激光清洗的發(fā)展趨勢和目前的技術(shù)狀況

　1　引　言

　　在工業(yè)生產(chǎn)、古文物和藝術(shù)品保護以及牙齒疾病的治療中，常常需要用到清洗技術(shù)。 工業(yè)制品的電鍍、磷化、噴涂、焊接、包裝以及集成線路裝配過程中，必須除去表面上的油脂、灰塵、銹垢及殘留的溶劑、粘結(jié)劑等污物，以確保下道工序的質(zhì)量。由于環(huán)境污染和保 護不善等原因，大量文物和珍貴藝術(shù)品正逐漸銹蝕和污損，有的已被完全破壞，這就有必要采取措施除掉文物表面的污垢及銹蝕，恢復其舊貌。

　　傳統(tǒng)的清洗方法包括機械清洗法、化學清洗法和超聲波清洗法，盡管它們在清洗行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，但在環(huán)境保護和高精度要求下其應(yīng)用受到很大的限制。機械方法無法滿足高清潔度清洗要求，而化學清洗方法容易導致環(huán)境污染，獲得的清潔度也很有限;特別是當污垢成分復雜時，必須選用多種清洗劑反復清洗才可能滿足表面清潔度的要求。超聲波清洗法盡管清洗效果不錯，但對亞微米級污粒的清洗無能為力，清洗槽的尺寸限制了加工零件的范圍和復雜程度，而且清洗后對工件的干燥亦是一大難題。激光清洗技術(shù)是近十年來飛速發(fā)展起來的新型清洗技術(shù)，它因自身的許多優(yōu)點在許多領(lǐng)域中正逐步取代傳統(tǒng)清洗工藝。它能適應(yīng)各種表面污物的清洗，對環(huán)境污染極小，也可以做到不損傷基體。目前該方法已成為傳統(tǒng)清洗方法的補充和延伸，并因其固有的許多優(yōu)點而展示了廣闊的應(yīng)用前景。

　　2　激光清洗技術(shù)的分類和特點

　　激光清洗技術(shù)是指采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、銹斑或涂層發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離，從而達到潔凈化的工藝過程。

　　與傳統(tǒng)清洗工藝相比，激光清洗技術(shù)具有以下特點：(1)它是一種“干式”清洗，不需要清潔液或其他化學溶液，且清潔度遠遠高于化學清洗工藝;(2)清除污物的范圍和適用的基材范圍十分廣泛;(3)通過調(diào)控激光工藝參數(shù)，可以在不損傷基材表面的基礎(chǔ)上，有效去除污染物，使表面復舊如新;(4)激光清洗可以方便地實現(xiàn)自動化操作;(5)激光去污設(shè)備可以長期使用，運行成本低;(6)激光清洗技術(shù)是一種“綠色”清洗工藝，消除的廢料是固體粉末狀，體積小，易于存放，基本上不污染環(huán)境。

　　激光清洗的方法一般有四種：(1)激光干洗法，即采用脈沖激光直接輻射去污;(2 )激光+液膜的方法，即首先沉積一層液膜于基體表面，然后用激光使液膜發(fā)生爆炸去污; (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;(4)用激光使污物 松散后，再用非腐蝕性的化學方法去污。目前在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用前面三種清洗方法，其 中激光干洗法取激光+液膜清洗方法用得最多;第四種方法僅見于藝術(shù)品的清洗保護中。

　　3　激光器的選擇

　　利用激光進行清洗時，激光器的選擇關(guān)系著后續(xù)的 清洗工作，所以激光器的選擇極為重要。目前激光器的種類比較多，如CO2激光器、Nd：YAG 激光器和準分子激光器等，這幾種激光器都可以實現(xiàn)激光清洗，但激光器的選擇還是有規(guī)律可循，一般來說，在高精度的要求高于大體積清除或成本的要求時，準分子激光器是較為合適的工具;在其他情況下則以CO2和固體激光器為佳。對于微電子工業(yè)來說，一般選用準分子激光器，如KrF準分子;對于模具的清洗則采用CO2或YAG激光器比較好;而對于激光敷層的清除，CO2激光器的效果最好，特別是TEA CO2激光器在這一領(lǐng)域極具發(fā)展前途;由于CO2激光器不能用光纖傳送，遠程清洗應(yīng)用受到很大限制，這為YAG激光器的應(yīng)用提供了廣闊的空間。另外，如果事先知道表面污染物的成分，則可以根據(jù)污染物最佳吸收波長來選擇激光器的種類。

　　4　激光清洗機原理

　　激光清洗機原理主要是基于物體表面污染物吸收激光能量后，或汽化揮發(fā)，或瞬間受熱膨脹而克服表面對粒子的吸附力，使其脫離物體表面，進而達到清洗的目的。目前對激光清洗的機理存在著一些分歧，但大多數(shù)機理都能對激光清洗實驗中的一些現(xiàn)象進行合理的解釋，歸納起來大致包括激光汽化分解、激光剝離、污物粒子熱膨脹、基體表面振動和粒于振動四個方面;而且激光清洗常常是多種機理同時作用的結(jié)果。

　　而本文作者根據(jù)大量的實驗結(jié)果分析認為，激光清洗機理根據(jù)表面附著物和基體熱物理參數(shù)差別大小而有所不同。當表面附著物與基體材料的熱物理參數(shù)差別較大時，激光清洗機理包括：燒蝕汽化、熱振動與熱沖擊機理和聲波振碎機理，如激光清洗漆層和橡膠層。當表面附著物與基體材料的熱物理參數(shù)差別不大時，主要是燒蝕汽化機理在起作用，如激光除銹。

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　　5  激光清洗實例

　　(1)激光清洗圣壇上的圣像

　　意大利的Albertino圣壇建于14世紀中葉，由于經(jīng)歷的時間很長，圣壇上的圣像表面 覆蓋了一層幾毫米厚的碳黑和灰泥層，嚴重影響了文物的外觀。為了恢復圣像的古色，必須采用清洗手段去除表面的硬殼層，文物單位最后確定由意大利和奧地利兩國專家采用激光清 洗技術(shù)來實現(xiàn)。他們采用的激光器的波長為1064nm，脈沖寬度小于10ns，激光光斑的直徑大 于2.5mm，能量為1200mJ，激光采用光纖傳輸，實現(xiàn)了圖像的遠程大面積清洗，清洗效率達到1～1.5m2/天，清洗后恢復了圖像的古色舊貌。

　　(2)激光清洗模具

　　我們采用Q開關(guān)Nd：YAG脈沖激光器，波長為1064nm，脈沖寬度為200ns，激光光斑的直徑為0.09mm，能量密度為0～85.0J/cm2，激光掃描速度范圍為0～2000mm/s，對輪胎印字模具和汽車輪胎模具表面覆蓋的橡膠層進行了激光清洗，橡膠層的厚度為16μm。實驗中采用的掃描速度為300mm/s，在71.2J/cm2的能量密度下實現(xiàn)了對模具表面橡膠層的完全清洗，而對模具基材表面無任何損傷，清洗效率為0.4m2/天。

　　6  激光清洗技術(shù)的展望

激光清洗技術(shù)近兩年發(fā)展很快，不論是對激光清洗的工藝參數(shù)和清洗對象的研究或是應(yīng)用方面的研究都取得了很大的進展。然而激光清洗技術(shù)在經(jīng)過大量理論方面的研究后，其研究重心正不斷偏向于應(yīng)用方面的研究，并在應(yīng)用方面取得了可喜的成果。由于激光器及其配套硬件的費用較高，使激光清洗技術(shù)的應(yīng)用范圍受到極大的限制，特別在低成本對象的清洗中還難以承受。今后激光清洗技術(shù)在文物和藝術(shù)品的保護方面將得到更廣泛的應(yīng)用，其市場前景非常廣闊。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，如果激光器及其硬件的成本不斷下降，該項技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用也將成為現(xiàn)實，其應(yīng)用范圍也會隨之拓寬。