激光清洗在金属表面处理中的应用研究进展

朱国栋，王守仁* ，成巍，王高琦 ，任远

(1.济南大学机械工程学院，山东 济南 250022；2.齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院激光研究所，山东 济南 250022)

金属表面处理是工业生产制造过程中重要的一环[1]，包括去除表面锈、漆、氧化膜、涂层、积碳、微粒和其他污物以及提高表面性能等[2]。传统的表面处理方法有机械摩擦、化学腐蚀、液体固体冲击和高频超声波等，虽然满足了性能要求，但对基体产生了损伤，也对环境造成了污染[3]。而激光清洗具有无研磨、非接触、效率高和适用于各种材质的物体等清洗特点，被认为是汽车制造、飞机除漆、电子工业、文物保护等许多领域最可靠、最有效的解决办法[4]。同时，激光清洗可以解决一些采用传统清洗方式无法解决的问题，如采油设备、核设施以及口香糖残迹等的无害化处理[5]。在我国要求大力发展绿色环保产业的大环境下[6]，激光清洗技术开始应用于金属表面处理中。

激光技术最早出现在20世纪60年代[7]，因其不接触工件且对工件无污染、能量集中、精确细致的特点，被广泛应用于激光加工、激光测距等领域的应用[8]。直至20世纪80年代，激光清洗技术的研究开始应用于古代艺术品、雕塑的修复与保养。此后的几十年里，激光清洗逐渐应用于各种金属材料上，技术日渐成熟。激光清洗灵活性强、稳定性高、清洗质量好、效率高[9]，其应用进一步拓展到了众多工业加工领域，尤其是在一些诸如精密零件加工、武器装备保养等特殊领域，既可以清洗有机的污染物，也可以用来清洗无机物[10]。国外因有较多的古建筑和文物需要长期维护，激光清洗技术起步较早。我国激光清洗技术的起步较晚[11]，经过十几年的发展，已经取得了显著的成果，研制出的激光器在体积、功率、清洗速度、清洗质量上有了质的提升，应用更加广泛。但与国外相比，我国的激光清洗技术基本处于实验室阶段[12],还没有形成成熟的体系，实际应用并不多。2018年，激光清洗在脱漆除锈、模具清洗、文物保护、微电子器件等领域的全球市场价值已达到5.89亿美元[13]，随着激光器的成本不断下降，该技术的普及将成为现实。本文通过综述激光清洗在金属表面处理中的应用现状，指出了目前该项技术存在的问题，以期为我国激光清洗的规模化应用提供参考。

1 激光清洗的机理与特点

激光清洗过程实际上是光与物质之间的相互作用[14]，其中包括了一系列的物理化学变化。研究表明，污染物和其所附着的物体表面之间的结合力主要有共价键、双偶极子、毛细作用、氢键、范德瓦耳斯力和静电力,其中范德瓦耳斯力、毛细作用、静电力最难破坏[15]。激光清洗就是利用激光辐射基体表面，使基体表面的污物通过蒸发、破碎剥离、振动弹出的方式脱离下来，从而达到清洗基体的目的。常见的金属材料在不同种类激光波长下的吸收系数如表1所示。

表1 金属材料在不同种类激光波长下的吸收系数

目前，激光清洗的方法主要有4种[16-17]：

(1)激光干洗法。即不采用辅助方法，采用激光直接辐射基体去污，主要适用于常见的脱漆除锈及工业生产中的金属表面处理。

(2)激光湿洗法。即先在基体表面覆盖一层液膜作为能量交换介质，再用激光辐射去污，主要适用于文物的修复。

(3)惰性气体法。即在使用激光干洗法的同时，将惰性气体吹向基体表面，避免清洗过的表面被二次污染，主要适用于航空、航天及精密机械材料的清洗。

(4)非腐蚀化学法。即先使用激光辐射基体表面将污物半脱离，再用非腐蚀方法去除污物，主要适用于石质材料的清洗[18]。

激光清洗的特点主要有[19]：

(1)激光清洗是一种绿色清洗技术，对环境无污染；

(2)激光清洗是非接触清洗，能够轻易清洗常规方法较难清洗的复杂零件，且对基体表面无机械作用力，可有效减少二次污染；

(3)稳定性和自动化程度高，清洗的质量和效率优于常规清洗方法。

2 激光清洗的应用研究进展

2.1 激光清洗在金属表面脱漆除锈中的应用

金属的锈蚀无处不在[20]，每年都需要耗费大量的人力、财力去去除金属表面的锈蚀层[21]，在船舶、汽车、航天飞机的维护中，需要完全清洗原有的漆层以便喷涂新油漆[22]。因此，寻找一种有效的方法去除金属表面的锈层及漆层成为了大家所关注的问题[23]。传统的脱漆除锈方法主要是机械和化学方法[24]，不仅耗费较多的劳动力，产生的粉尘对人体和环境也有危害。利用一定功率密度的激光照射锈层或漆层，可以使其产生气化和振动剥离，从而有效地从金属表面脱离下来，且几乎对金属无损耗。

早在20世纪60年代[25]，国外对激光清洗技术有了初步研究。1983年，Mallets[26]对航空物流中心的飞机进行激光脱漆，并对激光脱漆程序进行可行性论证和模型优化。1997年，Ashidate等[27]首次运用Nd:YAG激光器对输电塔进行脱漆除锈实验，讨论了不同脉冲宽度情况下最佳剥离参数的不同，在200 ns时最佳辐照参数为3.3 ～4.4 J/cm3，基本不会对镀锌钢基体产生损伤。2013年，为了避免对基体表面存留的激光烧蚀产物进行再处理，Madhukar等[28]研究了一种水射流辅助激光除漆工艺，在提高清洗后表面光洁度的同时减少激光能量的吸收损失。我国对于激光脱漆除锈的研究开始于20世纪80年代。1980年，阮国强[29]采用一定功率密度的激光照射钢铁表面的锈蚀，发现激光可以高效地将锈蚀完全去除。由于条件有限，对激光清洗的研究仅限于实验室研究方面。直到近十年，激光清洗在国内才有了大量的应用。2002年，徐军等[30]利用激光除锈过程中产生的声波随清洗程度变化的特性，提出了其可作为除锈过程的实时监测信号。2006年，田彬等[31]对不同程度的铁锈进行了激光清洗试验，发现了不同锈蚀程度的样品其所适应的清洗阈值均不相同，并且证明提高激光的重复频率比增强激光的辐照密度清洗效果更佳。近几年，激光清洗相关研究发展十分迅速，2019年，齐先胜等[32]通过优化工艺参数，对高速列车集电环试样进行激光除锈，大大提高了高速列车的行车安全。刘帅[33]对纳秒脉冲激光与Q235和45钢表面锈蚀层的相互作用机理进行研究，揭示了纳秒脉冲激光除锈机理，对提高远洋设施的寿命和可靠性具有重要意义。常明等[34]采用脉宽为10 ps的激光对热轧Q235钢板进行了除锈工艺试验研究，证明了高、低能量密度交替的清洗方式可以获得比固定参数清洗更好的清洗效果，并得到了最优除锈参数。陈浩[35]利用优化参数，对比了清洗前后材料的性能及二次涂覆油漆的性能变化，验证了激光清洗油漆技术的可靠性，为其在汽车行业的应用提供了一种可靠的选择。国内由于激光清洗机理过于复杂且激光清洗机费用较为昂贵，激光清洗在脱漆除锈方面所占的比例很低。国内已广泛应用的激光器大多为中低功率，高功率激光器仍依靠进口。激光除漆除锈作为一种绿色高效的清洗技术，相信随着科技的发展，未来会有着广阔的应用前景。

2.2 激光清洗在轮胎模具中的应用

我国是世界第一轮胎生产大国，轮胎模具在长期使用过程中，因硫化作用使得模腔内充满了一层硫化物[36]，直接影响到轮胎的质量，因此需要经常对轮胎模具进行清洗。传统的清洗方法有喷砂清洗、干冰清洗、超声波清洗和化学方法清洗等[37]，不仅降低了模具的精度，也对环境造成了一定的污染。利用激光清洗，可以清洗到传统方法不易清洗到的位置，而且不会对轮胎模具金属表面造成损伤，清洗效率高，能够增加轮胎产量。由于橡胶并无气化，因此不会产生有毒害的气体，对环境无污染。

Anderson等[38]利用激光光学系统对轮胎的精度及磨损状态进行检测，为以后激光清洗应用于轮胎模具打下了基础。从20世纪80年代起，激光清洗便开始应用于轮胎模具上[39]。Litchfield[40]通过比较激光清洗、干冰清洗以及氢化钠化学清洗方法的清洗效果，提出可以将激光清洗用于航空航天模具中。2017年，Niroomand等[41]采用CO2激光器对轮胎模具及轮胎帘子线进行表面处理，提高了轮胎的粘结性能和摩擦系数，从而降低爆胎的风险。由于国外的技术垄断，进入21世纪我国才将激光技术用于轮胎模具清洗。2000年，王泽敏等[42]研究了激光清洗轮胎模具的机理和工艺，证明了激光保持在完全清洗阈值和损伤阈值之间，可以很好地清洗轮胎模具而且基体不会受任何损伤。2009年，孙海迎[43]运用不同功率、不同扫描速度的CO2激光器清洗轮胎模具，通过分析对比，确定了CO2激光清洗轮胎模具的最佳清洗阈值和损伤阈值。2018年，张自豪等[44]研发了一种脉冲YAG激光器来清洗轮胎模具，其主要性能指标已经与外国设备相当，通过实验确定了最佳激光辐照密度，并证明了YAG激光比CO2激光更有效。国内用于轮胎清洗的激光清洗机大多为100 W以内的小功率光纤激光器，其核心技术始终被德国所掌握，从而导致其价格一直居高不下。2018年，山东省科学院激光研究所研发了一种平均功率达180 W的Nd:YAG激光器，其功率远大于国内其他激光清洗机，实际应用证明，该设备可以有效地去除硫化物和其他杂质。目前，我国还是将干冰清洗作为清洗轮胎模具的主流方法，其主要原因一方面是干冰清洗技术的成熟度较高，另一方面还是由于激光清洗设备的投资回收期太长。不过随着激光技术的发展，在未来模具清洗应用中将会实现全自动化控制，精密高效使其具有无可替代的优势。

2.3 激光清洗在微型机械清洗中的应用

随着科学技术的的进步，金属微电子器件、光学器件及微型医用设备的研究进展迅速，其性能不断优化、尺寸也在不断减小。即使是纳米级的颗粒也会划伤微型机械零件表面，对零件性能产生巨大的影响[45]。1987年，美国提出了微机电系统计划，人类对微机械的研究进入了新的阶段[46]。自此，微型机械零件的清洗成为一个难题。传统的机械、化学方法已经不能满足微型器件的清洁度要求，即使利用超声波清洗也无法去除微米级的颗粒，人们开始尝试用激光去除微型器件表面的污染颗粒并取得了成效。

利用激光去除微纳米颗粒是利用颗粒吸收能量从而产生弹射，而基体不会吸收能量的机理。1992年，Lee等[47]利用CO2激光器去除表面微米级Al2O3颗粒，并以水为能量传递介质避免损伤基体表面。2006年，宋峰等[48]利用湿式激光清洗方法成功清洗了微电子器件表面0.35 μm的Al2O3微粒，证明了激光清洗是一种去除微小颗粒的有效技术。2010年，吴坚[49]利用激光微加工技术来对μ-TAS生化芯片中的微米级导管进行加工，实现了光谱检测器件向微米级发展。2012年，Ye等[50]采用1064 nm激光有效去除了光学器件表面的SiO2颗粒，去除率为95%。2015年，Takahashi等[51]提出了激光辅助材料去除新概念，即利用激光辅助紫外线照射来实现微三维物体的纳米尺度矫正。2016年，Ivanova等[52]提出了一种基于激光热毛细效应的纳米粒子表面去除方法，该方法比脉冲激光清洗方法的工作温度低，不会对表面造成任何损伤。2018年，Gu等[53]使用激光等离子体冲击波去除光滑基体表面直径为100 nm的铝粒子，研究了不同激光聚焦与基体颗粒大小的影响，得到了最佳的去除条件。目前，微型机械的激光清洗虽然是一种有效的方法，但是对其清洗机制的研究还未成熟，且激光对不同的材料有不同的清洗阈值，因此有一定的选择性。不过随着技术的进步，激光清洗在高新产业应用中必定占有重要席位。

2.4 激光清洗在金属文物保护中的应用

文物历史悠久,其表面都附着着很难清除的污染物[54]。贵重文物(青铜器、金银器等)表面的老化层已经失去了机械强度和弹性，传统的清洗方法极易划伤文物表面，所以可以采用激光清洗代替传统方法。清洗的机理与2.3节相似，一般通过选择不同参数的YAG激光使金属表面不同的污物吸收从而从基体上脱离下来，而基体本身不会吸收激光的能量。激光清洗采用了非接触清洗方法，不损害文物且去除了文物表面的污物，是一种高度可控和精确的去除污垢层及已经老化的保护材料的清洗方法[55-57]。

激光清洗技术最初的用途就是用来保护和修复文物的，欧美国家在20世纪80年代已经将激光清洗技术用于古代典籍、雕塑等文物的保护。我国在也21世纪初对此展开研究，但研究对象大都为石质文物，2003年，毛宗雄[58]对石材文物清洗技术展开了研究并取得了良好的效果。直至近几年，激光清洗才用来清洗青铜器等文物。2009年， Mateo等[59]成功地利用Q开关Nd:YAG激光器去除黄铜艺术品表面的装饰油墨以及腐蚀产物，并且不影响艺术品表面的光洁度。2013年，Lee等[60]利用波长为1064 nm的Nd:YAG激光器成功去除镀金青铜器表面的铜腐蚀物，但由于镀金层的不均匀性，在表面仍存有部分残留物，因此对镀金层表面性能的研究和激光清洗应用应该同时进行。2016年，Palomar等[61]使用纳秒q开关Nd:YAG激光器对纯银制品进行激光去污，发现在不同波长下银制品的颜色和质量会有不同的变化，而在532 nm可见光波长下未出现这种现象，进而确定了纯银文物的最佳清洗阈值。2017年，Bojana等[62]利用Nd:YAG激光对镀银铜丝民族志织物进行了腐蚀激光清洗，证实了激光清洗技术比传统的方法更有效。2019年，Raza等[63]采用准分子激光清洗银表面硫磺结壳，结果表明其可有效地去除硫化物的表面镶嵌。目前为止，激光清洗在文物保护上取得了长足的进展，但也存在一些问题，例如激光的各项参数选择不当，偏离于文物的清洗阈值，会使文物表面熔化导致微观形态变化和光学反射变化，所以在清洗时最好加入一层液膜以作保护。相比其他保护文物的技术，激光清洗仍有着巨大的优越性，我国对于此技术的研究刚刚起步，作为历史悠久的文明古国，有大量的文物亟待保护，在今后的应用前景是相当大的。

2.5 激光清洗在其他方面的应用

激光清洗除了能够广泛应用在金属表面处理中，还可将其作为工业设施的一种净化技术。在核能工业中，不可避免地也会产生污染物，这些污染物通常是由不同种类的放射性元素组成的氧化物，为了保证核设施的安全性，对放射性化合物污染的清洁是十分重要的。在20世纪80年代初，美国能源部首次提出使用大功率激光来净化核设施。20世纪90年代， Ames实验室使用准分子激光器和Nd:YAG激光器来去除金属表面的放射性氧化物。2003年，利物浦大学Delaporte等[64]使用Nd:YAG激光(6 ns)和氙气闪光灯(200 ms)对放射性化合物进行除尘研究。利用激光清洗对核设施进行去污，产生的放射性废料很少，是一种干燥、清洁的清洗工艺，并且适用于大面积的表面清洗，去污效率高，可以确保工作人员的安全，是一种很好的核净化技术。

油田采油设备需要定期进行清洗，但目前还没有一种高效的绿色环保清洗方法。另外海上石油泄漏事件在近几年发生频繁，对储油设备及海洋环境造成了严重的污染，这无疑增加了传统化学清洗方法的困难性。20世纪80年代，前苏联科学家使用CO2激光清洗马路表面残留的燃料斑，针对石油颗粒的清洗技术开始得到发展[2]。2005年，Mateo等[65]对石油和底层材料的烧蚀阈值进行了研究，证明激光可以清洗被石油泄漏污染的各种材料并在其表面不会残留燃料。实验证明，激光清洗以其高效的清洗效率，完全可以应用于大面积的表面处理，因此可以将此项技术广泛应用在工业设施的净化修复中。

随着社会的发展，城市环境对人们的影响不容忽视，围墙、公园、旅游景区的乱涂鸦现象愈演愈烈，其清洗也比较困难。朱玉峰等[66]利用TEA CO2激光器用于清洗涂鸦，表明在一定激光能量密度下能够实现有效清除。激光清洗以其极强的适应性，不仅应用于金属表面处理中，在其他领域应用也十分有效，相信未来还能够开发出更多不同材质的清洗工艺。

3 目前激光清洗存在的问题与未来发展方向

3.1 存在的问题

激光清洗经过了几十年的发展，其相关技术虽已趋于成熟，但因为清洗机理过于复杂，还是存在如下问题：

(1)激光清洗设备费用高。目前国内一台普通的手持式激光清洗机的价格最低也要几十万，高功率、自动化程度高的激光设备要达到几百万元，这也是激光清洗未得到普及的主要原因之一。

(2)对人体健康的隐患。虽然激光清洗是一种绿色环保的技术，但未来激光器必然朝着大功率的方向发展，激光产生的直射光和反射光会对人体眼睛和皮肤产生损害，尤其对眼睛损伤最大。目前，用于激光清洗所处的波段人类肉眼无法看到，这也增加了对人体健康的隐患。

(3)激光清洗的机理尚没有完善，对很多材料的清洗效果尚未研究。不同的材料都有一个最佳清洗的阈值，这个阈值包括激光的波长、功率、重复频率、扫描次数等。若低于最佳阈值，会使基体表面污物清洗得不彻底；若高于最佳阈值，激光会对基体产生烧蚀，在基体表面形成烧蚀孔，从而降低基体的表面性能及光洁度。目前，对此还没有一个完整的标准体系，在清洗不同的材料时还需不断调整激光的参数，这无疑降低了清洗的效率。

(4)未实现复杂构件的精密高效清洗。在清洗复杂零件时，因其多为不规则形状，要不断改变激光器的焦距来达到均匀辐照。但目前的激光清洗设备大多为手持式，或通过简单移动平台实现二维精密清洗，既无法实现对复杂零件及大型构件的精密高效清洗，更无法实现对于异形孔等复杂结构的清洗。

3.2 未来发展方向

对于目前激光清洗所存在的问题，未来可以从如下方向入手：

(1)激光清洗设备的核心在于激光器，降低激光器的成本是普及激光清洗的关键所在。 目前要实现激光清洗的低成本和大规模应用，应在不同工业领域加快推广激光清洗技术，进而调动我国相关科研单位自主研发激光器的积极性，促进激光清洗产业链的发展。

(2)设计大功率激光清洗装置应实现清洗光路封闭，操作人员操作时穿戴防护服和护镜，防止反射光照射人体。应用不同参数的激光清洗时进行安全级别划分，优化清洗工艺，同时增加指示光源，确定激光照射的位置，从而实现激光防护。

(3)建立一套完整的激光清洗机理是需要大量实验数据支撑的，目前可以建立不同材质清洗过程的有限元模型进行模拟仿真。通过对激光参数的数值模拟，可以得到不同激光参数对污物的清除效果以及热烧蚀现象的影响 ，从而为研究激光清洗机理提供重要依据。当前要对所有的材料都确定一个最佳清洗阈值还有很长的路要走，可以在清洗的过程中加入介质(如液膜)，从而避免超过清洗阈值对基体产生烧蚀。

(4)改进现有移动平台，利用机械手与光纤传输，使移动平台可以实现三维移动；在清洗过程中，通过对声波、光谱的实时监测能够实现对清洗效果的在线评估，进而实现复杂零件及大型构件的精密高效清洗。

4 结语

综上所述，激光清洗技术以其环保、非接触、稳定高效的特点，在国内外金属表面处理等领域应用十分广泛。随着激光器的不断完善和成熟，以及激光清洗机理研究的不断深入，激光清洗技术的应用前景会更加广阔。同时，伴随着“中国制造2025”计划的实施，国家对绿色发展越来越重视，未来激光清洗有着更加强大的市场需求和发展潜力，该技术的推广应用能够促进我国制造业发展水平的全面提升。