激光清洗技术的基本机制及其在工业中的典型应用（上）

激光清洗是一种先进的表面清洗技术，可以瞬间蒸发和剥离基体表面的附着物，如污染物、锈迹和涂层；它使用高能激光束照射元件表面。与普通表面清洗技术相比，激光清洗具有精度高、效率高和可控性强等优点。本文详细总结了激光清洗技术的基本机理，包括激光热烧蚀机理、激光热应力机理和等离子体冲击波机理，并讨论了每种机制的工作原理、特点和应用范围。

根据所使用的基底材料（包括金属材料、非金属材料和半导体元件）的不同，概述了它们在工业中的典型应用。这项研究为研究人员进一步探索激光清洗的基本机理以及激光清洗在典型工业应用的各个方面，提供了重要的参考和指导依据。

 

1.引言

表面质量是评估部件整体性能的最重要标准之一。污染物、锈迹和涂层等表面附着物会对部件的性能产生不利影响。表面清洗技术已广泛应用于许多领域，以改善表面质量并保持准确的性能标准。最常见的表面清洗技术包括机械清洗、化学清洗和超声波清洗。这些表面清洗技术可以有效改善表面质量，延长部件的使用寿命。随着现代工业尤其是先进装备制造业的快速发展，对零部件表面质量和性能的要求也逐渐提高。因此，普通的表面清洗技术由于其现有的局限性，已逐渐无法满足行业对性能优良、表面质量高的部件的需求。

例如，机械清洗的缺点包括清洗时间长、劳动强度大、安全性差。此外，这种方法无法清洗独特的部件。化学清洗由于在清洗过程中使用化学有机溶剂，会对操作人员和环境造成负面影响。此外，如果长期使用化学剂，基底材料可能会被腐蚀。超声波清洗从业人员很难清洗大型部件，也无法彻底清洗这些部件表面附着的亚微米颗粒。

 

图 1：激光热烧蚀机理示意图

激光是20世纪最重要的自然科学发明之一。自1960年第一台激光设备问世以来，激光以其宝贵而独特的特性迅速应用于各个领域。目前，激光已广泛应用于工业、农业、医学、国防等几乎所有领域。根据激光束与材料之间的相互作用机理，提出了用于表面清洁的激光清洁技术。与机械清洗、化学清洗和超声波清洗等常见的表面清洗技术相比，激光清洗具有高精度、高效率、环保、损伤小、可控性强等优点，具有广泛的应用潜力。

因此，激光清洗被视为一种先进的表面清洗技术，有望取代其他表面清洗技术。1969年，Bedair等人首次提出了激光清洗的概念，并利用激光清洗去除硅表面的污染物，而不会造成任何表面损伤。1973年，激光清洗被用于文物保护领域。1995年，激光清洗被用于去除附着在飞机表面的涂层。附着在飞机表面的涂层可以被选择性地去除，这表明激光清洗具有很强的适应性，可用于清洗敏感的飞机表面。

 

图 2：激光热应力机制示意图

2001年，Lee等人利用激光诱导空气电离，发现激光诱导的等离子体冲击波可以有效去除晶片表面的微小颗粒。这项研究预示着等离子体冲击波的发现，而等离子体冲击波是激光清洁的重要机制。2012 年，Chen等人利用激光清洗去除船体表面的锈迹。近几十年来，激光清洗的应用已成为激光加工技术研究的热门话题，并逐渐从实验室研究扩展到实际的工业应用领域。

随着激光清洗技术的飞速发展，与激光清洗相关的研究也达到了新的高度。然而，这些研究主要集中在激光清洗对基底材料表面质量的影响上；相比之下，对激光清洗的机理及其在各行各业中应用的研究仍然相对较少。本文总结了激光清洗技术的三种基本机理，包括激光热烧蚀机理、激光热应力机理和等离子体冲击波机理。

 

2.激光清洗机制

由于激光束与材料之间的相互作用涉及一系列物理和化学过程，如分解、电离、振动、膨胀、剥离、脱落、汽化和爆炸等，因此激光清洗机制非常复杂。目前，激光清洗机制主要包括激光热烧蚀机制、激光热应力机制和等离子体冲击波机制。在清除基底表面的附着物时，存在各种相互竞争的激光清洁机制。每种机制的优势取决于光学穿透深度和热扩散长度。此外，每种机制的相对重要性还取决于物理参数，如激光清洁介质、基底材料和污染物。因此，有必要对激光清洗技术的基本机理进行详细总结。

◆2.1.激光热烧蚀机理
当脉冲激光束直接照射基底表面的附着物时，附着物和基底材料的温度迅速升高。当温度超过气化阈值时，附着物被气化并伴有燃烧、分解、烧蚀、剥离等现象。蒸发过程被称为激光热烧蚀机理，如图1所示。当基材表面受到高能紫外激光照射时，可能会导致光化学效应的出现。只有当光子能量大于分子结合能时，才会出现光化学效应。此时，分子键从附着物上断裂，材料转变为松散状态，有利于促进脏污层的蒸发。

 

图 3：等离子冲击波机理示意图

当附着物的烧蚀阈值低于基底的烧蚀阈值时，应调整激光能量密度，使其值保持在高于附着物的烧蚀阈值但低于基底的烧蚀阈值。此时，可以在不损坏基底的情况下有效去除附着物。当附着物的烧蚀阈值大于基底的烧蚀阈值时，则需要控制激光参数，以尽量减少对基底的负面影响。

 

图 4：吸收强度与相互作用时间的关系，显示各种激光清洗方法的状态

例如，Tang等人应用激光清洗技术去除马氏体不锈钢中的硫化物。在这项工作中，选用了波长为1064nm的光纤激光器。当激光能量密度小于0.41J/cm²时，激光清洗效果不明显，因为激光能量密度低于激光清洗阈值。当激光能量密度大于0.41J/cm²但小于8.25J/cm²时，附着物被成功地从基底表面清除，没有任何损伤。然而，当激光能量超过8.25J/cm²时，基底表面就会被高能激光损坏。

◆2.2.激光热应力机制
激光热应力机制是激光清洗领域讨论的另一种机制。激光热应力机制示意图如图2所示。与激光热烧蚀机制不同，激光热应力机制利用的是激光束引起的应力效应，而不是激光热效应。当脉冲激光束直接照射基板表面时，附着物和基板材料会吸收激光脉冲能量，导致温度升高。

由于激光脉冲宽度很短，材料的加热和冷却过程在很短的时间内完成，从而产生快速热膨胀和高压固体提升力。一旦固体提升力超过范德华力，附着物就会从基底表面喷出。Fox等人首先发现了激光热应力效应。他们发现，当激光束照射到薄板表面时，薄板会产生振荡并伴随着爆裂效应，导致附着物从基板表面脱落。

◆2.3.等离子体冲击波机制
等离子体冲击波机制与之前介绍的激光清洗机制截然不同。激光束不是直接照射基底表面，而是平行于基底表面。脉冲激光束穿过聚焦透镜，聚焦在附件的上方。需要注意的是，激光束不会直接与附件接触，它们之间的距离很短（一般在几毫米以内）。当激光能量密度高于环境空气的击穿阈值时，空气被击穿，同时产生电离现象，从而引入等离子体冲击波。这种机制应与垂直激光束产生的电离现象区分开来。

垂直激光束会导致表面材料气化。然后，蒸汽部分电离并有效吸收激光能量，从而产生高压和冲击波。虽然后者的过程包括产生等离子体，但其清洗方法和相对介质与等离子体冲击波法不同。等离子体冲击波会产生应力效应，有助于去除基底表面的附着物。等离子体冲击波机制非常适合去除基底表面的分子。图3显示了等离子体冲击波机制的示意图。

附着物与基底之间的附着力主要包括范德华力、毛细力和静电力。当附着颗粒足够小时，附着力主要体现为范德华力。在等离子体冲击波机制中，等离子体冲击波引起的应力效应可用于克服范德华力。因此，附着颗粒可以从基底表面去除。

等离子体冲击波机制主要取决于附着颗粒与激光焦点的相对位置。当附着粒子的位置垂直低于激光焦点时，等离子体冲击波引起的应力效应会导致附着粒子发生弹性变形。当等离子体冲击波引起的弹性势能大于范德华力产生的吸附能时，附着颗粒就会从基底表面移除。当等离子体冲击波的波峰斜面到达附着颗粒时，激光清洗力矩超过附着颗粒与基体接触点的阻力矩，附着颗粒通过滚动方式从基体表面移除。

在激光清洗领域，激光热烧蚀机制和激光热应力机制是最常见的激光清洗机制。它们的共同特点是激光束直接照射基材表面。然而，等离子体冲击波机制中的激光束是平行于基材表面的。等离子冲击波产生的应力效应有助于清除基材表面的附着物。因此，等离子体冲击波机制主要用于去除基底表面的亚微米或纳米颗粒。

一般来说，激光清洗机制与激光波长密切相关。如果介质对激光波长的吸收效率较低，则激光热应力机制占主导地位。至于高吸收率介质，则以激光热烧蚀机制为主。在使用特定激光设备清洁激光吸收弱的材料时，可以考虑提高激光功率或降低扫描速度。

一些实际的激光清洗方法，如干式或蒸汽清洗、选择性汽化、烧蚀、溅射、蒸发压力等，可能使用一种以上的机制。材料物理特性的不同，会导致吸收的激光强度和作用时间的数值有很大差异，从而对激光清洗方法产生影响。图4提供了各种方法及其吸收激光强度范围的概览；每种方法的相互作用时间和界限没有界定。在某些条件下，这些方法的范围可能会有重叠。

因此，应选择适当的激光设备和合适的激光工艺参数，以去除基材表面的各种附着物，如污染物、锈迹和涂层等。激光热烧蚀过程和激光热分解过程都是不可逆的。为了保护基体材料免受激光热损伤，应选择合适的激光参数和正确的操作。此外，由于在某些情况下无法避免表面微熔化，必须强调的是，激光清洗过程中表面粗糙度的变化是偶然的。此外，粗糙度变化的影响可能既是正面的又可能是负面的。这一点与激光抛光不同。

 

3.激光清洗在工业领域的典型应用

工业设备涉及不同种类的基底材料，不同材料的激光清洗特性也不尽相同。本节将介绍激光清洗在工业领域的典型应用，包括金属材料、非金属材料、半导体元件和其他应用，并介绍一些现有的清洗问题。

◆3.1.金属材料
金属材料广泛应用于汽车装配、造船、航空航天等工业领域。激光清洗可以成功去除油膜、涂层、油漆和氧化层等附着物，防止金属腐蚀，修复表面缺陷，从而提高部件的使用寿命。

3.1.1.油膜
在工业领域，使用油膜覆盖基材表面是保护金属材料免受氧化和腐蚀的最有效方法之一。这种技术在金属部件的生产、储存和运输过程中发挥着重要的保护作用。然而，油渍和灰尘等污染物会对金属部件的焊接、喷漆和包装过程产生不利影响。因此，有必要定期清除金属基材表面的油渍和污染物。事实证明，激光清洗是清除基材表面油渍的有效方法。

例如，Ahn等人发现紫外线激光器（波长为248nm、脉宽为25ns的KrF准分子激光器）和红外线激光器（波长为1064nm、脉宽为6ns的Nd:YAG激光器）都能有效去除碳钢和不锈钢表面的润滑油。研究发现，基底材料的损伤阈值总是大于油膜的清洁阈值。因此，激光束不会对基底材料造成热损伤。

 

图 5：激光清洁 / 未清洁界面的横截面图，显示激光清洁的材料去除深度

Alshaer等人使用激光清洁技术去除铝合金表面的油膜。图5显示了激光清洁区和未清洁区界面的截面图。在这项工作中，研究人员选用了波长为1064nm、脉宽为100ns的Nd:YAG激光器。图5显示，约19μm的表面层被去除，激光清洁区域显得更加光滑。这表明激光清洁是去除金属基底表面油膜的有效方法。

（未完待续）       

作者：Zhihu Zhou（汕头大学智能制造技术教育部重点实验室）、Weipeng Sun（华能国际电力股份有限公司汕头发电厂）

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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