0 引言

表面涂装行业作为机械加工的辅助及协作工序 , 为机加产品提供防护及装饰性 , 大大提高了产品的环境适应性及外观 . 但在产品涂装前 , 表面的油污及锈蚀需清理干净 , 否则会对涂层的附着力产生很大的影响 , 特别是对涂层防护性能要求高的产品 , 表面清洁度更是要求严格 , 传统的表面清理方法主要有 : 有机溶剂除油 , 机械打磨除锈、电化学除油、喷砂、化学清洗 , 超声波清洗等。其中有机溶剂除油、机械打磨除锈等工作环境差、处理质量不高 : 电化学除油、喷砂、化学清洗 , 超声波清洗虽然效果好 ,但也存在着废液处理、噪声 , 粉尘等问题。随着产品加工质量越来越高 ,环境保护日趋严格 , 传统表面处理手段应用也受到越来越多的限制。亟需新的表面前处理技术 , 激光清洗技术作为一种另辟蹊径的表面处理手段 ,显示出其独特的优势。在表面涂装中有望发挥其强大的清洗能力。

1 激光清洗原理

激光清洗技术是利用激光高能、高重复频率、高功率的特性 , 将激光束照射在需清洗表面的较小区域 , 利用激光瞬间的高能量实现对表面的清洗。

激光清洗具有如下特点 :

1） 清洗效率高 , 激光直接照射在在待清洗表面 , 清洗参数调整好后 ,清洗一步到位 , 无需进行预先除油或除锈及水洗等工序。

2） 清洗效果好 , 激光清洗可彻底清除物体表面的锈蚀及油污等 , 清洗等级可达 Sa3 级。

3） 激光清洗是非接触式的 , 可清洗其他清洗方法不易处理的部位 ; 采用合适的清洗参数 , 对表面基体状态几乎无影响。

4） 不需要化学溶液 , 无需处理令人头疼的废液排放及污染问题。？清除下来的废料基本上都是固体粉末、体积小、易于存放及处理 , 使用时噪声小 , 对环境造成的污染小。

5）设备简洁 , 体积小 , 可移动 ,可与机器人或机床结合 , 实现自动及远距离操作。

2 激光清洗的发展概述

20 世纪 80 年代 , 半导体行业的高速发展对硅晶元掩模表面的污染微粒的清洗技术提出了更高的要求 , 其关键点在于克服污染微颗粒与基材之间极大的吸附力 , 传统的化学清洗、机械清洗、超声清洗方法均无法满足需求 , 而激光清洗可以解决此类污染问题，相关研究与应用得到迅速发展。1987 年 , 首次出现了关于激光清洗的专利申请。

20 世纪 90 年代后 ,Zapka 等成功将激光清洗技术应用于半导体制造工艺 , 去除了掩模表面的微颗粒 , 实现了早期激光清洗技术在工业领域的应用。1995 年 , 研究者使用 2kw 的TEA-CO 2 激光器成功实现了飞机机身涂层的清洗。

进入 21 世纪后 , 随着超短脉冲激光器的高速发展 , 国内外对激光清洗技术的研究和应用逐步增多 , 重点集中在金属材料表面 , 国外的典型应用有飞机机身脱漆、模具表面除油污、发动机内部除积碳和焊前接头的表面清理等。美国爱迪生焊接研究所用激光清洗了 F-16 战机。

值得一提的是 , 先进复合材料部件的激光脱漆研究与应用也是一大热点 . 美国海军 H-53、H-56 直升机的螺旋桨叶片和 F16 战斗机的平尾等复合材料表面均已实现激光脱漆应用。

Adaptlaser 公司给奥迪 TT 汽车生产线提供了光纤激光清洗装备 , 以清洗轻质铝合金车门框表面的氧化膜。英国Rolls-Royce 公司用激光清洗了钛合金航空发动机部件表面的氧化膜。此外 ,利用激光清洗技术对 CFRP 复合材料胶接前接头进行表面处理以提高接头强度是当前的研究重点之一。“????可以看出 , 激光清洗技术在国外的发展应用中，主要是进行表面除油、除锈、退漆、去除污染物及提高表面洁净度。？激光清洗的这些功能 , 对于表面涂装前处理几近于量身定制 , 将激光清洗技术与表面涂装进行结合 ,对于表面涂装前处理的技术进步具有很大促进作用。

3 激光清洗参数

激光清洗的主要参数有激光波长、能量密度、脉冲次数以及清洗阀值和损伤阀值等 , 这些参数都对清洗效果有着重要影响。

1）激光波长

波长越短产生清洗作用所需的最低能量密度（以下称为阀值能量密度）越小。可见为了获得彻底的清洗效果 ,激光清洗宜选用较短的波长。对于特定激光能量密度 , 波长越短其清洗力峰值越高，从而可获得更高的洁净度。

2） 能量密度

单位面积清洗力峰值随能量密度线性增加。当能量密度过低 , 单位面积清洗力太小时，不能产生清洗效果。对一定波长的激光束 , 只有当能量密度达到某一定值，才能产生清洗效果。这时的能量密度就是该波长激光束开始产生清洗效果的阀值。

3） 脉冲次数

在高于能量密度阀值的脉冲激光束照射下 , 物体表面的洁净度随脉冲次数增加而提高。在同种能量密度下 ,洁净度随脉冲次数增加而提高。为避免损伤被清洗物体表面 , 可采用较低的能量密度 , 增加脉冲次数来获得高的洁净度。在不损伤表面条件下 , 选用较高的能量密度，可减少脉冲次数，提高清洗效率 .

4）清洗阀值和损伤阀值

激光清洗在清洗过程中，一方面，当激光功率密度超过某一阈值时 , 清洗效果虽然存在 , 但是物体表面也已损伤 , 该阈值称为损伤阈值 ; 另一方面，当激光功率密度低于某一阈值时，即使延长激光清洗时间 , 也无任何清洗效果 , 该阈值称为清洗阈值。因此 ,为保证激光对物体表面的影响最小 ,必须对激光的能量进行调整 , 使激光能量处于清洗阀值和损伤阀值之间 ,从而达到良好的清洗效果 , 而对物体表面不产生损伤。 [2]

4 激光清洗方法

激光清洗的方法可以分成以下几类。

1） 激光干洗法。即采用脉冲激光直接辐射去污 ; 激光被基体或粒子吸收后 , 产生振动 , 从而使基体和污染物分离。

2） 激光液膜的方法。即首先沉积一层液膜于基体表面 , 然后用激光辐射去污。

3） 激光 + 惰性气体的方法。即激光辐射的同时 , 用惰性气体吹向工件表面 , 当污物从表面剥离后 , 就被气体远远吹离表面 , 避免清洁表面再次污染和氧化 ; [3]

5 激光清洗在涂装中的应用

产品涂装前 , 表面或存在锈蚀、油污、附着物、胶粘接剂或旧漆层等中的一种或几种 , 通常需进行前处理将这些污染物清理掉 , 否则将影响后续涂装质量 , 严重时导致整个涂层重新返工。因此 , 涂装前处理的好坏对涂层质量有着相当大的影响。采用激光清洗技术进行除油、除锈、退漆、脱胶等前处理 , 可发挥独特作用。

1）激光除油

大多数产品涂装前除油采用的手段是有机溶剂除油或电化学除油。但使用有机溶剂或电化学除油存在如下缺点 : 有机溶剂除油虽可除去大部分油污 , 但是并不彻底 , 达不到高洁净度要求 , 特别对一些水性涂料 , 会对附着力产生明显影响。有机溶剂易燃易爆 , 安全风险大。有机溶剂大多数含有酮类、甲苯、二甲苯等 , 人体长期接触有机溶剂对身体健康产生危害。

电化学除油需采用槽液 , 对某些产品并不适合 , 且槽液需进行环保处理达标后才能排放。

通常油污多数为长链烷烃类 , 与产品表面基体结合力多数为范德瓦尔斯力和静电力。当采用激光清洗时 ,照射在油污上的激光束可产生几千度甚至几万度的高温 , 当激光能量大于有机分子中的 C-C,0-0、H-O,H-H,C-H,N-H 等化学键的键能时 , 将导致这些键断裂 , 从而将大分子物质分解成小分子物质 , 使油污瞬间蒸发、气化或分解。控制调整激光的能量密度 , 光束照射到表面固态油污时 , 使油污受热膨胀 , 当油污的膨胀力大于对基体的吸附力时 , 便会脱离物体的表血。同时激光还可以通过在表面产生冲击波 , 使块状油污破碎脱洛。

2）除锈

桥梁、钢结构、船体、铁架、发射塔等在长期使用过程中 , 经受外界环境恶劣 , 表面易产生锈蚀 , 通常锈蚀严重且面积大。采用常规手工除锈、机械打磨或喷砂等具有如下缺点 , 手工及机械打磨除锈质量差 , 效率低 ,除锈效果不彻底 , 达不到高洁净度要求 , 会对涂层附着力产生明显影响。

某些形状复杂的部位存在无法进行除锈的情况。

喷砂虽然除锈效果好 , 但使用受到诸多限制 , 且喷砂对表面状态有影响。喷砂过程中 , 产生大量粉尘及噪音 , 环境污染大。

钢铁表面的锈蚀及氧化皮为氧化铁之类的物质，其中铁锈附着较为疏松，而氧化皮则附着牢固。采用激光清洗可有效的除去表面锈蚀及氧化皮 , 当表面受到激光照射时 , 较为牢固的锈蚀或氧化皮受热膨胀。与机体表面产生应力 , 同时激光通过在表面产生冲击波，使块状锈蚀或氧化皮破碎脱落。

当激光功率足够时 , 激光束在锈蚀及氧化皮上产生几千度甚至几万度的高温 , 使锈蚀及氧化皮瞬间蒸发。

3）脱漆

当产品表面涂层因老化或维修等原因而需要重新涂覆时 , 表面的旧漆层则需进行去除 , 传统的脱漆方法有手工铲除、机械打磨、喷砂或使用脱漆剂。人工铲除及机械打磨除漆工作效率低、成本高 ; 喷砂工作环境恶劣 ,对表面状态影响大 ; 退漆剂对皮肤及眼晴有强烈刺激和伤害 , 且废液难于处理。？使用激光清洗 , 只需调整好清洗参数 , 可以又快又好的去除表面漆层 , 在脱除过程中 , 可以方便的实现局部指定部位脱漆 , 未脱漆的部位不受影响 , 实现可控脱漆。采用激光脱漆 , 脱漆效率高 , 脱漆彻底。

4）脱胶

在产品组装及装配过程中 , 经常会使用各种胶粘接剂 , 其中的一些胶粘接剂非常强力 , 当粘接剂外溢或污染了表面而需去除时 , 如何脱胶成了一个令人头疼的问题。常规方法是化学试剂或溶剂擦洗 , 但部分胶粘接剂固化后抗溶剂性能或化学试剂性能很好 , 难于清理干净彻底 , 清胶成了一件费时费力的工作。由于粘接剂大多数为有机高分子 , 与有机涂料类似 ,采用激光清洗则可对粘接剂清洗提供很好的解决方法 , 它的清洗原理与除油除漆类似，比常规清胶效率高很多。

除此之外 , 激光清洗还可以与其他方法进行结合 , 如采用前处理或经过严格过滤和干燥的惰性气体 , 可以减小激光清洗的清洗阀值 , 可以进一步提高效率和清洗洁净度。

6 国内激光清洗技术及设备发展

近年来，随着产品制造技术升级，激光清洗技术在国内也得到了较大的发展 , 显著的变化是 , 国内对激光清洗技术在工业各领域的应用及设备开发开展了大量的研究工作。例如 , 哈尔滨工业大学开展了汽车热成型钢表面 A1-Si 涂层去除、钢铁表面除锈 ,航天铝合金及钛合金焊前除氧化膜、铝基复合材料表面除污物、陶瓷材料的清洗等研究 : 中国工程物理研究院八所研制了轮胎模具清洗 , 表面脱漆除锈、文物清洗设备 : 中国电子科技集团公司第三十八研究所在雷达 T/R组件制造中运用了激光清洗技术 ; 装甲兵工程学院机械产品再制造国家工程研究中心与北京国科世纪激光技术有限公司共同研制高重频高能量激光清洗设备 , 并进行了除锈性能研究 ;北京工业大学激光工程研究院开展了正畸托槽底板残余粘结剂的激光清洗技术研究 ; 上海临仕激光科技有限公司开展了涡轮叶片、航天进气道 （ 钛合金 ） 及轻质合金焊前的表面清洗工艺研究并开发出激光清洗装备 ; 中国科学院沈阳自动化研究所开展了核电管道内部污物的清洗工艺探索 ; 大族激光科技股份有限公司开展了去除行星轮架 （ 铸铝 ） 和从动锥齿轮表面的氧化物、铜件表面的氧化物、活塞表面的石墨以及锯片表面的油漆工艺探索 ; 苏州大学开展了汽车蜗壳除锈、轨道养护除污物和绝缘瓷瓶除垢等激光清洗方面的研究。 [4]

与此同时 , 激光清洗设备在国内也得到了很大发展 , 激光清洗设备价格大幅下降 , 为更多用户使用激光清洗设备提供了可能 , 国内从事激光清洗设备厂家有大族激光、华工激光、铭镭激光、帝耐激光、昆山凯研、华工、迈锐捷激光、汇泽激光、瑞丰光电、翔明激光等等 ,虽然激光清洗设备虽然出现了大幅下降 , 但相对于手工及机械除锈设备来说 , 一次性投入价格相对来说还是较高 , 通常数十万元 , 但相对于表面涂装所使用的其他清洗手段 , 激光清洗在使用及维护费用、废物后处理、人力费用、环保方面所花费用低的多 , 在表面涂装行业具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 雷正龙 , 田泽 , 陈彦宾 . 工业领域的激光清洗技术 [J].激光与光电子学进展 ,2018（030005）：9-10.

[2] 林伟成 . 激光清洗技术在雷达 T/R 组件制造中的运用 [J]. 电子工艺技术 ,2013（11）：354.

[3] 宋峰 , 刘淑静 , 牛孔贞 , 李训谱 . 激光清洗原理与应用研究 [J]. 清洗世界 ,2005（1）：2[4] 雷正龙 , 田泽 , 陈彦宾 . 工业领域的激光清洗技术 [J].激光与光电子学进展 ,2018（030005）：10.