引言
對工件表面污染物的清理是船舶建造、修復(fù)與維護的重要工作內(nèi)容。良好的清洗工作是船舶高質(zhì)量焊接和涂裝的重要保障。
傳統(tǒng)的清洗技術(shù)主要有人工打磨、噴砂、高壓水沖洗、化學(xué)清洗等，廣泛應(yīng)用于船舶的涂裝、焊接等工藝中。但是，傳統(tǒng)清洗技術(shù)勞動強度大，污染嚴重，職業(yè)病危害大，對施工人員十分不友好。
隨著國家對環(huán)保要求的不斷提高，對施工人員健康安全的不斷重視，傳統(tǒng)清洗技術(shù)已經(jīng)逐漸不能適應(yīng)新時期船舶工業(yè)的要求，對新型清洗技術(shù)的需求變得日益迫切。
激光清洗是一種新型的先進的清洗技術(shù)，采用的脈沖激光照射待清洗部位，表面銹層、漆層和基材等吸收脈沖激光后，會引起熔化、氣化、振動等一系列物理化學(xué)變化，最終達到污染層脫離基材表面的目的。
與傳統(tǒng)清洗技術(shù)相比，激光清洗有著諸多優(yōu)點： (1) 與待清洗工件沒有物理接觸，不會對工件造成物理性損壞； (2) 激光方向性好，光斑尺寸可調(diào)，對清理區(qū)域可實現(xiàn)精確定位且能夠適應(yīng)于復(fù)雜曲面； (3) 具有一定的表面改性作用，有效阻止二次氧化，且能提高表面力學(xué)性能； (4) 激光可通過光纖進行傳輸，操作靈活性高，易實現(xiàn)遠程控制； (5) 清洗過程可控性強，滿足多種類型污染物的清洗需求； (6) 除銹過程噪聲低、無粉塵污染。
因此，激光清洗近幾年受到了船舶工業(yè)技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。
一、激光清洗的原理
激光清洗的基本原理是利用瞬時高功率密度的脈沖激光在材料表面產(chǎn)生的高溫、振動、膨脹等變化，使材料表面的污染物，如油污、舊漆、銹蝕、氧化層等，脫離材料，從而達到清洗效果。
其機理主要有激光燒蝕機制和熱彈性膨脹機制，其他還有光化學(xué)消融、光壓力等。
1、激光燒蝕機制
當(dāng)脈沖激光能量達到一定量，污染物在吸收能量后表面溫度迅速升高，達到其熔點或氣化點，污染層便會產(chǎn)生熔化、氣化、熱裂解等物理狀態(tài)，從而使其從基材表面去除。在此過程中，氣化物質(zhì)會極速膨脹，產(chǎn)生強烈的沖擊效應(yīng)，擠壓其他液體或固體污染物，使其濺射而出脫離基材，達到清洗的效果。激光燒蝕通常需要激光的功率密度達到10? ~ 10? W/cm2。
圖1激光清洗機理示意圖
圖2激光清洗閾值
2、熱彈性膨脹
基材或者污染物在吸收激光脈沖能量后，在極短的時間內(nèi)受熱產(chǎn)生瞬間熱膨脹，繼而在污染物與基底表面內(nèi)部引起振動波形成熱彈性應(yīng)力，當(dāng)熱彈性應(yīng)力高于污染物與基材的結(jié)合力時，污染物便會脫離基材，達到清洗的效果，這就是脈沖激光的熱彈性膨脹機制。
當(dāng)激光清洗的功率密度小于 10? W/cm2 時，熱彈性膨脹是主要的激光清洗機制。
3、激光清洗的工藝調(diào)控
采用激光清洗，想要達到好的清洗效果必須要選擇一個合適的清洗工藝參數(shù)，激光器的類型、激光功率、脈沖頻率、掃描速度等都需要被考慮。由于基體材料與污物對激光的吸收率不同，通常清洗污物所需的能量（清洗閾值）要小于損傷材料所需要的能量（損傷閾值）。
通過控制激光清洗的功率、脈沖頻率、掃描速度和離焦量等工藝參數(shù)即可對激光清洗的能量進行調(diào)控，從而實現(xiàn)基材無損傷或輕微損傷的清洗效果。
二、激光清洗在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用
清理工作是船舶工業(yè)中的一個非常重要的加工成形技術(shù)，在焊接前后和涂裝前均有大量的清理工作。清理工作的質(zhì)量也在一定程度上決定了焊接和涂裝質(zhì)量。作為一個新興的清洗技術(shù)，已經(jīng)有很多學(xué)者嘗試將激光清洗應(yīng)用于焊接中。
2007年，Koh等人采用不同波長的脈沖Nd：YAG激光和TEA CO?激光以及傳統(tǒng)機械方法對銹蝕的船用鋼進行了研究。結(jié)果表明兩種激光器都能有效地將銹蝕清除干凈，但與機械除銹效果相比較仍有一定的差距。2012年，新加坡國立大學(xué)Chen使用高功率光纖激光器進行船用鋼板除銹，結(jié)果表明激光除銹效果良好。
在CVN-68級航空母艦維修程序的項目中，美國海軍金屬加工中心(NMC)評價了激光磨蝕技術(shù)作為清除油漆以降低成本和保護環(huán)境安全的替代措施的作用。該項目演示了激光磨蝕清除油漆，該技術(shù)不會產(chǎn)生二次污染廢物，減少了對環(huán)境的不良影響。該項目的成果于2012年在斯羅普格魯曼造船廠（NGSB-NN）和諾?？撕＼姶瑥S實施。
在2009年國際光子與光電子會議（POEM）上，武漢光電國家實驗的朱海紅教授等人展示了他們在激光除銹方面所做的工作。他們主要研究了用TEA CO?脈沖激光器清洗船用鋼鋼材上面的銹蝕的可行性和效率。實驗表明，用TEA CO?脈沖激光器除銹的質(zhì)量和效率都足夠高，基本能達到工業(yè)應(yīng)用的程度。
2012年，朱海紅等為某海軍研發(fā)了國內(nèi)首臺20W便攜式脈沖激光除銹系統(tǒng)（圖3）。
圖3華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心研制的便攜式激光除銹裝備
2018年，他們又研發(fā)了一臺適用于遠距離激光除銹系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)3 m遠的激光除銹（圖4）。
圖4華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心研制的遠距離激光除銹裝備
2013年，華中科技大學(xué)邱兆飚、朱海紅等人采用波長為1064 nm的脈沖激光進行了系統(tǒng)的除銹工藝研究。
2016年，上海交通大學(xué)的解宇飛研究了針對船舶板材的激光除銹工藝。研究發(fā)現(xiàn)采用激光除銹工藝處理后，除銹試樣的力學(xué)性能與基體材料相當(dāng)，防腐性能能夠與傳統(tǒng)噴砂除銹工藝的指標(biāo)相當(dāng)。
2017年，國內(nèi)船企已開始接觸激光清理技術(shù)，武昌船舶重工集團有限公司聯(lián)合中船重工七一六研究所采用2000 W智能爬壁機器人連接全脈沖激光除銹系統(tǒng)（圖5）。
圖5中船重工七一六所激光除銹機器人圖
2020年，上海船舶工藝研究所進行了100W和2000W的激光清洗工裝平臺的集成，并開展了船用碳鋼、不銹鋼及鋁合金等材料的除銹除漆工藝試驗，并掌握了相應(yīng)的激光清洗工藝窗口（圖6）。
圖6上海船舶工藝研究所2KW激光清洗平臺
三、存在的問題與應(yīng)對措施
目前，激光清洗技術(shù)在國內(nèi)船舶行業(yè)的應(yīng)用仍然較少，其中原因包括了成本、效率和工藝適應(yīng)性等。
1、設(shè)備成本問題
當(dāng)前激光清洗裝備成本仍然較高，一臺100W的納秒激光清洗設(shè)備總成本約20萬，而千瓦級激光清洗裝備的成本已經(jīng)達到了上百萬，相比于傳統(tǒng)清理設(shè)備（如打磨工具、噴砂設(shè)備等）而言，這是一筆極為巨大的開銷。而且，由于激光清洗裝備在電-光轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗以及設(shè)備的水冷需求等，激光清洗的使用成本也要高于傳統(tǒng)清理設(shè)備。但是，高成本并不能帶來明顯的清洗效率的提升，即使是千瓦級的激光清洗裝備其清洗效率仍然要低于傳統(tǒng)的噴砂和高壓水沖洗等工藝。成本和效率問題嚴重阻礙了激光清洗在船舶工業(yè)的應(yīng)用。
但是，設(shè)備的成本并不是一成不變的，而傳統(tǒng)清理技術(shù)的隱性成本卻在不斷增加。隨著技術(shù)的不斷進步，激光清洗裝備的成本在不斷下降。納秒激光清洗裝備在兩年時間里已經(jīng)下降了近一半的價格，且仍有很大的下降空間。但是，打磨、噴砂等存在許多隱性的成本，且成本在不斷地增加。例如，國家對環(huán)保要求不斷地提高，對于重污染企業(yè)的罰金也在不斷提高。船舶工業(yè)的噴砂作業(yè)環(huán)境污染極為嚴重，由于自動化設(shè)備在惡劣的工作環(huán)境中會快速損壞，噴砂甚至無法進行自動化作業(yè)。這些不僅極大的降低了清理效率，而且也嚴重損害了施工人員的健康。但是，激光清洗在清洗過程中只要產(chǎn)生少量的煙霧，配合吸塵裝置可以很快清理干凈，更不會對自動化設(shè)備造成損害，因此，激光清洗非常適合進行自動化作業(yè)。自動化作業(yè)可以快速拉近激光清洗與噴砂在成本和清洗效率方面的差距，隨時技術(shù)的進步，在未來未必沒有反超噴砂技術(shù)的可能。
此外，激光清洗在船舶工業(yè)特殊場合的應(yīng)用已經(jīng)表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢。船舶領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員在激光清洗的應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，激光清洗在坡口、焊道表面、局部腐蝕區(qū)及船舶內(nèi)部狹小空間等方面的清洗中相比傳統(tǒng)打磨技術(shù)更加高效，在部分表面質(zhì)量要求很高的部位，無損傷或極低損傷的激光清洗已經(jīng)表現(xiàn)出了遠超傳統(tǒng)清理技術(shù)的優(yōu)勢。
2、工藝適應(yīng)性
船用材料種類繁多，激光清洗作為一種新興技術(shù)，對相應(yīng)材料的工藝研究尚不夠全面和深入，在相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準方面也有所缺失。這些都不利于激光清洗技術(shù)在船舶行業(yè)的推廣。
這些問題在近幾年已經(jīng)得到了極大的改善，很多船舶領(lǐng)域技術(shù)人員已逐步開展了激光清洗的工藝和應(yīng)用方面研究，也得到了大量的試驗數(shù)據(jù)。相信不久的將來，這些試驗數(shù)據(jù)可以形成相應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)庫指導(dǎo)激光清洗在船舶工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
若要推廣激光清洗在船舶工業(yè)的應(yīng)用，建立船舶工業(yè)的激光清洗規(guī)范和標(biāo)準十分關(guān)鍵，因為，行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準是指導(dǎo)技術(shù)在相關(guān)行業(yè)應(yīng)用的指導(dǎo)性文件。船舶工業(yè)應(yīng)當(dāng)及時整理整合本行業(yè)內(nèi)的激光清洗研究成果，組織建立相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準，從而快速推進激光清洗在船舶工業(yè)的應(yīng)用。
總結(jié)
激光清洗作為一種新型技術(shù)，在成本、效率及工藝等方面可能仍有欠缺，在船舶工業(yè)推廣應(yīng)用仍需要一定的時間。道路是曲折的，但相信前途是光明的。
一個富有前景的新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，需要我們的共同努力。相信不久的將來，激光清洗技術(shù)會在船舶領(lǐng)域占有自己的一席之地，為綠色船舶添磚加瓦。
