金属表面的激光清洗技术及应用

金属表面的激光清洗技术及应用

左卓均

广东沛宇系统技术有限公司 广东江门 529100

摘要：激光清洗能高效去除金属表面杂质和氧化物，提高表面质量，具有无污染、对基体伤害小、清洗效率高等优点。基于此，本文对金属表面的激光清洗技术及应用进行了分析。

关键词：金属表面；激光清洗；特点；方式

激光清洗技术是指采用高能激光束照射被清洗物体表面,使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离,从而达到洁净化的工艺过程。激光清洗无环境污染,清洁度高,能清洗的污物范围和适用基材广泛,并可方便地实现自动化操作。本文首先阐述了激光清洗技术的相关概述，并探讨了激光清洗技术对金属表面清洗质量的影响。

一、激光清洗技术简介

激光清洗(Laser Cleaning)是去除固体表面不同材料和尺寸的脏污粒子及膜层的有效方法。它是把高亮度和方向性好的连续或脉冲激光，通过光学聚焦和光斑整形后，形成具有特定光斑形状与能量分布的激光束，照射到被污染的需要清洗的材料位置，其上附着的污染物材料吸收激光能量后，会产生振动、熔化、燃烧，甚至气化等一系列复杂的物理化学过程，并最终使污染物脱离材料表面，同时不损坏材料本身。

激光清洗过程中，激光清洗是通过高速扫描的激光规律地作用在表层带有污物的基材表面，污物达到熔化或气化点直接燃烧气化分解，而脱离基材表面，即使激光作用在清洗后的表面，绝大部分都是被反射掉，对基材不会造成损伤，从而达到清洗的效果。

激光清洗的实质是激光与污物层的复杂的物理化学作用，即通过连续或脉冲激光的激光克服污物与基材表面间结合力，使污物脱离基材表面而达到清洗的目的。主要机制有：①激光光束产生的热输入直接传导给污物，污物受热膨胀并持续积累，从而产生足以脱离基材表面的膨胀力；②高能量的激光束在焦点处产生几百度或上千度的高温，使污物瞬间膨胀燃烧、气化、蒸发或分解；③高能量密度的脉冲激光冲击波作用在污物上，使其产生高频率振动，从而脱离基材表面。

二、激光清洗技术的特点

1、由于激光作用于材料表面的时间仅有10^-11～10^-13秒，能在瞬间产生极大的爆炸冲击力加速度(10⁹m/s²),足以提供克服微粒与工件表面间的粘附力所需要的加速度,所以激光清洗能有效清除微米级或更小尺寸的污染微粒。

2、激光清洗是一种“干式”清洗,无需清洗液或其他化学溶液,清洁度远高于化学清洗工艺。

3、通过调控激光工艺参数，能在不损伤基材表面的基础上,有效去除污染物，从而使表面整旧如新。

4、激光清洗不会造成二次污染,清除的废料即使未被气化也呈固体粉末状，体积小,易于收集。

5、激光清洗能实现自动化操作，清洗工序简单,有利于缩短产品的制造周期。

6、激光去污设备具有使用寿命长、且运行成本低的优点,但需注意其首期投资大的问题。

三、激光清洗方式

1、激光干式清洗法。它是通过将激光直接辐射在表面有污染物的基体上，激光的高能量被污粒吸收，污粒自身受热膨胀，克服与基体间的结合力，基体和污粒分离。在激光干式清洗中，损伤、清洗阈值两个参数极为重要。

2、激光湿式清洗法。其清洗机制是在清洗时，在工件表面覆盖上一层液态的薄膜，根据激光能量作用于机体还是污粒，将湿式清洗分为强基体吸收、强介质膜吸收和介质膜基体共同吸收。强基体吸收是指基体吸收能量，并将能量传输给液态膜，液态膜受热沸腾，带动污粒振动使其脱离，这种清洗效果最好；介质膜基体共同吸收是指清洗表面和覆盖其上的液态膜共同吸收激光能量，但会导致能量分散，影响激光清洗的去除效果；强介质膜吸收是指液态膜吸收激光能量，受热沸腾，但能量都被液态膜表面吸收，而基体与液态表面的接触面吸收的能量不足，致使沸腾相对较弱，从而影响清洗效果。

四、激光清洗技术对金属表面清洗质量的影响

激光清洗技术能克服传统清洗技术费时费力、环境污染等缺点，在去除金属表面附着物等方面发挥着重要作用。通过设置调整激光清洗过程中的激光功率、入射角、光斑间距等关键参数，可实现清洗过程的精确控制。

首先，激光器类型和波长对清洗效果具有重要影响。TEA CO₂激光器是清洗金属表层有机物最合适的激光器类型，有机污层吸收激光强烈，而金属基底吸收激光较弱，有机污层的温度迅速上升到蒸发点气化，从而达到不损伤基底而清除污染层的目的。

如图1所示，选用Nd：YAG激光器，研究波长、曝光次数及附着物的颗粒种类和颗粒大小对激光清洗效率的影响。曝光次数越多，附着物颗粒越小，清洗效果越好。波长则对锆合金表面的二氧化铀和二氧化钍颗粒的影响不大；相较于二氧化钍，二氧化铀更易被清除。在附着物松散的情况下，附着物颗粒通常通过短程范德华力附着在基板表面，通过颗粒和基底吸收来自入射辐射场的能量可产生力使颗粒脱离。因此，激光清洗后锆合金表面的洁净度能得到明显改善。

图1

激光清洗的能量阈值在一定程度上决定了激光清洗的效果。选择合适的激光清洗能量阈值需综合考虑材料的性能、微观结构、形貌缺陷及激光的波长和脉宽等各因素的影响。通常，金属的清洗阈值在1.0～10.OJ/cm²间，无机绝缘材料的清洗阈值在0.5～2.OJ/cm²间，而有机物的清洗阈值在0.1～1.OJ/cm²间。有学者利用干式激光技术对古铜钱表面的铜绿进行清理，研究清洗阈值对清洗效果的影响。研究表明，对干式激光清洗，当清洗阈值在0.8～1.5J/cm²间时，能有效去除表面铜绿。但阈值提高到1.5J/cm²，铜钱边缘发黑。另外，金属表面的氧化程度也会对清洗效果产生影响。

另外，激光功率也对金属表面清洗有较大影响。有学者利用脉冲激光器对不锈钢表面进行清洗，研究不同激光功率(300、400、500W)对清洗效果的影响。发现随着激光功率的增加，不锈钢表面氧化物逐渐分解剥落，清洗厚度不断加深，在500W时达到50 m，并对基体有部分损伤；粗糙度值先降低后增加，在400W时达到最低值0.38 m，此时激光清洗的清洗阈值约为3960W/cm²。基体损伤阈值约为5520W/cm²，此时表现出最佳的清洗效果。

还有学者通过观察清洗前后的铝合金基材表面的微观形貌，发现激光光斑间距也会影响清洗效果。可通过调整激光光斑间距来提高激光作用的覆盖区域，从而达到理想的清洗效果。虽然减小激光光斑间距能增大激光作用区域面积，提高清洗效果，但会影响激光清洗的效率和速度。所以，在确定清洗工艺参数时，要同时权衡清洗效果和效率。另外，其结合清洗前后铝合金及表面硬度值的变化趋势，发现脉冲激光不仅能将漆层清除干净，而且能提高基材表面的硬度与力学性能。

因此，为获得优良的金属表面激光清洗效果及效率，需综合考虑激光清洗方法、激光器的类型、波长、能量密度、功率、脉冲频率、脉冲时间及激光的入射角度、激光光斑间距等工艺参数。有学者采用高重频高能量激光清洗设备，对影响激光清洗碳钢表面锈蚀效果的工艺参数，包括激光功率等进行了研究，对激光清洗锈蚀表面、微区、线和点处的元素组成及相对含量进行了分析，发现脉冲激光能有效清洗碳钢表面的锈蚀。

总之，工业清洗作为生产制造过程中一项重要的科学技术，尤其是金属表面的除污清洁工艺，在工业发展迅猛的时代占据着不可替代的地位。随着人们环保意识的提高，传统工业清洗方法存在的弊端无法克服，亟待产生一种绿色高效的清洗方法。而激光清洗作为一种环保可靠的清洁技术，潜在着广阔的发展空间。

参考文献：

[1]俞鸿斌.金属表面激光清洗技术研究[D].湖北:华中科技大学，2014(03)．

[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)．

[3]张岩.金属表面的激光清洗技术及应用[J].激光技术与应用，2014(08).