余兴建
贵州电网有限责任公司凯里供电局
摘要：针对金属表面氧化物、杂质，表面质量，激光清洗(Laser Cleaning)能高效去除，同时激光清洗还具有对基体伤害小、无污染以及清洗效率高等优势。为此，文章详细探究了金属表面激光清洗技术，以期为相关同行业者提供有利的参考依据。
关键词：金属表面；激光清洗技术；特征；实际应用
前言：Laser Cleaning属于全新的物体表面清洗方法中的一种。利用激光的方向性好以及亮度高的优势，能够对物体表明的锈蚀氧化物、颗粒和其他覆盖物进行高效去除。现如今，在金属材质钢铁、铝等以及非金属材质皮革、艺术品等表面清洗中，激光清洗技术被成功运用。激光清洗技术相较于以往的清洗技术，具有环保、高效的优势，同时能够在清洗的表面形成保护层，其应用前景非常广阔。
1激光清洗技术概述
去除固体表面不同尺寸和材质的脏污粒子及膜层的有效方法，即Laser Cleaning。Laser Cleaning是将具有良好方向性及高亮度的脉冲或连续激光，在进行点整形和光学聚焦之后，形成具有特定点形状和能量分布的激光束，该激光束照射到需要清洁的受污染材料的位置，其上附着的污染物将激光能量吸收后，会产生一系列复杂的物理和化学过程，例如熔化，振动，燃烧，甚至气化，最终使污染物从材料表面分离出来而不会对材料本身造成损坏。
在激光清洁过程中，Laser Cleaning是使用高速扫描激光有效地将脏物作用在基材表面上，当污垢达到汽化或熔点时，将其直接燃烧并分解，并通过激光作用将其与基材表面分离，在清洁的表面上，大多数反射掉而不会损坏基材，从而促进了清洁效果的有效实现。
实际上，Laser Cleaning是激光与污物层之间复杂的化学和物理相互作用，也就是说，脉冲或连续激光会克服基材和污物表面之间的合力，从而使污物从基材表面分离，从而达到清洁目的。主要机理：首先，激光束产生的热输入直接传递到污垢上，并且污垢在热量膨胀的同时不断积聚，从而触发了可以与基材表面完全分离的膨胀力；其次，在焦点处产生激光束（高能量），数百度和数千度的高温促使污垢瞬间膨胀，燃烧，汽化，蒸发或分解。最后，脉冲激光（能量密度）冲击波作用在污垢上，使污垢产生更高频率的振动，然后从基材表面脱离。
2激光清洗技术特点分析
由于激光作用在材料表面的时间仅有10.11-10.13秒，可以在瞬间产生巨大的爆炸冲击力加速度(109m/s2)，能全面提供克服工件与微粒表面间的粘附力所需要的加速度，因此Laser Cleaning能有效清除μm级或更小尺寸的污染微粒；Laser Cleaning属于“干式”清洗中的一种，无需化学溶液或清洗液，与化学清洗工艺相比，Laser Cleaning清洁度相对较高；通过对激光工艺参数的调控，能在不损伤基材表面的前提下，对污染物进行有效去除，进而促使表面整旧如新；Laser Cleaning不会引发二次污染，清除的废料即便没有被气化也呈固体粉末状，体积小，易收集；Laser Cleaning可以实现自动化操作，清洗工序比较简单，对产品制造周期能够有效缩短；激光去污设备具有运行成本低、使用寿命长的优势，但首期投资较大，需要特别注意。
3激光清洗技术种类
3.1激光干式清洗
激光辐射直接去除污物，灰尘吸收激光后，它会振动，进而脱离基体。激光干式清洗中去除附着物的两种方式如下：其一，颗粒本身会热膨胀并从基材表面脱离。随着污物和激光之间的影响时间的延长，假设温度<污物的汽化阈值，污物只会产生物理变化，污物与基板的热膨胀系数之间的差异会导致界面处的压力，从而发生弯曲和撕裂同时，在远离基底表面的地方，界面之间会产生裂纹，产生机械断裂，振动和其他现象，它通过喷涂从基材表面剥离或分离；其二，基体表面瞬间热膨胀，产生振动，使吸附在基材表明的粒子脱离基材表面。
俞鸿斌，毕业于华中科技大学，经过对金属表面激光清洗技术的研究表明，假设基体的烧蚀阈值＞附着物的烧蚀阈值，需对清洗能量进行调整，以促使其处于基体烧蚀阈值与附着物烧蚀阈值之间，这样能对清洗物进行有效去除，同时又不会损伤基体；然而方基体烧蚀阈值＜附着物的烧蚀阈值时，很难不对基体造成损伤，需对工艺参数进行控制，尽可能最小化损伤。刘伟嵬和张岩通过相关实验证明，张岩的实验研究中微粒的去除效果没有刘伟嵬的实验研究中微粒的去除效果好，张岩的实验研究中微粒的去除精度也没有刘伟嵬的实验研究中微粒的去除精度高。
3.2激光湿式清洗
预先在待清洁的基材表面上均匀覆盖一层液体介质膜，然后使用激光辐射去除污物。根据基材和介质膜对激光的吸收，湿式清洁可分为强介质膜吸收，介质膜基材和强基材吸收共吸收。苗红霞和宋家军通过研究发现，当强基材吸收时，基材吸收激光能量，然后将热量传递给液体介质膜，在液体和基材之间的界面处的液体层沸腾过热，并且将污物和液体层一起除去，去除效果非常显著。林乔，石敏球，张欣通过研究表明，当液体介质薄膜基材被共吸收时，部分激光会穿透液体介质层并被基材吸收。激光被基材吸收后，激光将热量传递给液体，液体和基材之间的界面处的液体层过热并沸腾，但是，因为能量集中不足，去除效果中等；一部分激光被液体介质吸收。当强介质膜吸收时，液体介质的上表面强烈吸收激光，仅沸腾在液体表面上，而不是液体和基材之间的界面，去除污物效果不明显。
4激光清洗技术的实际应用
4.1模具的清洗
全世界每年都有数以百计的轮胎制造商，为节省停机时间，这些轮胎制造商必须在生产过程中，快速、可靠地清洗轮胎模具。传统的清洗方法包括喷砂、超声波或二氧化碳清洗等，但这些方法通常必须在高热模具中冷却数小时后才能移入清洗设备。清洗时间长，容易损坏模具精度，化学溶剂和噪音也会引起安全和环保问题。采用Laser Cleaning，由于激光可以通过光纤传输，使用上具有很深的灵活性；由于Laser Cleaning可以与光纤连接，可以将光线引导到模具的死角或不易清洗的部位，使用方便；由于橡胶不气化，故不会产生有毒气体，会对工作环境的安全造成影响。
在欧美轮胎工业中，激光清洗轮胎模具的技术得到了广泛的应用，虽然初期投资成本较高，但在节约待机时间、防止模具损坏、安全生产、节约原材料等方面的效益可以迅速回收。根据广电公司激光清洗部在上海双倩载重轮胎有限公司生产线上进行的清洗试验表明，一套大型载重汽车轮胎模具在线清洗仅需2小时。与传统清洗方法相比，经济效益明显。
需要定期更换食品工业模具上的防粘弹性膜，以确保卫生，无需化学试剂的激光清洗尤其适用于这种应用。
4.2武器装备的清洗
在武器维修中，激光清洗技术得到了广泛的运用。使用Laser Cleaning系统能对铁锈和污染物进行有效、快速地去除，并能选择清洗位置，实现清洗的自动化。Laser Cleaning不仅比化学清洗工艺具有更高的清洁度，而且对物体表面几乎没有损伤。Quantel公司的LASERLASTE还可以通过设置不同的参数，在金属物体表面形成致密的金属熔化层或氧化物保护膜，以提高表面耐蚀性及强度。激光清除的废弃物不污染环境，可远程操作，可将对操作人员健康的伤害降至最低。
结束语：
总之，工业清洗技术是制造过程中最关键的一项科技，尤其是工业清洗技术中的金属表面清洗技术，一定程度上有利于工业的迅速发展。伴随着人们环保意识的增强，针对现代工业制造中存在的弊端，以往的工业清洗方式无法克服，迫切需要一种高效、绿色的清洗方式，即Laser Cleaning。作为一种可靠、环保的清洗技术，Laser Cleaning的发展前景十分广阔。
参考文献：
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[2]刘伟嵬.金属表面污染物的激光清洗研究现状与展望[J].内燃机与配件，2016(01)．
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[5]钟慧敏，吴霞.金属表面处理废水处理工程实例[J].环境与发展，2018.
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