0 引言

表面涂裝行業作為機械加工的輔助及協作工序 , 為機加產品提供防護及裝飾性 , 大大提高了產品的環境適應性及外觀 . 但在產品涂裝前 , 表面的油污及銹蝕需清理干凈 , 否則會對涂層的附著力產生很大的影響 , 特別是對涂層防護性能要求高的產品 , 表面清潔度更是要求嚴格 , 傳統的表面清理方法主要有 : 有機溶劑除油 , 機械打磨除銹、電化學除油、噴砂、化學清洗 , 超聲波清洗等。其中有機溶劑除油、機械打磨除銹等工作環境差、處理質量不高 : 電化學除油、噴砂、化學清洗 , 超聲波清洗雖然效果好 ,但也存在著廢液處理、噪聲 , 粉塵等問題。隨著產品加工質量越來越高 ,環境保護日趨嚴格 , 傳統表面處理手段應用也受到越來越多的限制。亟需新的表面前處理技術 , 激光清洗技術作為一種另辟蹊徑的表面處理手段 ,顯示出其獨特的優勢。在表面涂裝中有望發揮其強大的清洗能力。

1 激光清洗原理

激光清洗技術是利用激光高能、高重復頻率、高功率的特性 , 將激光束照射在需清洗表面的較小區域 , 利用激光瞬間的高能量實現對表面的清洗。

激光清洗具有如下特點 :

1） 清洗效率高 , 激光直接照射在在待清洗表面 , 清洗參數調整好后 ,清洗一步到位 , 無需進行預先除油或除銹及水洗等工序。

2） 清洗效果好 , 激光清洗可徹底清除物體表面的銹蝕及油污等 , 清洗等級可達 Sa3 級。

3） 激光清洗是非接觸式的 , 可清洗其他清洗方法不易處理的部位 ; 采用合適的清洗參數 , 對表面基體狀態幾乎無影響。

4） 不需要化學溶液 , 無需處理令人頭疼的廢液排放及污染問題。？清除下來的廢料基本上都是固體粉末、體積小、易于存放及處理 , 使用時噪聲小 , 對環境造成的污染小。

5）設備簡潔 , 體積小 , 可移動 ,可與機器人或機床結合 , 實現自動及遠距離操作。

2 激光清洗的發展概述

20 世紀 80 年代 , 半導體行業的高速發展對硅晶元掩模表面的污染微粒的清洗技術提出了更高的要求 , 其關鍵點在于克服污染微顆粒與基材之間極大的吸附力 , 傳統的化學清洗、機械清洗、超聲清洗方法均無法滿足需求 , 而激光清洗可以解決此類污染問題，相關研究與應用得到迅速發展。1987 年 , 首次出現了關于激光清洗的專利申請。

20 世紀 90 年代后 ,Zapka 等成功將激光清洗技術應用于半導體制造工藝 , 去除了掩模表面的微顆粒 , 實現了早期激光清洗技術在工業領域的應用。1995 年 , 研究者使用 2kw 的TEA-CO 2 激光器成功實現了飛機機身涂層的清洗。

進入 21 世紀后 , 隨著超短脈沖激光器的高速發展 , 國內外對激光清洗技術的研究和應用逐步增多 , 重點集中在金屬材料表面 , 國外的典型應用有飛機機身脫漆、模具表面除油污、發動機內部除積碳和焊前接頭的表面清理等。美國愛迪生焊接研究所用激光清洗了 F-16 戰機。

值得一提的是 , 先進復合材料部件的激光脫漆研究與應用也是一大熱點 . 美國海軍 H-53、H-56 直升機的螺旋槳葉片和 F16 戰斗機的平尾等復合材料表面均已實現激光脫漆應用。

Adaptlaser 公司給奧迪 TT 汽車生產線提供了光纖激光清洗裝備 , 以清洗輕質鋁合金車門框表面的氧化膜。英國Rolls-Royce 公司用激光清洗了鈦合金航空發動機部件表面的氧化膜。此外 ,利用激光清洗技術對 CFRP 復合材料膠接前接頭進行表面處理以提高接頭強度是當前的研究重點之一。“????可以看出 , 激光清洗技術在國外的發展應用中，主要是進行表面除油、除銹、退漆、去除污染物及提高表面潔凈度。？激光清洗的這些功能 , 對于表面涂裝前處理幾近于量身定制 , 將激光清洗技術與表面涂裝進行結合 ,對于表面涂裝前處理的技術進步具有很大促進作用。

3 激光清洗參數

激光清洗的主要參數有激光波長、能量密度、脈沖次數以及清洗閥值和損傷閥值等 , 這些參數都對清洗效果有著重要影響。

1）激光波長

波長越短產生清洗作用所需的最低能量密度（以下稱為閥值能量密度）越小。可見為了獲得徹底的清洗效果 ,激光清洗宜選用較短的波長。對于特定激光能量密度 , 波長越短其清洗力峰值越高，從而可獲得更高的潔凈度。

2） 能量密度

單位面積清洗力峰值隨能量密度線性增加。當能量密度過低 , 單位面積清洗力太小時，不能產生清洗效果。對一定波長的激光束 , 只有當能量密度達到某一定值，才能產生清洗效果。這時的能量密度就是該波長激光束開始產生清洗效果的閥值。

3） 脈沖次數

在高于能量密度閥值的脈沖激光束照射下 , 物體表面的潔凈度隨脈沖次數增加而提高。在同種能量密度下 ,潔凈度隨脈沖次數增加而提高。為避免損傷被清洗物體表面 , 可采用較低的能量密度 , 增加脈沖次數來獲得高的潔凈度。在不損傷表面條件下 , 選用較高的能量密度，可減少脈沖次數，提高清洗效率 .

4）清洗閥值和損傷閥值

激光清洗在清洗過程中，一方面，當激光功率密度超過某一閾值時 , 清洗效果雖然存在 , 但是物體表面也已損傷 , 該閾值稱為損傷閾值 ; 另一方面，當激光功率密度低于某一閾值時，即使延長激光清洗時間 , 也無任何清洗效果 , 該閾值稱為清洗閾值。因此 ,為保證激光對物體表面的影響最小 ,必須對激光的能量進行調整 , 使激光能量處于清洗閥值和損傷閥值之間 ,從而達到良好的清洗效果 , 而對物體表面不產生損傷。 [2]

4 激光清洗方法

激光清洗的方法可以分成以下幾類。

1） 激光干洗法。即采用脈沖激光直接輻射去污 ; 激光被基體或粒子吸收后 , 產生振動 , 從而使基體和污染物分離。

2） 激光液膜的方法。即首先沉積一層液膜于基體表面 , 然后用激光輻射去污。

3） 激光 + 惰性氣體的方法。即激光輻射的同時 , 用惰性氣體吹向工件表面 , 當污物從表面剝離后 , 就被氣體遠遠吹離表面 , 避免清潔表面再次污染和氧化 ; [3]

5 激光清洗在涂裝中的應用

產品涂裝前 , 表面或存在銹蝕、油污、附著物、膠粘接劑或舊漆層等中的一種或幾種 , 通常需進行前處理將這些污染物清理掉 , 否則將影響后續涂裝質量 , 嚴重時導致整個涂層重新返工。因此 , 涂裝前處理的好壞對涂層質量有著相當大的影響。采用激光清洗技術進行除油、除銹、退漆、脫膠等前處理 , 可發揮獨特作用。

1）激光除油

大多數產品涂裝前除油采用的手段是有機溶劑除油或電化學除油。但使用有機溶劑或電化學除油存在如下缺點 : 有機溶劑除油雖可除去大部分油污 , 但是并不徹底 , 達不到高潔凈度要求 , 特別對一些水性涂料 , 會對附著力產生明顯影響。有機溶劑易燃易爆 , 安全風險大。有機溶劑大多數含有酮類、甲苯、二甲苯等 , 人體長期接觸有機溶劑對身體健康產生危害。

電化學除油需采用槽液 , 對某些產品并不適合 , 且槽液需進行環保處理達標后才能排放。

通常油污多數為長鏈烷烴類 , 與產品表面基體結合力多數為范德瓦爾斯力和靜電力。當采用激光清洗時 ,照射在油污上的激光束可產生幾千度甚至幾萬度的高溫 , 當激光能量大于有機分子中的 C-C,0-0、H-O,H-H,C-H,N-H 等化學鍵的鍵能時 , 將導致這些鍵斷裂 , 從而將大分子物質分解成小分子物質 , 使油污瞬間蒸發、氣化或分解。控制調整激光的能量密度 , 光束照射到表面固態油污時 , 使油污受熱膨脹 , 當油污的膨脹力大于對基體的吸附力時 , 便會脫離物體的表血。同時激光還可以通過在表面產生沖擊波 , 使塊狀油污破碎脫洛。

2）除銹

橋梁、鋼結構、船體、鐵架、發射塔等在長期使用過程中 , 經受外界環境惡劣 , 表面易產生銹蝕 , 通常銹蝕嚴重且面積大。采用常規手工除銹、機械打磨或噴砂等具有如下缺點 , 手工及機械打磨除銹質量差 , 效率低 ,除銹效果不徹底 , 達不到高潔凈度要求 , 會對涂層附著力產生明顯影響。

某些形狀復雜的部位存在無法進行除銹的情況。

噴砂雖然除銹效果好 , 但使用受到諸多限制 , 且噴砂對表面狀態有影響。噴砂過程中 , 產生大量粉塵及噪音 , 環境污染大。

鋼鐵表面的銹蝕及氧化皮為氧化鐵之類的物質，其中鐵銹附著較為疏松，而氧化皮則附著牢固。采用激光清洗可有效的除去表面銹蝕及氧化皮 , 當表面受到激光照射時 , 較為牢固的銹蝕或氧化皮受熱膨脹。與機體表面產生應力 , 同時激光通過在表面產生沖擊波，使塊狀銹蝕或氧化皮破碎脫落。

當激光功率足夠時 , 激光束在銹蝕及氧化皮上產生幾千度甚至幾萬度的高溫 , 使銹蝕及氧化皮瞬間蒸發。

3）脫漆

當產品表面涂層因老化或維修等原因而需要重新涂覆時 , 表面的舊漆層則需進行去除 , 傳統的脫漆方法有手工鏟除、機械打磨、噴砂或使用脫漆劑。人工鏟除及機械打磨除漆工作效率低、成本高 ; 噴砂工作環境惡劣 ,對表面狀態影響大 ; 退漆劑對皮膚及眼晴有強烈刺激和傷害 , 且廢液難于處理。？使用激光清洗 , 只需調整好清洗參數 , 可以又快又好的去除表面漆層 , 在脫除過程中 , 可以方便的實現局部指定部位脫漆 , 未脫漆的部位不受影響 , 實現可控脫漆。采用激光脫漆 , 脫漆效率高 , 脫漆徹底。

4）脫膠

在產品組裝及裝配過程中 , 經常會使用各種膠粘接劑 , 其中的一些膠粘接劑非常強力 , 當粘接劑外溢或污染了表面而需去除時 , 如何脫膠成了一個令人頭疼的問題。常規方法是化學試劑或溶劑擦洗 , 但部分膠粘接劑固化后抗溶劑性能或化學試劑性能很好 , 難于清理干凈徹底 , 清膠成了一件費時費力的工作。由于粘接劑大多數為有機高分子 , 與有機涂料類似 ,采用激光清洗則可對粘接劑清洗提供很好的解決方法 , 它的清洗原理與除油除漆類似，比常規清膠效率高很多。

除此之外 , 激光清洗還可以與其他方法進行結合 , 如采用前處理或經過嚴格過濾和干燥的惰性氣體 , 可以減小激光清洗的清洗閥值 , 可以進一步提高效率和清洗潔凈度。

6 國內激光清洗技術及設備發展

近年來，隨著產品制造技術升級，激光清洗技術在國內也得到了較大的發展 , 顯著的變化是 , 國內對激光清洗技術在工業各領域的應用及設備開發開展了大量的研究工作。例如 , 哈爾濱工業大學開展了汽車熱成型鋼表面 A1-Si 涂層去除、鋼鐵表面除銹 ,航天鋁合金及鈦合金焊前除氧化膜、鋁基復合材料表面除污物、陶瓷材料的清洗等研究 : 中國工程物理研究院八所研制了輪胎模具清洗 , 表面脫漆除銹、文物清洗設備 : 中國電子科技集團公司第三十八研究所在雷達 T/R組件制造中運用了激光清洗技術 ; 裝甲兵工程學院機械產品再制造國家工程研究中心與北京國科世紀激光技術有限公司共同研制高重頻高能量激光清洗設備 , 并進行了除銹性能研究 ;北京工業大學激光工程研究院開展了正畸托槽底板殘余粘結劑的激光清洗技術研究 ; 上海臨仕激光科技有限公司開展了渦輪葉片、航天進氣道 （ 鈦合金 ） 及輕質合金焊前的表面清洗工藝研究并開發出激光清洗裝備 ; 中國科學院沈陽自動化研究所開展了核電管道內部污物的清洗工藝探索 ; 大族激光科技股份有限公司開展了去除行星輪架 （ 鑄鋁 ） 和從動錐齒輪表面的氧化物、銅件表面的氧化物、活塞表面的石墨以及鋸片表面的油漆工藝探索 ; 蘇州大學開展了汽車蝸殼除銹、軌道養護除污物和絕緣瓷瓶除垢等激光清洗方面的研究。 [4]

與此同時 , 激光清洗設備在國內也得到了很大發展 , 激光清洗設備價格大幅下降 , 為更多用戶使用激光清洗設備提供了可能 , 國內從事激光清洗設備廠家有大族激光、華工激光、銘鐳激光、帝耐激光、昆山凱研、華工、邁銳捷激光、匯澤激光、瑞豐光電、翔明激光等等 ,雖然激光清洗設備雖然出現了大幅下降 , 但相對于手工及機械除銹設備來說 , 一次性投入價格相對來說還是較高 , 通常數十萬元 , 但相對于表面涂裝所使用的其他清洗手段 , 激光清洗在使用及維護費用、廢物后處理、人力費用、環保方面所花費用低的多 , 在表面涂裝行業具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 雷正龍 , 田澤 , 陳彥賓 . 工業領域的激光清洗技術 [J].激光與光電子學進展 ,2018（030005）：9-10.

[2] 林偉成 . 激光清洗技術在雷達 T/R 組件制造中的運用 [J]. 電子工藝技術 ,2013（11）：354.

[3] 宋峰 , 劉淑靜 , 牛孔貞 , 李訓譜 . 激光清洗原理與應用研究 [J]. 清洗世界 ,2005（1）：2[4] 雷正龍 , 田澤 , 陳彥賓 . 工業領域的激光清洗技術 [J].激光與光電子學進展 ,2018（030005）：10.