随着科技的进步，高端制造业对零件表面洁净度的要求越来越高，以满足诸如航空、航天、航海等精密装备的焊接性能，以及延长装备的维护和使用周期。表面清洗技术不仅影响着产品的美观和加工难易度，还直接制约着产品的安全性、稳定性等。相比于传统的机械打磨、化学法、干冰处理等方法，激光清洗技术具有不损伤工件、对环境无污染、效率高等诸多优点。目前激光清洗技术已实现在微颗粒、锈蚀、油漆等去除，以及轮胎模具、文物清洗等众多领域的应用。本文阐述了激光清洗的基本原理和分类，总结了文物保护、工业生产等各领域典型材料表面激光清洗技术的研究和应用进展，以期为激光清洗技术的推广应用提供理论基础。

1激光清洗简介

1.1 激光清洗原理

如图1所示，激光清洗是利用高能脉冲激光及振镜快速扫描工件表面，使表面的油污、锈蚀或涂层等发生蒸发、振动破碎或烧蚀挥发，进而高速有效地清除材料表面附着物的新型绿色清洗技术1]。不同基体激光清洗过程所涉及的学科交叉领域较多，因此目前尚无能够对激光清洗过程进行全面解释的理论模型。被广为接受的理论主要有以下几种。

图1 激光清洗作用机理示意图

1)微颗粒污物去除：激光产生的清洗力克服微颗粒与基体间的粘附力，实现微颗粒的去除。

2)油漆和锈蚀去除：都涉及振动效应和烧蚀效应，油漆是异质膜层清洗，锈蚀是同质膜层清洗，锈蚀的清洗机制随着锈蚀厚度变化而不同。

3)模具表面污垢去除：包括高温蒸发气化与声波共振产生的力学效应。

1.2 激光清洗分类

1)干式清洗：脉冲激光直接照射清洗工件，使基底或表面污染物吸收能量，温度升高，发生热膨胀或基底热振动，进而使二者分离。

2)湿式清洗：待洗工件先表面预涂液膜，然后在脉冲激光的照射下液膜温度快速升高而气化，气化的瞬间产生冲击波，作用在污染物颗粒中，使其从基体上脱落。

3)等离子体清洗：激光击穿空气介质，产生球状等离子体冲击波，冲击波作用在材料表面并释放能量将污染物去除，其间激光并未作用于基体，因此不会损伤基体。

1.3 激光清洗方式

目前激光清洗操作主要分为手持模式和自动模式，如图2所示。手持式的关键部件是手持式激光清洗枪，可用于不规则去污、去氧化皮、除漆等，具有设备移动方便、操作灵活的优点，缺点是人工操作，清洗效果的一致性较差，并且要求工人具有一定的经验。自动式激光清洗是将激光枪安装在机械臂上，由机械装置规划运动轨迹，其优点是效率高、精度高、人工成本较低，可满足大批量作业，缺点是不适用于异形件。

图2 激光清洗方式

2 激光清洗在典型材料中的应用

随着装备制造的高精尖化和文物保护需求的日益增多，激光清洗在工业生产中作为加工的第一道工序，其研究备受关注。主要包括石质文物的修复，航空铝合金、镁合金、钛合金清洗，重型装备碳钢基材清洗，等等。

2.1 石质文物清洗

石质文物是我国文物重要的组成部分，是国家发展的重要历史见证和社会文明进步的重要标志，也是历史和科学发展的见证。随着时间流逝，石质材料文物表面会受到不同程度的自然污染，污物的附着不仅严重影响文物的观赏性，还会造成腐蚀破坏。因此，研究石质材料文物表面的清洗工艺具有重要意义。

目前激光清洗以其独特的优势成为文物修复与清洗的重要手段。早在20世纪，美国的Asmus等尝试通过激光照射清除大理石雕塑表面的黑色表层和泥土层，但受限于当时脉冲激光光源等技术问题，未能达到理想的清洗效果。2003年，Verges-Belmin等针对不同材料在激光清洗后的黄变现象进行了分析和总结，认为光的散射、材料表面污物、损伤、污物残留等是主要原因。2011年，Siano等研究了激光阈值对大理石表面绘画样品激光清洗的影响。2012年，Pouli等针对石质文物在激光清洗后的黄变现象进行了探讨，认为是石材中的Fe元素在激光照射清洗的高温作用下发生化学反应所致，通过调整激光波长和脉冲时间可预防黄变。2016年，他们采用双波长激光法对石材表面污物的清洗进行了大量试验，发现波长355nm的紫外光对灰尘的清洗效果良好，而波长1064nm的红外光对厚污垢有着更佳的清洗效果。他们成功将该技术用于雅典卫城古迹和雕塑上污物的清洗，令文物表面污物被高效精准地去除，并且表面细节和历史痕迹不被破坏。2018年，王昊等研究了分别采用干式和湿式激光清除辉绿辉长岩石雕文物黄色铁氧化物色斑所需的能量。结果发现用以水为液膜的湿式激光清洗时，设定能量为250  mJ、光斑直径为2～3mm及在频率5  Hz下停留约6s时，可有效清除石雕文物表面的黄色铁氧化物色斑，并且不会对文物本体造成损伤。邹万芳等基于激光清洗石质文物的现状和机理，建立了激光清洗石质文物表面油漆的一维热应力理论模型，并利用Matlab软件从理论上得出激光清洗石质文物表面油漆过程温度和应力分布。表明通过设置激光参数，特别是激光的能量密度，能够在不损伤石质文物基底的前提下，提高激光清洗的效率。王琮等以类城墙的大理石文物及表面污物模拟样品为对象，进行皮秒激光清洗试验。结果表明，在激光功率18  W、扫描速率1000 mm/s的条件下清洗8次后，文物表面的主要污染物元素S的占比降了94.57%,表面粗糙度Ra为1.267  μm,整体的清洗效果优于纳秒激光清洗。

经过国内外学者们多年的探索和研究，激光清洗技术在石质文物保护中己取得一定的进展。它不仅提高了清洗效率，还最大限度地保护了文物的原始状态，保留了珍贵的历史信息。当前，学者们正通过不断优化激光参数和清洗方式，进一步提升激光清洗在不同材质文物中的适用性和安全性。未来，随着激光清洗技术的进步，激光清洗有望在更广泛的文物保护领域发挥重要作用。

2.2 铝合金材料清洗

铝合金已成为航空航天领域中不可缺少的材料。由于铝合金零件在加工过程中一直处于高温状态，表面容易氧化成膜，严重影响零件整体的力学性能。因此去除铝合金表面的氧化膜是非常必要的。此外，如何高效安全地去除铝合金飞行器蒙皮上的漆层，并确保不损伤基体和改变其性能，也是航空领域的重要技术挑战。传统的除漆方法(如机械打磨和化学清洗)可能会对基体造成损伤，而激光除漆技术因其无接触、高精度、环保等优点，已成为一种极具前景的解决方案。

王凯等针对航空2A12铝合金表面TB06-9涂层的去除，开发了一种无损“两步”纳秒脉冲激光清洗工艺：第一步是在低频率下用高光斑能量初步去除大部分漆层;第二步是在高频率下用低光斑能量多次清洗，以减少对氧化膜的损伤。他们通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、超景深三维显微镜(UDFDM)和万能电子试验机等分析分析了两步清洗工艺参数对涂层去除效果的影响。确定了第一步清洗的较优参数为：激光功率40W，频率20kHz，扫描速率1040mm/s，线间距0.052mm;第二步清洗的较优参数为：激光功率80W，频率1000kHz，扫描速率690mm/s，线间距0.0345mm。在较优条件下激光清洗后铝合金材料表面漆层被清除干净，并且较好地保持了原有的力学性能。

万磊等27利用COMSOL  Multiphysics软件搭建了光纤脉冲激光清洗5083铝合金表面漆层工艺的数值模型，研究了激光功率和光斑搭接率对铝合金表面漆层的温度场分布和清洗深度的影响。结果表明，当激光重复频率为100  kHz、激光功率为30W及光斑搭接率为50%时，可有效去除漆层且不伤及铝合金基体。

赵海朝等利用脉冲激光器对2024铝合金表面涂层进行了清洗试验，同时利用COMSOLMultiphysics软件建立清洗模型，研究了激光清洗过程中涂层内不同深度的温度分布和应力分布，分析了激光除漆机制。当激光功率为16.5W、扫描速率为600mm/s、脉冲频率为30kHz时，可以达到很好的涂层去除效果。不同工艺参数下激光清洗涂层的作用机制存在差异，其中涂层内聚力破坏和裂纹扩展断裂是主要作用机制。

韩红敏等研究了脉冲光纤激光清洗对LY12铝合金和2219铝合金表面性能的影响。结果发现：脉冲光纤激光清洗后铝合金表面洁净，表面积增大;表面硬度提高，利于粘接;拉伸性能、屈服强度和微观组织基本不变。

张千等对5A06铝合金进行激光清洗处理。发现激光清洗后，5A06铝合金表面平整，O的质量分数从原来的19.85%降至1.74%,说明氧化膜被有效去除;显微硬度变化不大，保持在85HV左右;拉伸强度从原来的268.8  MPa升至293.5 MPa,说明激光清洗有效改善了其力学性能。

Zhou等分别采用100 ns激光与皮秒激光清洗处理铝合金，研究了光斑搭接率、激光功率等参数对铝合金表面形貌和焊接性能的影响。确定了100  ns激光清洗的最佳参数为：激光功率100  W,光斑搭接率40%;皮秒激光清洗的最佳参数为：激光功率100W,光斑搭接率60%。皮秒激光清洗的铝合金拥有更好的表面品质，100  ns激光清洗的效率更高。此外，在氩气辅助下100 ns激光清洗可显著提高铝合金后续的焊接效果，降低焊缝气孔率。

激光清洗处理能够显著提升铝合金材料的表面品质和焊接性能，不会给对基体的力学性能造成负面影响，有利于提高航空航天产品的可靠性，并为企业节约生产成本。因此，进一步推进激光清洗技术在铝合金表面的应用和研究具有重要意义。

2.3 钛合金和镁合金清洗

钛合金和镁合金都具有密度低、强度高等优点，被广泛应用于飞行器等重要产品的制造中。在实际工业生产中，钛合金和镁合金表面往往带有致密的氧化膜，影响产品的焊接性能，因此钛合金、镁合金在焊接前应进行氧化膜的清除工作。传统的化学法多存在环境污染问题，对人员健康有害，因此钛合金、镁合金材料的激光清洗研究备受关注。

罗雅等先利用纳秒激光清洗去除TC11钛合金表面的污物与氧化层，再进行电子束焊接。结果表明，TC11钛合金的焊缝内无气孔、夹杂等缺陷，焊缝达到中国航天行业标准QJ1666A-2011《钛级钛合金熔焊技术要求》中的I级。刘伟军等针对TC4钛合金表面的环氧锌黄涂层，以脉冲光纤激光为光源，通过调整激光的清洗速率和能量密度来提高TC4钛合金的清洗效果。结果表明，涂层清除效果随着激光能量密度增大或清洗速率减小而变好。当激光能量密度为4.00J/cm²、清洗速率为3mm/s时，基材表面的物相成分只有Ti和Ti₆O，没有CaCO₃，表明涂层被完全去除，表面粗糙度与原始基材相近，显微硬度提高了7.4%。

陈俊宏等分别采用酸洗、砂纸打磨、激光清洗对Ti6Al4V钛合金进行了焊前清洗。通过对比不同方式处理后钛合金的表面形貌、粗糙度和化学成分，研究了不同工艺对清洗效果的影响。结果表明，适当的激光清洗可有效清除焊接试件表面氧化层，降低表面粗糙度，令试件在焊接后焊缝的气孔率较低，焊缝等级可达到QJ1666A-2011规定的I级。

刘甲等研究了黄色、蓝色和紫色3种不同氧化程度的船用TA5钛合金焊缝激光清洗的效果。结果表明，激光清洗可有效去除钛合金表面污物和氧化层，焊接后三者的焊缝均呈银白色，焊缝表面O元素的质量分数为8.26%～8.65%,接头焊缝区组织为针状和锯齿状α相，热影响区组织为等轴、针状及锯齿状α相，接头拉伸强度为767  MPa,高于母材，接头断裂于母材处，弯曲性能良好。

张铭祺针对TC4钛合金表面漆层去除过程进行了温度场模拟仿真分析，并利用纳秒脉冲平顶激光进行激光清洗试验。结果表明：除漆效果随着激光能量密度增大，或清洗速率减小，又或扫描速率减小而变好。较佳的激光清洗参数为：能量密度3.97  J/cm²,清洗速率2.58 mm/s,扫描速率5000 mm/s。

相对于钛合金材料，关于镁合金表面激光清洗技术的研究较少。张明军等研究了纳秒脉冲激光清洗和钢刷打磨处理对AZ31B镁合金表面清洗效果和焊接性能的影响。试验通过高速摄影记录了AZ31B镁合金激光焊接的动态过程，并利用扫描电镜和能谱仪分析了焊接品质。结果表明，相比于钢刷打磨处理，纳秒脉冲激光清洗可有效去除AZ31B镁合金表面的氧化膜，且表面呈现细密的微结构特征。焊前激光清洗能够减少AZ31B镁合金的焊接小孔，使熔池的稳定性增强;焊缝处鱼鳞纹均匀细小，显微组织分布均匀，气孔、裂纹等缺陷少，并且焊接接头的伸长率与未处理和钢刷打磨处理试样相比，分别高了50.3%和16.4%。

通过对钛合金、镁合金表面激光清洗，能够实现焊前氧化膜的有效去除，进而提升焊接性能，不仅节省了生产成本，还减少了传统工艺带来的环境污染，符合国家“绿色”制造的政策要求。

2.4 碳钢材料清洗

碳钢材料是国家建设必不可少的重要物资，目前激光清洗技术已用于碳钢材料表面油污、油漆和锈蚀的清除，相比于传统的机械法、化学法清洗，节省了人力和物力，并且对基体无损伤，对环境无污染。

王涵等利用激光清洗技术对船用碳钢EH36表面的富锌底漆进行清理，研究了搭接率、激光功率、扫描速率等对碳钢组织结构、硬度及拉伸性能的影响。结果表明，激光清洗功率为25  W时对底漆的去除效果较差;在功率50～100 W下激光清洗2～3次可有效清除底漆，露出EH36钢的亮白色泽。

另外，激光清洗会改变基体的表面粗糙度，但对基体组织及力学性能几乎无影响。

杨军等采用脉冲激光对涂有氨基油漆的碳钢进行除漆，以解决家用仪器外壳表面油漆去除困难的问题。通过分析不同激光参数对除漆效果的影响，确定了较优的激光除漆工艺条件：激光频率250kHz,激光扫描速率200  mm/s,脉冲宽度0.2μs,激光功率90 W,扫描间距0.04  mm。在该条件下除漆后，碳钢表面光滑，形貌维持原状，表面粗糙度为1.325μm。其中扫描间距对激光除漆效果的影响最显著,扫描速率次之，脉冲宽度的影响最小。

邓德伟等采用波长为1064  nm的脉冲光纤激光器对KMN钢表面环氧有机硅漆进行清洗。试验设计了单次清洗和二次清洗两种工艺，研究了光斑搭接率和能量密度对基体表面粗糙度和新涂层附着力的影响。结果表明：当光斑搭接率为0.4～0.7、能量密度为4.73  J/cm²时，单次清洗难以完全将35 μm厚的漆层除净，需进行二次清洗。对于二次清洗，若光斑搭接率小于0.5且能量密度小于4.25  J/cm²,基体表面粗糙度会下降，表面粗糙度小于0.6μm时将影响新漆层的附着力;若光斑搭接率大于0.5且能量密度大于4.25  J/cm²,基材表面熔化后再凝固会产生应力，同时发生相变，导致试样表面硬度低于基材硬度。

Shamsujjoha等对船用高强钢表面的环氧树脂涂层进行激光清洗试验。发现船用高强钢基体在清洗过程中发生重熔，其微观组织变化明显，表面粗糙度则无明显变化，新涂层的附着力更强。吴秋培等[采用1080  nm连续激光器对Q235B碳钢表面锈蚀进行清洗，研究了不同工艺参数对Q235B碳

钢表面粗糙度的影响。结果表明，当激光功率为7kW、扫描速率为500  mm/s时，Q235B碳钢的表面粗糙度低至3.68μm,锈蚀被除净，表面硬度约为基体硬度的4倍。

王优等采用纳米光纤激光清洗45钢表面的锈蚀层，通过正交试验研究了不同工艺参数对45钢表面粗糙度及去污厚度的影响。结果表明，当在激光功率500  W、重复频率25 kHz、扫描频率115 Hz、移动速率1  mm/s条件下激光清洗15次时，可去除45钢表面以Fe₃O₄和Fe₂O₃为主成分的锈层，降低基体表面粗糙度，硬度和物相则基本不变。

目前激光清洗技术已成功应用于碳钢、高强钢等重要钢结构零件的清洗环节，能够有效去除材料表面锈蚀、油污、涂层等，具有高效、环保等优点，得到了业内的广泛认可，为钢材料的应用发展提供了重要支撑。

3 结语

要实现高端智能制造发展目标，先进的表面处理技术是关键。激光清洗作为一种高效、绿色的表面处理技术，在航空航天、船舶与海洋、精密仪器制造等领域具有广阔的应用前景。据统计，2023年全球激光清洗市场总额已升至7.24亿美元，加快推进激光清洗技术的应用将带来可观的经济效益。尽管我国的激光清洗技术起步较晚，但开发先进配套的激光清洗设备，并实现其快速实用化和产业化是我国科技工作者面临的重要任务。这不仅有助于推动高新技术产业的发展，还将为我国制造业的转型升级提供有力支撑。

文章来源：电镀与涂饰