朱國(guó)棟，王守仁* ，成巍，王高琦 ，任遠(yuǎn)

(1.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250022)

金屬表面處理是工業(yè)生產(chǎn)制造過(guò)程中重要的一環(huán)[1]，包括去除表面銹、漆、氧化膜、涂層、積碳、微粒和其他污物以及提高表面性能等[2]。傳統(tǒng)的表面處理方法有機(jī)械摩擦、化學(xué)腐蝕、液體固體沖擊和高頻超聲波等，雖然滿足了性能要求，但對(duì)基體產(chǎn)生了損傷，也對(duì)環(huán)境造成了污染[3]。而激光清洗具有無(wú)研磨、非接觸、效率高和適用于各種材質(zhì)的物體等清洗特點(diǎn)，被認(rèn)為是汽車制造、飛機(jī)除漆、電子工業(yè)、文物保護(hù)等許多領(lǐng)域最可靠、最有效的解決辦法[4]。同時(shí)，激光清洗可以解決一些采用傳統(tǒng)清洗方式無(wú)法解決的問(wèn)題，如采油設(shè)備、核設(shè)施以及口香糖殘跡等的無(wú)害化處理[5]。在我國(guó)要求大力發(fā)展綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)的大環(huán)境下[6]，激光清洗技術(shù)開始應(yīng)用于金屬表面處理中。

激光技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代[7]，因其不接觸工件且對(duì)工件無(wú)污染、能量集中、精確細(xì)致的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于激光加工、激光測(cè)距等領(lǐng)域的應(yīng)用[8]。直至20世紀(jì)80年代，激光清洗技術(shù)的研究開始應(yīng)用于古代藝術(shù)品、雕塑的修復(fù)與保養(yǎng)。此后的幾十年里，激光清洗逐漸應(yīng)用于各種金屬材料上，技術(shù)日漸成熟。激光清洗靈活性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、清洗質(zhì)量好、效率高[9]，其應(yīng)用進(jìn)一步拓展到了眾多工業(yè)加工領(lǐng)域，尤其是在一些諸如精密零件加工、武器裝備保養(yǎng)等特殊領(lǐng)域，既可以清洗有機(jī)的污染物，也可以用來(lái)清洗無(wú)機(jī)物[10]。國(guó)外因有較多的古建筑和文物需要長(zhǎng)期維護(hù)，激光清洗技術(shù)起步較早。我國(guó)激光清洗技術(shù)的起步較晚[11]，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，已經(jīng)取得了顯著的成果，研制出的激光器在體積、功率、清洗速度、清洗質(zhì)量上有了質(zhì)的提升，應(yīng)用更加廣泛。但與國(guó)外相比，我國(guó)的激光清洗技術(shù)基本處于實(shí)驗(yàn)室階段[12],還沒(méi)有形成成熟的體系，實(shí)際應(yīng)用并不多。2018年，激光清洗在脫漆除銹、模具清洗、文物保護(hù)、微電子器件等領(lǐng)域的全球市場(chǎng)價(jià)值已達(dá)到5.89億美元[13]，隨著激光器的成本不斷下降，該技術(shù)的普及將成為現(xiàn)實(shí)。本文通過(guò)綜述激光清洗在金屬表面處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了目前該項(xiàng)技術(shù)存在的問(wèn)題，以期為我國(guó)激光清洗的規(guī)模化應(yīng)用提供參考。

1 激光清洗的機(jī)理與特點(diǎn)

激光清洗過(guò)程實(shí)際上是光與物質(zhì)之間的相互作用[14]，其中包括了一系列的物理化學(xué)變化。研究表明，污染物和其所附著的物體表面之間的結(jié)合力主要有共價(jià)鍵、雙偶極子、毛細(xì)作用、氫鍵、范德瓦耳斯力和靜電力,其中范德瓦耳斯力、毛細(xì)作用、靜電力最難破壞[15]。激光清洗就是利用激光輻射基體表面，使基體表面的污物通過(guò)蒸發(fā)、破碎剝離、振動(dòng)彈出的方式脫離下來(lái)，從而達(dá)到清洗基體的目的。常見(jiàn)的金屬材料在不同種類激光波長(zhǎng)下的吸收系數(shù)如表1所示。

表1 金屬材料在不同種類激光波長(zhǎng)下的吸收系數(shù)

目前，激光清洗的方法主要有4種[16-17]：

(1)激光干洗法。即不采用輔助方法，采用激光直接輻射基體去污，主要適用于常見(jiàn)的脫漆除銹及工業(yè)生產(chǎn)中的金屬表面處理。

(2)激光濕洗法。即先在基體表面覆蓋一層液膜作為能量交換介質(zhì)，再用激光輻射去污，主要適用于文物的修復(fù)。

(3)惰性氣體法。即在使用激光干洗法的同時(shí)，將惰性氣體吹向基體表面，避免清洗過(guò)的表面被二次污染，主要適用于航空、航天及精密機(jī)械材料的清洗。

(4)非腐蝕化學(xué)法。即先使用激光輻射基體表面將污物半脫離，再用非腐蝕方法去除污物，主要適用于石質(zhì)材料的清洗[18]。

激光清洗的特點(diǎn)主要有[19]：

(1)激光清洗是一種綠色清洗技術(shù)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染；

(2)激光清洗是非接觸清洗，能夠輕易清洗常規(guī)方法較難清洗的復(fù)雜零件，且對(duì)基體表面無(wú)機(jī)械作用力，可有效減少二次污染；

(3)穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度高，清洗的質(zhì)量和效率優(yōu)于常規(guī)清洗方法。

2 激光清洗的應(yīng)用研究進(jìn)展

2.1 激光清洗在金屬表面脫漆除銹中的應(yīng)用

金屬的銹蝕無(wú)處不在[20]，每年都需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力去去除金屬表面的銹蝕層[21]，在船舶、汽車、航天飛機(jī)的維護(hù)中，需要完全清洗原有的漆層以便噴涂新油漆[22]。因此，尋找一種有效的方法去除金屬表面的銹層及漆層成為了大家所關(guān)注的問(wèn)題[23]。傳統(tǒng)的脫漆除銹方法主要是機(jī)械和化學(xué)方法[24]，不僅耗費(fèi)較多的勞動(dòng)力，產(chǎn)生的粉塵對(duì)人體和環(huán)境也有危害。利用一定功率密度的激光照射銹層或漆層，可以使其產(chǎn)生氣化和振動(dòng)剝離，從而有效地從金屬表面脫離下來(lái)，且?guī)缀鯇?duì)金屬無(wú)損耗。

早在20世紀(jì)60年代[25]，國(guó)外對(duì)激光清洗技術(shù)有了初步研究。1983年，Mallets[26]對(duì)航空物流中心的飛機(jī)進(jìn)行激光脫漆，并對(duì)激光脫漆程序進(jìn)行可行性論證和模型優(yōu)化。1997年，Ashidate等[27]首次運(yùn)用Nd:YAG激光器對(duì)輸電塔進(jìn)行脫漆除銹實(shí)驗(yàn)，討論了不同脈沖寬度情況下最佳剝離參數(shù)的不同，在200 ns時(shí)最佳輻照參數(shù)為3.3 ～4.4 J/cm3，基本不會(huì)對(duì)鍍鋅鋼基體產(chǎn)生損傷。2013年，為了避免對(duì)基體表面存留的激光燒蝕產(chǎn)物進(jìn)行再處理，Madhukar等[28]研究了一種水射流輔助激光除漆工藝，在提高清洗后表面光潔度的同時(shí)減少激光能量的吸收損失。我國(guó)對(duì)于激光脫漆除銹的研究開始于20世紀(jì)80年代。1980年，阮國(guó)強(qiáng)[29]采用一定功率密度的激光照射鋼鐵表面的銹蝕，發(fā)現(xiàn)激光可以高效地將銹蝕完全去除。由于條件有限，對(duì)激光清洗的研究?jī)H限于實(shí)驗(yàn)室研究方面。直到近十年，激光清洗在國(guó)內(nèi)才有了大量的應(yīng)用。2002年，徐軍等[30]利用激光除銹過(guò)程中產(chǎn)生的聲波隨清洗程度變化的特性，提出了其可作為除銹過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)。2006年，田彬等[31]對(duì)不同程度的鐵銹進(jìn)行了激光清洗試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了不同銹蝕程度的樣品其所適應(yīng)的清洗閾值均不相同，并且證明提高激光的重復(fù)頻率比增強(qiáng)激光的輻照密度清洗效果更佳。近幾年，激光清洗相關(guān)研究發(fā)展十分迅速，2019年，齊先勝等[32]通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，對(duì)高速列車集電環(huán)試樣進(jìn)行激光除銹，大大提高了高速列車的行車安全。劉帥[33]對(duì)納秒脈沖激光與Q235和45鋼表面銹蝕層的相互作用機(jī)理進(jìn)行研究，揭示了納秒脈沖激光除銹機(jī)理，對(duì)提高遠(yuǎn)洋設(shè)施的壽命和可靠性具有重要意義。常明等[34]采用脈寬為10 ps的激光對(duì)熱軋Q235鋼板進(jìn)行了除銹工藝試驗(yàn)研究，證明了高、低能量密度交替的清洗方式可以獲得比固定參數(shù)清洗更好的清洗效果，并得到了最優(yōu)除銹參數(shù)。陳浩[35]利用優(yōu)化參數(shù)，對(duì)比了清洗前后材料的性能及二次涂覆油漆的性能變化，驗(yàn)證了激光清洗油漆技術(shù)的可靠性，為其在汽車行業(yè)的應(yīng)用提供了一種可靠的選擇。國(guó)內(nèi)由于激光清洗機(jī)理過(guò)于復(fù)雜且激光清洗機(jī)費(fèi)用較為昂貴，激光清洗在脫漆除銹方面所占的比例很低。國(guó)內(nèi)已廣泛應(yīng)用的激光器大多為中低功率，高功率激光器仍依靠進(jìn)口。激光除漆除銹作為一種綠色高效的清洗技術(shù)，相信隨著科技的發(fā)展，未來(lái)會(huì)有著廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 激光清洗在輪胎模具中的應(yīng)用

我國(guó)是世界第一輪胎生產(chǎn)大國(guó)，輪胎模具在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，因硫化作用使得模腔內(nèi)充滿了一層硫化物[36]，直接影響到輪胎的質(zhì)量，因此需要經(jīng)常對(duì)輪胎模具進(jìn)行清洗。傳統(tǒng)的清洗方法有噴砂清洗、干冰清洗、超聲波清洗和化學(xué)方法清洗等[37]，不僅降低了模具的精度，也對(duì)環(huán)境造成了一定的污染。利用激光清洗，可以清洗到傳統(tǒng)方法不易清洗到的位置，而且不會(huì)對(duì)輪胎模具金屬表面造成損傷，清洗效率高，能夠增加輪胎產(chǎn)量。由于橡膠并無(wú)氣化，因此不會(huì)產(chǎn)生有毒害的氣體，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

Anderson等[38]利用激光光學(xué)系統(tǒng)對(duì)輪胎的精度及磨損狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，為以后激光清洗應(yīng)用于輪胎模具打下了基礎(chǔ)。從20世紀(jì)80年代起，激光清洗便開始應(yīng)用于輪胎模具上[39]。Litchfield[40]通過(guò)比較激光清洗、干冰清洗以及氫化鈉化學(xué)清洗方法的清洗效果，提出可以將激光清洗用于航空航天模具中。2017年，Niroomand等[41]采用CO2激光器對(duì)輪胎模具及輪胎簾子線進(jìn)行表面處理，提高了輪胎的粘結(jié)性能和摩擦系數(shù)，從而降低爆胎的風(fēng)險(xiǎn)。由于國(guó)外的技術(shù)壟斷，進(jìn)入21世紀(jì)我國(guó)才將激光技術(shù)用于輪胎模具清洗。2000年，王澤敏等[42]研究了激光清洗輪胎模具的機(jī)理和工藝，證明了激光保持在完全清洗閾值和損傷閾值之間，可以很好地清洗輪胎模具而且基體不會(huì)受任何損傷。2009年，孫海迎[43]運(yùn)用不同功率、不同掃描速度的CO2激光器清洗輪胎模具，通過(guò)分析對(duì)比，確定了CO2激光清洗輪胎模具的最佳清洗閾值和損傷閾值。2018年，張自豪等[44]研發(fā)了一種脈沖YAG激光器來(lái)清洗輪胎模具，其主要性能指標(biāo)已經(jīng)與外國(guó)設(shè)備相當(dāng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了最佳激光輻照密度，并證明了YAG激光比CO2激光更有效。國(guó)內(nèi)用于輪胎清洗的激光清洗機(jī)大多為100 W以內(nèi)的小功率光纖激光器，其核心技術(shù)始終被德國(guó)所掌握，從而導(dǎo)致其價(jià)格一直居高不下。2018年，山東省科學(xué)院激光研究所研發(fā)了一種平均功率達(dá)180 W的Nd:YAG激光器，其功率遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)其他激光清洗機(jī)，實(shí)際應(yīng)用證明，該設(shè)備可以有效地去除硫化物和其他雜質(zhì)。目前，我國(guó)還是將干冰清洗作為清洗輪胎模具的主流方法，其主要原因一方面是干冰清洗技術(shù)的成熟度較高，另一方面還是由于激光清洗設(shè)備的投資回收期太長(zhǎng)。不過(guò)隨著激光技術(shù)的發(fā)展，在未來(lái)模具清洗應(yīng)用中將會(huì)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制，精密高效使其具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。

2.3 激光清洗在微型機(jī)械清洗中的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的的進(jìn)步，金屬微電子器件、光學(xué)器件及微型醫(yī)用設(shè)備的研究進(jìn)展迅速，其性能不斷優(yōu)化、尺寸也在不斷減小。即使是納米級(jí)的顆粒也會(huì)劃傷微型機(jī)械零件表面，對(duì)零件性能產(chǎn)生巨大的影響[45]。1987年，美國(guó)提出了微機(jī)電系統(tǒng)計(jì)劃，人類對(duì)微機(jī)械的研究進(jìn)入了新的階段[46]。自此，微型機(jī)械零件的清洗成為一個(gè)難題。傳統(tǒng)的機(jī)械、化學(xué)方法已經(jīng)不能滿足微型器件的清潔度要求，即使利用超聲波清洗也無(wú)法去除微米級(jí)的顆粒，人們開始嘗試用激光去除微型器件表面的污染顆粒并取得了成效。

利用激光去除微納米顆粒是利用顆粒吸收能量從而產(chǎn)生彈射，而基體不會(huì)吸收能量的機(jī)理。1992年，Lee等[47]利用CO2激光器去除表面微米級(jí)Al2O3顆粒，并以水為能量傳遞介質(zhì)避免損傷基體表面。2006年，宋峰等[48]利用濕式激光清洗方法成功清洗了微電子器件表面0.35 μm的Al2O3微粒，證明了激光清洗是一種去除微小顆粒的有效技術(shù)。2010年，吳堅(jiān)[49]利用激光微加工技術(shù)來(lái)對(duì)μ-TAS生化芯片中的微米級(jí)導(dǎo)管進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)了光譜檢測(cè)器件向微米級(jí)發(fā)展。2012年，Ye等[50]采用1064 nm激光有效去除了光學(xué)器件表面的SiO2顆粒，去除率為95%。2015年，Takahashi等[51]提出了激光輔助材料去除新概念，即利用激光輔助紫外線照射來(lái)實(shí)現(xiàn)微三維物體的納米尺度矯正。2016年，Ivanova等[52]提出了一種基于激光熱毛細(xì)效應(yīng)的納米粒子表面去除方法，該方法比脈沖激光清洗方法的工作溫度低，不會(huì)對(duì)表面造成任何損傷。2018年，Gu等[53]使用激光等離子體沖擊波去除光滑基體表面直徑為100 nm的鋁粒子，研究了不同激光聚焦與基體顆粒大小的影響，得到了最佳的去除條件。目前，微型機(jī)械的激光清洗雖然是一種有效的方法，但是對(duì)其清洗機(jī)制的研究還未成熟，且激光對(duì)不同的材料有不同的清洗閾值，因此有一定的選擇性。不過(guò)隨著技術(shù)的進(jìn)步，激光清洗在高新產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中必定占有重要席位。

2.4 激光清洗在金屬文物保護(hù)中的應(yīng)用

文物歷史悠久,其表面都附著著很難清除的污染物[54]。貴重文物(青銅器、金銀器等)表面的老化層已經(jīng)失去了機(jī)械強(qiáng)度和彈性，傳統(tǒng)的清洗方法極易劃傷文物表面，所以可以采用激光清洗代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法。清洗的機(jī)理與2.3節(jié)相似，一般通過(guò)選擇不同參數(shù)的YAG激光使金屬表面不同的污物吸收從而從基體上脫離下來(lái)，而基體本身不會(huì)吸收激光的能量。激光清洗采用了非接觸清洗方法，不損害文物且去除了文物表面的污物，是一種高度可控和精確的去除污垢層及已經(jīng)老化的保護(hù)材料的清洗方法[55-57]。

激光清洗技術(shù)最初的用途就是用來(lái)保護(hù)和修復(fù)文物的，歐美國(guó)家在20世紀(jì)80年代已經(jīng)將激光清洗技術(shù)用于古代典籍、雕塑等文物的保護(hù)。我國(guó)在也21世紀(jì)初對(duì)此展開研究，但研究對(duì)象大都為石質(zhì)文物，2003年，毛宗雄[58]對(duì)石材文物清洗技術(shù)展開了研究并取得了良好的效果。直至近幾年，激光清洗才用來(lái)清洗青銅器等文物。2009年， Mateo等[59]成功地利用Q開關(guān)Nd:YAG激光器去除黃銅藝術(shù)品表面的裝飾油墨以及腐蝕產(chǎn)物，并且不影響藝術(shù)品表面的光潔度。2013年，Lee等[60]利用波長(zhǎng)為1064 nm的Nd:YAG激光器成功去除鍍金青銅器表面的銅腐蝕物，但由于鍍金層的不均勻性，在表面仍存有部分殘留物，因此對(duì)鍍金層表面性能的研究和激光清洗應(yīng)用應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行。2016年，Palomar等[61]使用納秒q開關(guān)Nd:YAG激光器對(duì)純銀制品進(jìn)行激光去污，發(fā)現(xiàn)在不同波長(zhǎng)下銀制品的顏色和質(zhì)量會(huì)有不同的變化，而在532 nm可見(jiàn)光波長(zhǎng)下未出現(xiàn)這種現(xiàn)象，進(jìn)而確定了純銀文物的最佳清洗閾值。2017年，Bojana等[62]利用Nd:YAG激光對(duì)鍍銀銅絲民族志織物進(jìn)行了腐蝕激光清洗，證實(shí)了激光清洗技術(shù)比傳統(tǒng)的方法更有效。2019年，Raza等[63]采用準(zhǔn)分子激光清洗銀表面硫磺結(jié)殼，結(jié)果表明其可有效地去除硫化物的表面鑲嵌。目前為止，激光清洗在文物保護(hù)上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但也存在一些問(wèn)題，例如激光的各項(xiàng)參數(shù)選擇不當(dāng)，偏離于文物的清洗閾值，會(huì)使文物表面熔化導(dǎo)致微觀形態(tài)變化和光學(xué)反射變化，所以在清洗時(shí)最好加入一層液膜以作保護(hù)。相比其他保護(hù)文物的技術(shù)，激光清洗仍有著巨大的優(yōu)越性，我國(guó)對(duì)于此技術(shù)的研究剛剛起步，作為歷史悠久的文明古國(guó)，有大量的文物亟待保護(hù)，在今后的應(yīng)用前景是相當(dāng)大的。

2.5 激光清洗在其他方面的應(yīng)用

激光清洗除了能夠廣泛應(yīng)用在金屬表面處理中，還可將其作為工業(yè)設(shè)施的一種凈化技術(shù)。在核能工業(yè)中，不可避免地也會(huì)產(chǎn)生污染物，這些污染物通常是由不同種類的放射性元素組成的氧化物，為了保證核設(shè)施的安全性，對(duì)放射性化合物污染的清潔是十分重要的。在20世紀(jì)80年代初，美國(guó)能源部首次提出使用大功率激光來(lái)凈化核設(shè)施。20世紀(jì)90年代， Ames實(shí)驗(yàn)室使用準(zhǔn)分子激光器和Nd:YAG激光器來(lái)去除金屬表面的放射性氧化物。2003年，利物浦大學(xué)Delaporte等[64]使用Nd:YAG激光(6 ns)和氙氣閃光燈(200 ms)對(duì)放射性化合物進(jìn)行除塵研究。利用激光清洗對(duì)核設(shè)施進(jìn)行去污，產(chǎn)生的放射性廢料很少，是一種干燥、清潔的清洗工藝，并且適用于大面積的表面清洗，去污效率高，可以確保工作人員的安全，是一種很好的核凈化技術(shù)。

油田采油設(shè)備需要定期進(jìn)行清洗，但目前還沒(méi)有一種高效的綠色環(huán)保清洗方法。另外海上石油泄漏事件在近幾年發(fā)生頻繁，對(duì)儲(chǔ)油設(shè)備及海洋環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，這無(wú)疑增加了傳統(tǒng)化學(xué)清洗方法的困難性。20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家使用CO2激光清洗馬路表面殘留的燃料斑，針對(duì)石油顆粒的清洗技術(shù)開始得到發(fā)展[2]。2005年，Mateo等[65]對(duì)石油和底層材料的燒蝕閾值進(jìn)行了研究，證明激光可以清洗被石油泄漏污染的各種材料并在其表面不會(huì)殘留燃料。實(shí)驗(yàn)證明，激光清洗以其高效的清洗效率，完全可以應(yīng)用于大面積的表面處理，因此可以將此項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用在工業(yè)設(shè)施的凈化修復(fù)中。

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市環(huán)境對(duì)人們的影響不容忽視，圍墻、公園、旅游景區(qū)的亂涂鴉現(xiàn)象愈演愈烈，其清洗也比較困難。朱玉峰等[66]利用TEA CO2激光器用于清洗涂鴉，表明在一定激光能量密度下能夠?qū)崿F(xiàn)有效清除。激光清洗以其極強(qiáng)的適應(yīng)性，不僅應(yīng)用于金屬表面處理中，在其他領(lǐng)域應(yīng)用也十分有效，相信未來(lái)還能夠開發(fā)出更多不同材質(zhì)的清洗工藝。

3 目前激光清洗存在的問(wèn)題與未來(lái)發(fā)展方向

3.1 存在的問(wèn)題

激光清洗經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，其相關(guān)技術(shù)雖已趨于成熟，但因?yàn)榍逑礄C(jī)理過(guò)于復(fù)雜，還是存在如下問(wèn)題：

(1)激光清洗設(shè)備費(fèi)用高。目前國(guó)內(nèi)一臺(tái)普通的手持式激光清洗機(jī)的價(jià)格最低也要幾十萬(wàn)，高功率、自動(dòng)化程度高的激光設(shè)備要達(dá)到幾百萬(wàn)元，這也是激光清洗未得到普及的主要原因之一。

(2)對(duì)人體健康的隱患。雖然激光清洗是一種綠色環(huán)保的技術(shù)，但未來(lái)激光器必然朝著大功率的方向發(fā)展，激光產(chǎn)生的直射光和反射光會(huì)對(duì)人體眼睛和皮膚產(chǎn)生損害，尤其對(duì)眼睛損傷最大。目前，用于激光清洗所處的波段人類肉眼無(wú)法看到，這也增加了對(duì)人體健康的隱患。

(3)激光清洗的機(jī)理尚沒(méi)有完善，對(duì)很多材料的清洗效果尚未研究。不同的材料都有一個(gè)最佳清洗的閾值，這個(gè)閾值包括激光的波長(zhǎng)、功率、重復(fù)頻率、掃描次數(shù)等。若低于最佳閾值，會(huì)使基體表面污物清洗得不徹底；若高于最佳閾值，激光會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生燒蝕，在基體表面形成燒蝕孔，從而降低基體的表面性能及光潔度。目前，對(duì)此還沒(méi)有一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，在清洗不同的材料時(shí)還需不斷調(diào)整激光的參數(shù)，這無(wú)疑降低了清洗的效率。

(4)未實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的精密高效清洗。在清洗復(fù)雜零件時(shí)，因其多為不規(guī)則形狀，要不斷改變激光器的焦距來(lái)達(dá)到均勻輻照。但目前的激光清洗設(shè)備大多為手持式，或通過(guò)簡(jiǎn)單移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)二維精密清洗，既無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零件及大型構(gòu)件的精密高效清洗，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)于異形孔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。

3.2 未來(lái)發(fā)展方向

對(duì)于目前激光清洗所存在的問(wèn)題，未來(lái)可以從如下方向入手：

(1)激光清洗設(shè)備的核心在于激光器，降低激光器的成本是普及激光清洗的關(guān)鍵所在。 目前要實(shí)現(xiàn)激光清洗的低成本和大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)在不同工業(yè)領(lǐng)域加快推廣激光清洗技術(shù)，進(jìn)而調(diào)動(dòng)我國(guó)相關(guān)科研單位自主研發(fā)激光器的積極性，促進(jìn)激光清洗產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

(2)設(shè)計(jì)大功率激光清洗裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)清洗光路封閉，操作人員操作時(shí)穿戴防護(hù)服和護(hù)鏡，防止反射光照射人體。應(yīng)用不同參數(shù)的激光清洗時(shí)進(jìn)行安全級(jí)別劃分，優(yōu)化清洗工藝，同時(shí)增加指示光源，確定激光照射的位置，從而實(shí)現(xiàn)激光防護(hù)。

(3)建立一套完整的激光清洗機(jī)理是需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐的，目前可以建立不同材質(zhì)清洗過(guò)程的有限元模型進(jìn)行模擬仿真。通過(guò)對(duì)激光參數(shù)的數(shù)值模擬，可以得到不同激光參數(shù)對(duì)污物的清除效果以及熱燒蝕現(xiàn)象的影響 ，從而為研究激光清洗機(jī)理提供重要依據(jù)。當(dāng)前要對(duì)所有的材料都確定一個(gè)最佳清洗閾值還有很長(zhǎng)的路要走，可以在清洗的過(guò)程中加入介質(zhì)(如液膜)，從而避免超過(guò)清洗閾值對(duì)基體產(chǎn)生燒蝕。

(4)改進(jìn)現(xiàn)有移動(dòng)平臺(tái)，利用機(jī)械手與光纖傳輸，使移動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)三維移動(dòng)；在清洗過(guò)程中，通過(guò)對(duì)聲波、光譜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)清洗效果的在線評(píng)估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件及大型構(gòu)件的精密高效清洗。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，激光清洗技術(shù)以其環(huán)保、非接觸、穩(wěn)定高效的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外金屬表面處理等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。隨著激光器的不斷完善和成熟，以及激光清洗機(jī)理研究的不斷深入，激光清洗技術(shù)的應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊。同時(shí)，伴隨著“中國(guó)制造2025”計(jì)劃的實(shí)施，國(guó)家對(duì)綠色發(fā)展越來(lái)越重視，未來(lái)激光清洗有著更加強(qiáng)大的市場(chǎng)需求和發(fā)展?jié)摿Γ摷夹g(shù)的推廣應(yīng)用能夠促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)發(fā)展水平的全面提升。