激光清洗的机理研究进展

刘鹏宇，王宪伦，张则荣

(青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266100)

激光加工已广泛应用于各种工业领域，激光加工技术包括激光焊接、激光熔覆、激光清洗、激光切割、激光打孔等。其中激光清洗技术相比于机械打磨清洗、化学清洗、干冰清洗等传统的清洗方法，具有效率高、不损伤工件、对环境无污染的特点。激光清洗已在微颗粒清洗、油漆清洗、锈蚀清洗、轮胎模具清洗、文物清洗等众多领域得到应用，但其机理复杂，涉及多学科交叉领域，而且清洗对象众多、清洗条件多样、污物材质庞杂，目前尚无完备的理论模型对激光清洗过程进行完全解释[1]。学者们都是对激光清洗的应用进行综述，而未专门从清洗机理方面进行叙述，为此，本文简要介绍了激光清洗，主要针对不同材质污物的激光清洗机理进行梳理、概述。

激光清洗是利用能量高度集中的激光束辐照物体表面，使待除污物发生振动、燃烧、熔化、蒸发，从物体表面脱离的过程。激光辐照物体表面时会产生选择性蒸发、快速加热冷却、等离子体爆炸和剥离切除等作用[2]。目前学者们研究的清洗机理主要包括烧蚀、燃烧、熔化、气化、振动、膨胀、收缩、爆炸、飞溅、剥离、分解、降解、电离等物理化学变化[3]。

2.1 微颗粒

很多学者[4-10]对微颗粒激光清洗机理进行研究。微颗粒污物去除机理是激光产生的清洗力克服微颗粒污物与基体的黏结吸附力，使微颗粒污物被去除。根据激光清洗微颗粒时周围介质的不同，可将微颗粒清洗法分为干式激光清洗、湿式激光清洗及激光等离子体冲击波清洗。干式激光清洗是微颗粒或基体吸收激光能量后，两者分别或共同产生热膨胀，热膨胀产生振动清洗力，迫使微粒克服附着在基体上的吸附力，使其与基体表面分离。湿式激光清洗是使预先涂敷的液膜吸收激光产生爆炸性蒸发、强瞬态压强，使微颗粒与基体之间的吸附力被克服，颗粒污染物喷溅，从基体表面脱离。等离子体冲击波清洗是将待清洗基体与激光束平行放置，激光于焦点处汇聚，能量聚积可击穿周围空气介质时，生成等离子体小球，等离子体小球不断膨胀扩大产生冲击应力波，冲击波力大于微颗粒与基体间吸附力时，微颗粒污物脱离基体。

微颗粒污染物的吸附力主要包括毛细力、范德瓦耳斯力和静电力。毛细力由毛细作用产生，湿性环境中占主导，范德瓦尔斯力是一种弱电性吸引力，会使微颗粒产生形变，在干性环境中占主导，静电力主要包含静电接触力和静电镜像力。这些力远远大于微颗粒的自身重力，且传统的清洗方法很难去除。微颗粒污染物与基体的吸附力模型如图1所示。

图1 微颗粒污染物与基体的吸附力模型

干式激光清洗产生的热膨胀振动力，湿式激光清洗中液膜吸热产生的爆炸性瞬态蒸发力，激光诱导等离子体产生的冲击波压力，共同组成了激光去除微颗粒污染物的清洗力。当清洗力克服微颗粒污染物与基体间的吸附力时，微颗粒污染物发生膨胀、蒸发、飞溅、剥离，脱离基体而得到清洗。

赵乐[5]阐述激光干式清洗方法的清洗力理论模型：激光辐照微颗粒污染物或基体，其吸收能量产生热能，表面升温，产生热膨胀量，小的膨胀量在极短脉冲时间内产生巨大的瞬时加速度，通过牛顿第二定律即可得到清洗力。该清洗模型准确，用有限元软件对模型数值仿真，可以模拟激光清洗的过程；
但是他没有建立湿式激光清洗和激光等离子体清洗的模型，这是一定不足。W.Zapka[10]等通过实验表明，湿式激光清洗的机理是过热流体层的突然爆炸，产生的驱动力致使微颗粒移除。相比干式，湿式激光清洗的效率更高。

2.2 油 漆

学者们[11-13]研究发现激光的除漆机理主要是振动效应和烧蚀效应。2012年施曙东等通过模拟和实验发现在基体未发生损伤时，清洗机理是振动效应，而在基体产生损伤时清洗机理既包括振动效应，也包括烧蚀效应[14]。振动效应即激光辐照漆层与基体，快速的升温与冷却使漆层发生振动，漆层在振动作用下被移除，如图2所示，除漆的振动效应与微颗粒的热膨胀去除机理相似。烧蚀效应即激光辐照漆层，瞬时产生的高温使漆层直接烧蚀、消融、蒸发，如图3所示。

图2 振动效应原理图

图3 烧蚀效应原理图

Dan Savastru[15]等阐述了除漆主要是物理机制的拉伸、破坏、粉碎，而不是化学的燃烧，并详细介绍了烧蚀机制：当烧蚀量很小时，所达到的表面温度较低，不利于大块材料的蒸发，在低的通量下所吸收的能量仅能满足烧蚀小的颗粒；
在极高的强度下，大块材料被烧蚀，同时伴随着向目标表面垂直传播的强等离子体的产生；
随着激光通量的增加，表面消融和热应力产生。Dan Savastru 对烧蚀机制的清洗过程叙述十分详细。Zou Wanfang[16]等从热应力角度构建模型，解释了Nd: YAG纳秒脉冲激光清洗附着在铝、铁基底上的油漆机理：油漆表面吸收激光能量，温度上升，进而开始膨胀，在油漆上热膨胀产生热应力，油漆被激光移除的条件即热应力大于附着力。Zou Wanfang的油漆清洗机理与其他学者关于干式激光清洗微颗粒的机理是十分相似的。Zhao H[17]等通过研究分析，提出三种可能的对于聚丙烯酸酯树脂漆的剥离机理：燃烧反应，热应力振动效应和等离子体冲击效应。与其他学者关于油漆清洗机理相比，Zhao H额外引入了等离子体冲击效应。

2.3 锈 蚀

目前对锈蚀清洗机理，文献[18]阐明，研究人员提出的理论模型包括相互作用的四种。声波冲击机制，烧蚀机制，相爆炸机制及剥离机制。

王欢[19]等研究了激光除锈的物理化学机制，发现激光除锈机理会随锈层残留厚度的变化而改变。当锈蚀层厚度很大时，铁基体无法吸收激光，激光直接照射在铁锈上，因铁锈的热传导率低，激光照射的时间短，大量的热积累在短时间内于锈蚀表层产生，锈蚀表层通过烧蚀机制去除；
随着除锈工艺的进行，残留锈蚀层慢慢减薄，基体能吸收部分激光能量后，基体的热弹性膨胀机制将锈蚀层一次性整体去除，锈蚀去除由烧蚀机制转变为膨胀振动机制。李华婷[18]阐明激光清洗膜层可分为异质层激光清洗和同质层激光清洗，锈蚀清洗属于同质层激光清洗，她分别采用大功率和小功率激光进行二次清洗，实验发现激光功率较大时，锈蚀清洗机理是相爆炸机制，锈蚀中空气和水分受热而迅速膨胀产生爆破力，使船用钢锈蚀外层被去除；
激光功率较小时，锈蚀清洗机理是烧蚀蒸发机制，锈蚀吸收激光能量气化，内锈层得到去除。李伟[20]提出锈蚀分层去除模型，氧化铁锈蚀表层吸收激光能量，达到分解温度后，发生熔化机制，剥离去除；
锈蚀中间层内部的空气吸收激光能量后，受热膨胀爆炸，击碎锈蚀层，产生相爆炸去除机制；
锈蚀深层与基体吸收激光能量后，发生热弹性膨胀机制。以上几名学者，王欢认为除锈机制由烧蚀效应变为振动效应，李华婷是爆破机制到烧蚀机制，李伟认为是熔化剥离机制到相爆炸机制，再到热弹性膨胀机制，三位的研究是有差异的。

Michel[21]等研究了对波长透明质氧化层和对波长吸收质氧化层的清洗机理，对于透明介质氧化层，如不锈钢表面的Cr2O3，热机械作用是主要机理，导致界面断裂和裂纹氧化层的剥落；
对于吸收介质氧化层，如纯铁上的Fe3O4，烧蚀机理是主要作用机理。张光星[22]总结众多学者的研究，将除锈和除漆的清洗机理概括为冲击效应，蒸发效应以及振动效应。佟艳群说明脉冲激光清洗金属氧化物的机理复杂，激光辐照后，加热的氧化层表面由固态转为液态、气态、等离子态，多种状态共存，同时存在各种热力学、动力学、光学等非寻常的不平衡瞬态过程，详尽研究清洗氧化物的微观机理还有些困难[23]。

2.4 模具表面污垢

王泽敏[24]等阐明激光清洗模具表面橡胶的机理为：激光辐照产生的高温使橡胶表层瞬间燃烧和气化，激光脉冲产生的热冲击作用和橡胶深层的振动使橡胶颗粒溅射。周桂莲[25]、弓宁满[26]阐明轮胎模具的激光清洗原理是模具基体与表面污垢对特定波长的激光能量吸收系数差别很大，激光能量被表面污垢所吸收，而模具不吸收，使表面污垢受热汽化、挥发，或瞬间膨胀，从而脱离模具表面。孔令兵[6]说明可利用脉冲激光的高频率特性，迅速重复冲击模具表面，激光束转换成声波，声波在冲击模具硬表面后折返，折返声波再与橡胶污垢表面的入射声波发生相互干涉作用，如岸边的海浪一般，产生共振波，使模具表面污垢发生振动、微小爆裂，从而脱离。张清华[27]对激光清洗轮胎模具进行有限元数值模拟，分析模具的温度场分布及位移场分布情况，得出其清洗机理为瞬时热应力、热位移引起的基体热振动效应和超高激光能量产生的烧蚀效应。弓宁满关于模具清洗机理的研究只说明瞬间受热汽化蒸发，有些片面；
王泽敏和孔令兵的研究不仅包含瞬间受热气化蒸发，而且包含热冲击、共振等作用机理，更完善一些。

王超群[28]阐明模具激光清洗原理除激光脉冲振动去污外还包括光分解、光剥离。模具表面污垢包括硫化物、无极氧化物、硅油、炭黑等，其分子中存在多种化学键，当激光光子能量大于污垢化学键能时，激光的光分解、光剥离可清洗掉有机污垢。王超群的研究中激光脉冲作用机理与其他学者相同，而从光子能量和污垢化学键能角度叙述清洗模具污垢机理，十分新颖。D.J.Kong[29]等研究表明橡胶硫化污物与基体之间黏结力的克服通常是三种方式，激光脉冲振荡产生力学共振致橡胶剥离、橡胶颗粒热膨胀、橡胶分子光解和转换。其克服黏结力的论说机理和微颗粒清洗机理相似。

2.5 其 他

Watkins[30]在文献中说明文物的污物清洗机制可能有选择性蒸发，迅速膨胀，光热分解，剥蚀去除[31]。宋峰[32]说明对于激光清洗绘画的基本原理是：化作表面的污染物吸收光能，产生吸热膨胀导致的光剥离和化学键断裂引起的光分解，最后从绘画表面脱落；
对于雕塑或古建筑，其激光剥除机制为选择性分解蒸发以及由超声波引发的分裂。齐扬[31]对云岗砂岩表面的粉尘沉积污物和烟熏污物进行了干式和湿式的激光清洗，说明其清洗机理是污物温升产生的热应变，液膜蒸发气化产生的爆破压力等。叶亚云[33]等用CO2激光对镀金光栅表面的硅油进行清洗，机理是激光辐照产生的热效应使硅油汽化蒸发，脱离光栅表面。Kolar J[34]等使用Nd:YAG激光对受污染纤维素纸张进行了辐照清洗，实验表明辐照后纤维素纸质无明显变化，污染物变色降解。

本文简单介绍了激光清洗，对不同材质污物的激光清洗机理进行了概述。微颗粒的激光清洗机理是不同激光清洗方法产生的清洗力大于微颗粒污物与基体的吸附力。油漆的激光清洗机理与锈蚀的是很相似的，清洗机制中都包含振动效应及烧蚀效应，但油漆属于异质膜层清洗，锈蚀属于同质膜层清洗，两者又是不同的，锈蚀的清洗机制会随着锈蚀厚度的减少而变化，不同学者对机制变化的研究是有差异的。模具表面污垢清洗机理为高温受热瞬间的蒸发气化与干涉声波产生的力学共振。激光清洗的机理复杂多样，学者们进行了大量的研究，正慢慢完善。