yīng)用。
工業(yè)領(lǐng)域激光清洗技術(shù)的應(yīng)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(nèi)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(nèi)較國外在激光清洗領(lǐng)域開展的研究較晚，加上短脈沖激光器本身價(jià)格昂貴，需要更高的清洗效率與之相匹配才能在實(shí)際應(yīng)用中取得較高價(jià)值，因此目前相關(guān)應(yīng)用極少。
近三年來，國內(nèi)的一些高校、科研院所和企業(yè)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、南開大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)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(duì)激光清洗技術(shù)表現(xiàn)出了濃厚的興趣，陸續(xù)開始了激光清洗技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，并且開展激光清洗的裝備制造。
05
結(jié)論及展望
綜上所述，目前國內(nèi)外關(guān)于激光清洗研究的結(jié)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(jī)理主要包括燒蝕、振動(dòng)、熱膨脹、相爆炸、氣化和沖擊波等。
2 .激光清洗對(duì)象分為基材和清洗物兩部分，基材主要有鋼、輕質(zhì)合金、有色金屬、硅和復(fù)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(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)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(nèi)外在激光清洗工藝研究方面均已開展大量試驗(yàn)，但是激光清洗理論和機(jī)理尚不完善。盡管已有研究人員建立了相關(guān)物理模型，作出了一定的假設(shè)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(shí)際應(yīng)用方面，國內(nèi)與國外差距較大，這是由很多原因造成的，除了激光清洗機(jī)理與工藝不夠成熟以外，設(shè)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(dāng)今先進(jìn)制造業(yè)已成為國際競(jìng)爭的制高點(diǎn)，激光制造是我國“十三五”期間部署的重點(diǎn)任務(wù)，激光清洗技術(shù)作為激光制造中的一種先進(jìn)技術(shù)，在工業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用價(jià)值潛力巨大，大力發(fā)展激光清洗技術(shù)對(duì)我國高端激光制造技術(shù)與裝備國際競(jìng)爭力的大幅提升、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。
