隨著我國環(huán)境保護法規(guī)要求越來越嚴格,人們的環(huán)保意識也在日益增強，傳統(tǒng)清洗工業(yè)的諸多缺點越來越明顯，特別是對空氣和水帶來污染。而激光清洗具有更清潔、非接觸、高效靈活和適用于各種材質的物體等清洗特點，目前被認為是最環(huán)保、最有效的解決辦法，同時激光清洗可以解決采用傳統(tǒng)清洗方式無法解決的問題。
那么，什么是激光清洗呢？激光清洗技術主要是利用激光高能、高重復頻率、高功率的特性，把高能量密度的光束打在待清洗物體表面的較小區(qū)域，利用基底材料與附著物對激光吸收能力的差異，使物體表面“藏污納垢”的附著物或涂層瞬間“蒸發(fā)”或剝離。相比于傳統(tǒng)清洗方式，激光清洗具有非接觸、無磨刷、無污染物排放和適用性廣等諸多優(yōu)勢，被認為是最可靠、最有效的“清潔工”，目前已經(jīng)在武器裝備清洗、文物保護、精密零件維護、飛行航空器、軌道機車等領域發(fā)揮著重要作用。
激光清洗技術實際應用
激光清洗不但可以用來清洗有機的污染物，也可以用來清洗無機物，包括金屬的銹蝕、金屬微粒、灰塵等。一般激光清洗技術應用于模具的清洗、飛機舊漆的清除、樓宇外墻的清洗、電子工業(yè)中的清洗、精密機械工業(yè)中的精確去酯清洗、核電站反應堆內管道清洗等領域。
激光清洗它不需要使用任何化學藥劑，清洗下來的固體廢料更易存放回收。“柔軟無形”的光更不會對裝備表面產(chǎn)生機械作用等“二次傷害”，且清潔度較高。同時，激光清洗效率高、用時少、使用成本低，購買激光清洗系統(tǒng)雖然前期一次性投入較高，但清洗系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定使用，運行成本低，每小時的運行費用僅為10元左右，更重要的是可以方便地實現(xiàn)自動化操作。
圖1 激光清洗金屬部件的效果
激光清洗在國外的發(fā)展
激光清洗技術研究起步于20世紀80年代中期，但直到20世紀90年代初期才真正步入工業(yè)生產(chǎn)中，在許多場合逐步取代傳統(tǒng)清洗方法。眾所周知，歐洲國家普遍保留了大量的歷史文物和古老建筑，許多教堂、城堡、大學、博物館、雕塑等均有數(shù)百年甚至千年歷史，歐洲人十分注重這些“古董”的保護與修復，自1990年代中已經(jīng)開始把激光清洗技術用于文物修復去污。
國外激光清洗的去污范圍非常廣泛，從厚銹層到激光表面微細顆粒都可以去除，在去污中涉及激光清洗實驗所使用的設備種類也比較多，所用激光器的波長范圍廣，但激光清洗技術的發(fā)展不平衡，有些已實現(xiàn)工業(yè)化，有的還處于實驗室階段。目前發(fā)達國家對于激光清洗的應用并不陌生，已有近30年的使用經(jīng)驗。值得一提的是，發(fā)達國家經(jīng)歷了過百年的現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展史，也曾經(jīng)有過嚴重的空氣、水、土壤污染等環(huán)境問題，倫敦還曾被稱為霧都，而洛杉磯也有過“毒霧”事件，經(jīng)過近半個世紀的環(huán)境整治和產(chǎn)業(yè)轉移，加上使用了像激光加工、清洗這樣的清潔技術，發(fā)達國家目前環(huán)保問題做得非常不錯。值得一提的是，如今發(fā)達國家環(huán)保工藝發(fā)展高峰已過，激光清洗使用率也高，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也已整合完成，主要供應商包括P-laser, CleanLaser, Adapt Laser Systems, General Lasertronics等，目前歐美國家的激光清洗市場表現(xiàn)穩(wěn)定，但由于市場空間有限，并沒有表現(xiàn)出爆發(fā)性增長，真正的大市場在中國以及一些新興工業(yè)國家。
圖2 銘鐳激光的激光清洗設備
中國激光清洗發(fā)展
中國是公認的制造大國，也是全球最大的加工國家，工業(yè)體量也是世界第一。為了工業(yè)現(xiàn)代化，解決大量的勞動力問題，中國在1990年代至今的20多年里，從引進外企到內生企業(yè)，用了25年的時間走完了歐美國家100年的工業(yè)化進程，繼而帶來的是環(huán)境惡化和工業(yè)污染，廢水、廢氣、廢棄物品毫無節(jié)制的排放。藍天被霧霾覆蓋、飲用水帶異味、土壤重金屬超標、各種廢棄垃圾圍城，都是當下環(huán)境突出問題。我國政府早已意識問題，也大力建設污水處理廠、廢氣吸附過濾設施等，然而這種措施只是先排放后處理，成本也非常高。在這種背景下，改變一些生產(chǎn)工序上的工藝和升級更加環(huán)保的清洗工藝，就成為非常迫切與必要的任務。激光清洗/除銹就是一項非常有發(fā)揮潛力選擇。
筆者一直認為激光清洗技術不能算作一項激光加工，它是區(qū)別于激光加工的一種工件表面處理技術，它與以往的激光切割、焊接、鉆孔、標刻、熔覆等不一樣，這些是利用激光高能量與材料作用，改變材料的形狀、性質或部件之間的關系，以實現(xiàn)加工效果，而激光清洗是不改變材料基質，只是把表面的污跡、銹跡、粉塵或者殘留物清除干凈，是一項表面“洗刷”工藝，而不是一項激光加工技術。盡管如此，并不意味著激光清洗就是一項毫無技術可言的工藝，相反，它的應用必須考慮到材料的材質、污跡的厚度、激光功率與能量適度等的因素，因其適用面較廣泛，不同的材料應用需要不同參數(shù)的激光清洗系統(tǒng)，因此在工藝探索、研究、測試方面仍然有很多文章可做。
我國激光清洗技術的研究和設備的開發(fā)起步晚，基本上是跟蹤國外的發(fā)展，雖然在較短時間內取得了一些成果，但是與國外相比存在明顯的差距。自2004年始，我國學術界陸續(xù)出現(xiàn)一些關于激光清洗的研究文章，至2010年，中國工程物理研究院激光聚變中心在國內最早嘗試開發(fā)了激光清洗設備，并成功運用在云岡石窟、石壁、石像、壁畫等文物古跡。接著幾年內國內各種科研機構關于激光清洗工藝的論文逐漸增加，關注度也頗多。
至2015年以前，國內外關于激光清洗應用的主要是固態(tài)激光器，2016年外國激光器巨頭IPG Photonics推出了可用于激光清洗的高頻率光纖激光器，引起廣泛的關注。國內的激光器廠商創(chuàng)鑫激光首先跟進，于2016年下半年最早在國內推出了100W的用于激光清洗的脈沖光纖激光器。2016年10月，位于深圳的銘鐳激光首次在國內推出了200W 和500W 的工業(yè)激光清洗機。2017年3月，國內主要的幾家光纖激光器廠商均推出了可用于激光清洗的激光器產(chǎn)品，而從事激光清洗設備開發(fā)的企業(yè)也層出不窮，激光清洗從一項“黑科技”逐漸顯露在人們眼前，為更多的人所認識，從事汽車、模具、家電、電子制造、噴涂、金屬制品等各行各業(yè)的人知道了激光清洗神奇的效率與環(huán)保“功效”后，都表示非常有興趣試用一下。2017年9月，《激光制造商情》在江門智博會期間，舉辦了國內第一場“中國激光清洗應用技術論壇”，及時響應業(yè)界需求舉辦這場活動，有效探討了激光清洗的不同技術工藝和發(fā)展方向。
早期的激光清洗機由于科技含量高、激光器采購成本高，整機定價也偏高，過百萬的一臺機都有，許多潛在用戶盡管表達了想用的意愿，但是面對過百萬的采購成本，還是猶豫不決。由于過去一年多時間，從事類似激光器生產(chǎn)的廠家也有了，做激光清洗整機的廠家更多了，整體的價格有所下降，現(xiàn)在一臺中等功率的激光清洗機從30萬至70萬的都有，當然產(chǎn)品質量方面也是良莠不齊，在采購時必須認真甄別。
如今國內從事激光清洗的科研機構包括中國工程物理研究院激光聚變中心、解放軍裝甲兵工程學院再制造中心、哈爾濱工業(yè)大學、華中科技大學、南開大學等，相關激光器廠家主要有創(chuàng)鑫激光、銳科激光、海富光子、飛博激光、中科四象、國科激光等，而從事激光清洗設備開發(fā)的企業(yè)就更多了，大族激光智能裝備集團、華工激光、銘鐳激光、帝耐激光、艾思蘭、紐芬奇機電、武鋼華工、嘉信激光、奧華激光、匯澤激光、瑞豐光電、翔明激光等，其中個別企業(yè)最高可以提供1000W的清洗機。目前國內提供激光清洗用的光纖激光器最高功率水平去到800W，由海富光子生產(chǎn)，創(chuàng)鑫激光正在研發(fā)；而在1000W功率水平則僅是IPG一家提供。由于脈沖光纖激光器的功率局限，更高功率的激光清洗應用，目前則要用上固體激光器，英國的Powerlase公司可提供1600W用于激光清洗的固體激光器。一些從事配套產(chǎn)品的企業(yè)也順勢推出了激光清洗頭，比如金海創(chuàng)科技。較早開發(fā)的激光清洗機主要是手持式的，但由于激光的高亮度和高能量，使用高功率的激光時采用手持式也許不太適合，一些企業(yè)逐漸研發(fā)出了機器人激光清洗系統(tǒng)，包括銘鐳、嘉信、匯澤幾家，實現(xiàn)了自動化清洗控制，大大提高了清洗效率和人的安全。
盡管自2016年至2017年，激光清洗的工業(yè)應用吸引了各行各業(yè)的普遍關注，然而市場的成長與用戶接受還是需要一些時間，直至2017年底，筆者預估全國有超過40家企業(yè)與科研機構從事激光清洗系統(tǒng)的研究與開發(fā)，總體激光清洗相關產(chǎn)品的營收不超過5億元。因為激光清洗的工業(yè)應用在中國還是比較新，有些是初創(chuàng)企業(yè)，其業(yè)績還不到一千萬，而像大族激光、華工激光、銘鐳激光等兼做清洗設備的，可依靠原來積累的品牌影響贏得一些訂單。據(jù)悉，進入2018年各家激光清洗設備公司均取得了不錯的增長，保守估計上半年的銷售額比去年增長了超過60%。一部分原因是目前從事激光清洗設備的企業(yè)增加，各式機器層出不窮，價格也有一定下降，另外就是以往一些潛在用戶在觀望了解后，今年下決心采購用上激光清洗。
激光清洗挑戰(zhàn)與憧憬
如今，激光清洗工藝的持續(xù)發(fā)展為激光技術在工業(yè)應用領域開辟了許多新的機遇，這一工藝在微電子、建筑、汽車制造、醫(yī)療、船舶清洗保養(yǎng)等領域的開發(fā)方興未艾，應用市場前景極為廣闊。在當前對于環(huán)保和安全意識日益增強的時代背景下，如何尋找更清潔，且不具損傷性的清洗方式是亟需思考的課題。
激光清洗技術的出現(xiàn)，開辟了激光技術在工業(yè)應用的新領域，它在微電子、建筑、核電站、汽車制造，醫(yī)療、文物保護等領域的開發(fā)方興未艾，應用市場前景廣闊。經(jīng)過20多年的發(fā)展，激光加工我國的應用已初具規(guī)模，激光加工設備不僅進入了一些大型企業(yè)生產(chǎn)線，還布滿了大大小小的臨街激光加工站，這些為推廣激光加工作出了重要貢獻。激光清洗在金屬除銹和模具去污方面的應用還非常少，而激光清洗技術在汽車制造、建筑等領域的市場仍在開發(fā)之中，在臨街代加工門店更是看不到。因此激光清洗還有很長的路要走。
據(jù)市場調研報告顯示， 2018年，全球激光清洗市場的價值將達到5.89億美元，到2023年這一數(shù)值預計將達到7.24億美元，2018年和2023年之間的復合年增長率（CAGR）為4.22％。上述領域不少屬于國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，激光清洗技術添入其中后，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益是十分可觀的，利用我國現(xiàn)有的激光技術條件，開發(fā)配套的激光清洗設備，并使其在短時間內實用化、產(chǎn)業(yè)化、是完全可能的，對推動高新技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展本身亦具有重要意義。
另外一個問題，目前還有些潛在用戶認為激光清洗設備價格偏高，同時對各種清洗要求的工藝開發(fā)不夠充分，導致還非常猶豫未能采購使用。筆者認為隨著激光清洗應用的推廣發(fā)展，未來設備系統(tǒng)價格還是有一些下降空間，然而機械設備價格不可能無限下降，就像激光打標機，經(jīng)歷了幾年慘烈價格戰(zhàn)后現(xiàn)在已經(jīng)降無可降了。
激光清洗的繼續(xù)發(fā)展必然會帶來更多款式的產(chǎn)品，這不僅僅是一項工業(yè)應用技術，筆者相信它還可以結合生活應用，盡管現(xiàn)在不銹鋼和鋁制品應用廣泛，但是每家每戶都有金屬用品和工具，許多人會因為一件工具生銹了而把它丟掉。假如以后臨街的大小激光加工門店都配備了激光清洗機器，家里的農(nóng)具、刀具、鉗子等生銹了，拿去給人家清洗修復后，煥然一新，就像20年前那些進村里給人提供磨刀服務。試想一下，這樣的激光清洗是多大的一門生意！
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