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工业激光清洗技术原理及其应用简介

1激光清洗概念

激光清洗是利用聚焦的激光作用在材料表面,使表面的污染物迅速汽化或剥离,从而实现材料表面清洗的技术。相对于各类传统的物理或化学的清洗方式,激光清洗具备无接触、无耗材、无污染、精度高、无损伤或损伤小等特点,是新一代工业清洗技术的理想选择。

2激光清洗发展历程

在激光发明之初,很多研究人员都在探索激光到底能为我们做哪些事情。作为最早积极推广激光技术的人之一,诺贝尔物理学奖获得者Arthur Schawlow博士很早就提出了激光清洗的概念,并且在1968年就用红宝石激光发明了一台激光清洗的原型机,用于清除印刷过程中的错误印刷字符,并申请了发明专利。

1972年,加州大学的John Asmus教授受邀到意大利威尼斯,与当地的专家一起探讨如何用激光全息成像技术来记录遭受洪灾的历史遗迹。他们在观察聚焦的红宝石激光与石像之间的作用时,发现石像表面长期积累的污染物被清除干净了,但是石材本身却没有遭受明显损伤。返回美国之后,Asmus在此基础上做了大量的研究工作,尝试了不同的激光在文物清洗上的作用,这些工作奠定了脉冲红宝石激光和脉冲Nd:YAG激光用于激光清洗的基础。

20世纪80年代,随着半导体行业的迅速发展,对清洗技术提出了新的要求。传统的清洗方式在清洗晶圆或其他微电子器件表面的微小颗粒污染物时遇到了困难,激光清洗刚好能够解决此类问题,相关的应用研究得以迅速开展,IBM公司、贝尔实验室等知名机构都参与其中。IBM公司的W. Zapka等在1987年首次申请了关于激光清洗方面的专利,而后,A.C. Tam等成功将激光清洗技术应用于去除掩模表面微颗粒。佛罗里达州立大学的Susan Allen教授联合贝尔实验室还开发了“蒸汽清洗”的方式,即在待清洗材料表面覆上一层酒精和水的混合液膜,再用激光照射实现清洗,这样可以大大提高激光清洗的效率。正是这些工作,实现了早期激光清洗技术在工业领域的应用。

20世纪90年代开始,更多的研究和应用在欧美展开,工业应用场景也不断拓展。进入21世纪以后,我国也开始了大量激光清洗技术的研究,但是大范围的应用推广只是近五年左右才开始。目前,激光清洗技术已经逐步在大量行业中被用户熟知和接受,拥有广阔的发展前景。其主要应用领域和应用场景如下图所示,并且还在不断扩展中。

3激光清洗原理

激光清洗的原理比较复杂,可能同时包含物理过程和化学过程,在比较多的情况下是以物理过程为主,伴随着部分化学反应。主要过程可以归纳为三类,包括气化过程、冲击过程和振荡过程。

气化过程

当高能量的激光照射到材料表面时,表面吸收激光能量转换成内能,使表面温度迅速升高,达到材料的汽化温度以上,从而使污染物以蒸汽的形式脱离材料表面。在表面污染物对激光的吸收率明显高于基材对激光的吸收率时,通常会发生选择性汽化,比较典型的应用案例是石材表面的脏污清理。如下图所示,石材表面的污染物对激光的吸收较强,迅速被汽化。当污染物被清除干净,激光照射到石材表面时,吸收较弱,较多的激光能量被石材表面散射,石材表面的温度变化小,石材表面因此而得到保护,不受损伤。

以化学作用为主的典型过程则是在采用紫外波段的激光进行清洗有机污染物时发生,被称作激光消融(Ablation)。紫外激光的波长较短,光子能量高,比如KrF准分子激光,波长248nm,光子能量高达5 eV,超过CO2激光光子能量(0.12 eV)的40倍。这么高的光子能量足以破坏有机物的分子键,使有机污染物中的C-C、C-H、C-O等在吸收激光的光子能量后发生断裂,从而产生裂解气化,从表面清除。

冲击过程

冲击过程是在激光与材料作用过程中,发生的一系列反应,进而形成的对材料表面的冲击波。在冲击波的作用下,表面污染物发生碎裂,变成粉尘或碎片从表面剥离。造成冲击波的机理有多种,包括等离子体、蒸汽、急剧的热胀冷缩现象等。以等离子体冲击波为例,可以简要了解一下激光清洗中的冲击过程是如何将表面污染物去除的。随着超短脉宽(ns)、超高峰值功率(107– 1010W/cm2)激光器的应用,即使表面对激光的吸收较弱的情况下,表面温度依然会急剧升高,瞬间达到汽化温度以上,形成在材料表面上方的蒸气,如下图中(a)所示。蒸气的温度可达到104- 105K,可以使蒸气本身或周围的空气发生电离,形成等离子体。等离子体会阻挡激光到达材料表面,材料表面的汽化可能会停止,但是等离子体会继续吸收激光能量,温度持续升高,形成一个局部的超高温超高压的状态,对材料表面产生1-100 kbar的瞬时冲击,并逐步向材料内部传递,如下图(b)和(c)所示。在冲击波作用下,表面污染物发生碎裂,变成微小的粉尘、颗粒或者碎片。当激光从照射位置移开后,等离子体随即消失,局部产生一个负压,污染物的微粒或碎片被从表面移除,如下图(d)所示。

为了避免对基材的损伤,还可以利用更高峰值功率(1012W/cm2)的激光将材料表面之上的空气电离,形成等离子体冲击波,对材料表面污染物进行清理。等离子体可以造成很强的冲击波,但是冲击波的形成不一定需要形成等离子体。快速汽化形成的蒸气压也可以形成对基体的冲击,比如在材料表面覆盖一层液膜,利用液体的迅速汽化过程提高清洗效率的“蒸汽”清洗方式就是典型的例子。

振荡过程

短脉冲作用下,材料升温和降温的过程都极其迅速。由于不同的材料,其热膨胀系数不同,因此在短脉冲激光照射下,表面污染物和基体会发生高频次的不同程度的热胀冷缩,产生振荡作用,使污染物从材料表面剥落。在此剥落过程中,可能不会发生材料的汽化,也不一定会产生等离子体,而是依靠振荡作用下,在污染物与基材界面形成的剪切力破坏了污染物与基材的结合。研究表明,当激光的入射角稍微加大时,可以增加激光与颗粒污染物和基材界面的接触,降低激光清洗的阈值,振荡作用更加明显,清洗效率更高。但是入射角也不宜过大,太大的入射角会降低作用在材料表面的能量密度,减弱激光的清洗能力。

4激光清洗的应用与未来展望

激光清洗目前已广泛应用在众多工业领域中,包括航空航天、高铁、汽车、船舶、半导体、模具和核电等。部分应用案例如下:

激光除漆

激光除漆可以应用于飞机、高铁等检修过程中的表面脱漆以及一些精密脱漆应用。在应用过程中需要注意激光对基材表面的损伤,选用合适的光源和外光路设计。在航空铝合金表面的除漆应用中,还要防止对铝合金表面阳极氧化膜的破坏,要保证在激光除漆的同时保护铝合金表面的阳极氧化膜。在进行大面积除漆时,满足一定的清洗效率也是开展生产应用的前提。

激光除锈

在很多大型钢结构、装备、基础设施的制造过程中,使用到大量的钢材。在钢材的运输和存放过程中,由于跟潮湿环境的接触、跟汗液的接触或跟其它腐蚀介质的接触,很容易在表面产生锈蚀。对局部的锈蚀,采用激光清洗技术是一种很好的选择。采用200W的MOPA脉冲光纤激光器进行除锈,效率可达到5-20平米/小时(视锈蚀程度而定),清洗样品如下图所示。

激光除锈样品

模具清洗

复合材料模具、轮胎模具和其他橡胶制品模具在使用过程中的定期清理可以采用激光清洗技术替代传统的人工打磨、干冰清洗或喷砂清洗等,以此来提高效率或降低成本。以轮胎模具清洗为例,采用激光清洗可使其在效率基本相当的情况下,使用成本不到干冰清洗的1/10。模具清洗的案例如下:

模具清洗样品

除上述应用外,激光清洗技术在焊接预处理、涂镀层去除、油污清理等许多工艺上均有应用,很难逐一列举。总体上来讲,由于我国在研究与应用方面开展比欧美国家晚,在工业应用方面是落后于欧美国家的。据公开资料显示,美国已经将激光清洗技术成熟运用于F-16战斗机和C-130运输机的表面清洗中,英国罗罗公司生产的航空发动机中超几十个钛合金零部件的表面清洗技术都是采用激光清洗。而类似的应用,我们国内还处在初期的试验阶段,但由此也可以看出,大力发展激光清洗技术很有必要,也很有前景。

大规模应用激光清洗技术还存在以下几个问题:

第一,价格贵,设备前期投资高,有很多行业和用户用不起。很多传统制造业,面对动辄几十万或者上百万的价格,往往是望而却步。

第二,激光清洗相比传统的清洗技术,比如喷砂和化学清洗的方式,效率还比较低。还有待开发更高功率的激光清洗设备,以实现高效的清洗过程。

第三,针对高端的应用,缺少相应的工艺和配套的完整解决方案,行业需要吸纳更多包括激光应用、自动化、智能检测、软件等在内的专业人才。

在先进制造成为国际竞争焦点的情况下,作为先进的激光应用技术,大力推动激光清洗技术的发展,既符合国家战略,又能带来实实在在的社会经济效益。随着技术不断地更新,市场应用的不断深入,上述问题可以得到很好地解决。激光清洗技术在工业领域应用潜力巨大,可以预见的市场体量也非常之大,未来将会成为最重要的激光应用技术之一。

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