導(dǎo)讀

伴隨著我國綠色制造的深入推進(jìn)，工業(yè)清洗得到了蓬勃的發(fā)展，其對整個制造業(yè)品質(zhì)的提升非常關(guān)鍵。在此大背景下，傳統(tǒng)的表面清洗方法如機(jī)械摩擦、化學(xué)腐蝕、高頻超聲波等，雖然滿足了性能要求，但對基體產(chǎn)生了損傷，也對環(huán)境造成了污染，已無法滿足綠色制造發(fā)展的需求。激光清洗作為一種理想的綠色清洗技術(shù)，不僅具有廣泛的適用性，還便于集成智能化設(shè)備，必將給清洗工業(yè)帶來變革。本文梳理了三種典型的激光清洗方法，總結(jié)了激光清洗相關(guān)的機(jī)理。同時，闡述了面向航天航空、船舶建造、軌道交通等領(lǐng)域開展的激光清洗應(yīng)用進(jìn)展。根據(jù)近年來國內(nèi)外院校和企業(yè)在激光清洗系統(tǒng)、設(shè)備方面的科技成果，提出國內(nèi)激光清洗推廣應(yīng)用所面臨的瓶頸，展望了激光清洗技術(shù)在未來的發(fā)展方向。

研究背景

自20世紀(jì)60年代世界上第一臺激光器問世，激光憑借能量大、方向可控等特點(diǎn)開始應(yīng)用于材料表面處理。1969年，物理學(xué)家Bedair首次提出了激光清洗的概念，并成功使用功率密度為30 MW/cm2 的紅寶石調(diào)Q激光清除了硅片表面的污染物，這也是干式激光清洗的最初應(yīng)用；1974年，加利福尼亞大學(xué)的學(xué)者Asmus開展了利用激光修復(fù)雕塑等藝術(shù)品的研究工作，驗(yàn)證了激光清洗用于文物保護(hù)的可行性；20世紀(jì)80年代，美國國際商業(yè)機(jī)器公司利用激光成功去除了掩模板表面附著的微米級的污染顆粒，化解了傳統(tǒng)清洗無法清除微小顆粒的難題；到了90年代，研究人員開始意識到激光清洗在工業(yè)發(fā)展中的巨大應(yīng)用價值，逐步開展了對激光清洗技術(shù)的研究和設(shè)備的研發(fā)。

目前，歐美一些發(fā)達(dá)國家的激光清洗技術(shù)已在航空、船舶、汽車和模具等領(lǐng)域得到良好的應(yīng)用。我國對激光清洗技術(shù)的研究和設(shè)備開發(fā)起步較晚，由于工藝?yán)碚撗芯坎蛔阋约皣�外高端裝備封鎖等原因，激光清洗的工業(yè)應(yīng)用仍處于起步階段。

主要內(nèi)容

本文首先介紹了三種典型的激光清洗方法及其機(jī)理，其中干式激光清洗目前的使用最為廣泛，該方法利用高能量激光直接輻照在基體表面，使污染物或基體產(chǎn)生瞬時熱膨脹后克服二者間的結(jié)合力，或是使污染物直接汽化揮發(fā)，以達(dá)到清洗的效果。濕式激光清洗通過液膜起輔助作用，用于去除一些較難清除的附著物。等離子沖擊波清洗通過激光束的匯聚，將焦點(diǎn)處的空氣電離，電離產(chǎn)生的沖擊波擴(kuò)張延伸與微粒接觸，使微粒受到?jīng)_擊后滾動去除。

圖1 激光清洗的方法及原理

隨后，概括了國內(nèi)外激光清洗技術(shù)在在航空航天、船舶建造和軌道交通三個領(lǐng)域的研究應(yīng)用進(jìn)展，總結(jié)得出近年來我國對激光清洗技術(shù)的研究在清洗機(jī)理、工藝等方面取得了長足的進(jìn)步，一些自主研發(fā)的裝備已投入工業(yè)生產(chǎn)。但與國外相比，許多領(lǐng)域的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，由于大功率短脈沖激光器和高速掃描振鏡等核心部件被國外壟斷，阻礙了高效激光清洗成套裝備的開發(fā)，現(xiàn)有裝備在面對一些大面積頑固污染物時，難以滿足清洗質(zhì)量和清洗效率的雙重要求。此外，清洗設(shè)備的穩(wěn)定性和靈活性還有待進(jìn)一步提高，以適應(yīng)更復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。

圖2a  ARLCRS系統(tǒng)對F16戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行激光除漆

圖2b  激光清洗爬壁機(jī)器人

最后梳理了近年來研究人員在激光清洗系統(tǒng)優(yōu)化方面所取得的一些關(guān)鍵性技術(shù)突破：

①激光復(fù)合清洗：當(dāng)前的激光清洗系統(tǒng)大多采用單一激光束進(jìn)行加工 (連續(xù)或脈沖)，而在面對一些較厚的污染層時，單一激光清洗往往會暴露出各自的缺陷。通過復(fù)合利用連續(xù)激光高效率和脈沖激光高精度的特點(diǎn)，可以在提高激光清洗效率的同時保證表面質(zhì)量。

②掃描路徑優(yōu)化：二維激光清洗主要以打標(biāo)式的填充模式進(jìn)行逐行掃描，易造成邊緣區(qū)域過度燒蝕，最終留下焦深印痕。通過采用螺旋掃描路徑，同時引入隨機(jī)偏擺因子，可減少出現(xiàn)未燒蝕與重復(fù)燒蝕現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)整體均勻清洗。

③曲面激光清洗：現(xiàn)階段的激光清洗設(shè)備仍以手持式為主，或采用移動平臺實(shí)現(xiàn)二維平面清洗，在面對曲面等復(fù)雜表面時，難以保證清洗時激光同步聚焦。學(xué)者們提出了基于三維掃描的清洗路徑自動規(guī)劃、利用以太網(wǎng)通信和激光測距儀實(shí)現(xiàn)了曲面隨形聚焦。

④在線檢測技術(shù)：目前，針對激光清洗質(zhì)量的評定方法多為離機(jī)器檢測，需要花費(fèi)大量時間。由此演化出了基于聲、光、光譜和圖像等信號的在線檢測方法，均能對一定情況下激光清洗進(jìn)程監(jiān)測，但各有其明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖3 機(jī)器視覺技術(shù)快速、高效識別銹蝕

結(jié)論

據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的統(tǒng)計報告顯示，預(yù)計到2022年底我國工業(yè)清洗行業(yè)的規(guī)模將突破千億元，而激光清洗目前的市場占比僅為1% 左右，化學(xué)清洗和機(jī)械清洗仍是工業(yè)應(yīng)用最多的兩種清洗方式。雖然激光清洗還無法大范圍取代傳統(tǒng)清洗技術(shù)，但是隨著激光技術(shù)的進(jìn)步和環(huán)保法規(guī)要求的提高，激光清洗終將在更多領(lǐng)域大有作為，而且激光制造是我國 “十三五”期間的重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域，激光清洗技術(shù)作為激光制造技術(shù)大領(lǐng)域中的一個分支，在工業(yè)生產(chǎn)中的作用會越來越大，積極發(fā)展激光清洗技術(shù)對提高我國高端激光制造水平、國際競爭力的大幅提升、經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

團(tuán)隊介紹

江蘇大學(xué)表界面科學(xué)與技術(shù)研究所及緊密圍繞表界面科學(xué)與工程領(lǐng)域的高性能、自動化、綠色化和節(jié)能降耗發(fā)展主題， 跟蹤當(dāng)今國際上激光技術(shù)發(fā)展的趨勢，在激光沖擊強(qiáng)化成形、界面強(qiáng)度激光檢測、光電子功能材料與器件先進(jìn)制備和激光表面工程及快速制造等方面的研究具有鮮明特色，并取得了一批高水平的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果。通過“內(nèi)求精干，外聯(lián)合作，服務(wù)社會”，逐步形成較好的研究特色和行業(yè)影響。

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