文/Mike Poulter，Jack Gabzdyl

長(zhǎng)期以來(lái)，納秒光纖激光器一直是一種可靠、經(jīng)濟(jì)高效的材料打標(biāo)工具。然而，近年來(lái)，納秒級(jí)光纖激光器的新發(fā)展，已經(jīng)讓它們超越了典型的打標(biāo)應(yīng)用。在保持光纖激光器相對(duì)較低的價(jià)格以及免費(fèi)維護(hù)的前提下，這些新光源以更高的脈沖能量、更高的峰值功率和更高的平均功率為特點(diǎn)，正在微機(jī)械加工應(yīng)用，如薄片切割、連接和表面處理等領(lǐng)域開(kāi)辟出更廣泛的應(yīng)用空間。

SPI Lasers公司的新型納秒光纖激光器，能夠產(chǎn)生高達(dá)50kW的峰值功率和250W的平均功率。利用直接調(diào)制的種子激光技術(shù)和脈沖調(diào)諧（PulseTune）功能，這些激光器能提供3~2000ns的多功能脈沖持續(xù)時(shí)間控制，使輸出優(yōu)化，以便用于清洗、燒蝕和表面功能化。其中的關(guān)鍵是脈沖特有的時(shí)間形狀特性。這些脈沖的特征是：具有一個(gè)快速上升沿和一個(gè)指數(shù)衰減的下降沿。

與更接近高斯形狀的脈沖相比，PulseTune功能的輸出，在更早的時(shí)間內(nèi)超過(guò)燒蝕閾值，使總脈沖能量得到更大比例的利用，并最終實(shí)現(xiàn)更高的工藝效率、減少基板材料的殘余加熱。與傳統(tǒng)的Q開(kāi)關(guān)激光器不同，PulseTune功能還可以在高脈沖重復(fù)頻率下保持峰值功率，以提高某些加工的速度。針對(duì)清洗應(yīng)用，這些新型納秒光纖激光器還提供了一系列光束質(zhì)量選項(xiàng)，這為優(yōu)化能量和峰值功率密度提供了另一個(gè)維度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面積的最佳覆蓋。

激光清洗與燒蝕

當(dāng)清洗表面時(shí)，我們主要關(guān)心的是去除不需要層，同時(shí)還要最大限度地降低對(duì)基材的影響�，F(xiàn)有的工藝包括機(jī)械刷洗、噴砂以及化學(xué)或干冰處理。刷洗和噴砂都可能非常臟，噪音很大，材料消耗和機(jī)器磨損程度也很高。另一方面，化學(xué)處理可能涉及對(duì)環(huán)境有害的溶劑，導(dǎo)致消耗品和廢物處理的高成本。激光清洗為這些問(wèn)題提供了一種解決方案，同時(shí)在向被清洗的表面輸送能量方面，也提供了更高水平的控制，使能量控制更加精確，可重復(fù)使用，產(chǎn)生的廢料更少。

激光清洗還具有驚人的可適用性，不管是清洗微觀表面還是清洗類(lèi)似飛機(jī)和建筑物中的大型表面，激光清洗都能提供合適的解決方案。因此，商業(yè)激光清洗系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)多種不同的結(jié)構(gòu)。有些系統(tǒng)是半便攜式的，帶有手持處理頭，其中至少包含一個(gè)振鏡掃描軸，以使光束能掃描被清洗的表面（見(jiàn)圖1）。其他系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)控制方案進(jìn)行高精度加工，或使用機(jī)械臂進(jìn)行多維表面清洗或遠(yuǎn)程清洗，這一點(diǎn)對(duì)于核設(shè)施的處理特別有用。

圖1：手持式激光清洗頭。（圖片來(lái)源：4JET Technologies GmbH）

值得注意的是，光-物質(zhì)相互作用的機(jī)理，對(duì)于所有激光清洗應(yīng)用并不都是一樣的。有效的清洗方案可以包括燒蝕、蒸發(fā)、熔化和通過(guò)產(chǎn)生蒸汽壓力噴射熔體的組合。

一般來(lái)說(shuō)，清潔過(guò)程的效率取決于許多參數(shù)。在理想情況下，激光應(yīng)該很好地被待清洗的層吸收，但要保證激光能量低于基底材料的相關(guān)工藝閾值。這種方式可以使該工藝具有自限制性，即使過(guò)度加工也不會(huì)對(duì)基底材料造成顯著的損壞。這可以通過(guò)優(yōu)化激光波長(zhǎng)或調(diào)整光束參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些參數(shù)包括脈沖能量、脈沖持續(xù)時(shí)間（峰值功率）和光束輪廓（能量和峰值功率密度）。激光清洗的關(guān)鍵性能指標(biāo)通常包括表面質(zhì)量、邊緣質(zhì)量和清洗速度。

圖2：從金屬板上選擇性地去除粉末涂層。

最近，去除涂漆或陽(yáng)極氧化表面已成為商業(yè)應(yīng)用中頗為關(guān)注的話題，這類(lèi)清洗就非常適合采用激光清洗方式。試驗(yàn)表明，清洗質(zhì)量和清洗速度會(huì)因涂層和基材的厚度、化學(xué)成分、顏色和表面光潔度而發(fā)生顯著變化。這就強(qiáng)調(diào)了優(yōu)化激光輸出以滿(mǎn)足手頭工作的重要性。圖2中的鋁板，先施加了黃色涂層，然后是紅色涂層；圖中顯示了只去除紅色涂層和兩種涂層都去除的加工效果。激光器的輸出經(jīng)過(guò)優(yōu)化，每次有選擇性地移除一層，而不會(huì)損壞下面的一層。最后一步，用相同的激光對(duì)裸金屬進(jìn)行白色標(biāo)記，以提高圖像對(duì)比度。

去除金屬上的鐵銹和氧化層是另一種激光清洗應(yīng)用，激光清洗方案由于其提供的速度和靈活性而越來(lái)越受歡迎。從金屬上除銹的過(guò)程與去除油漆層類(lèi)似，但有一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別：鐵銹和氧化物能夠?qū)Υ髩K材料進(jìn)行化學(xué)腐蝕、點(diǎn)蝕和滲透，使其不僅存在于表面（見(jiàn)圖3）。為了完全去除基底材料上不同程度的銹跡，還需要用雕刻的方法去掉薄薄的一層基底材料。重要的是，有效去除表面銹跡所需要的激光參數(shù)，與最佳去除滲透性銹跡所需要的參數(shù)不同；事實(shí)上，它們恰恰相反。

圖3：金屬中的銹蝕或氧化物腐蝕的程度（a）以及鋼鏈除銹實(shí)例（b）。

激光清洗也正在取代傳統(tǒng)的焊接準(zhǔn)備方法，即在金屬焊接前，有選擇地從金屬上去除保護(hù)性電偶層。圖4顯示了從低碳鋼中去除氧化鋅，以便于焊接和隨后的重新鍍鋅。在這種應(yīng)用中，最長(zhǎng)、能量更高的納秒脈沖，有利于氧化物的去除和獲得最佳邊緣質(zhì)量。在200W平均功率下，可實(shí)現(xiàn)大于100mm²/s的清洗速度。

圖4：去除低碳鋼上的氧化鋅，為后續(xù)焊做準(zhǔn)備。

另外，激光清洗還可以用于后處理，以實(shí)現(xiàn)美觀性和相應(yīng)的功能性。圖5顯示了不銹鋼焊縫和激光雕刻的車(chē)輛識(shí)別號(hào)（VIN）的清洗，以獲得更高質(zhì)量的表面美觀度和更清晰的辨識(shí)度。在后一個(gè)案例中，同一臺(tái)200W納秒光纖激光器用于雕刻標(biāo)記，并通過(guò)重新優(yōu)化激光參數(shù)用于清洗。

圖 5：不銹鋼焊縫的激光清洗以及激光雕刻車(chē)輛識(shí)別號(hào)（VIN）的后處理清洗。

激光清洗的需求不僅來(lái)自傳統(tǒng)市場(chǎng)，還來(lái)自于新的終端用戶(hù)市場(chǎng)，例如快速增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)。電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)了對(duì)激光清洗的需求，例如從電機(jī)發(fā)夾上剝離PEEK、PI和PAI涂層，從電池箔上去除特殊涂層，以及清潔汽車(chē)輪胎模具工具等。

在消費(fèi)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中，新的納秒光纖激光器正在取代固態(tài)光源，有選擇地、精確地從玻璃上去除透明導(dǎo)電層薄膜。從圖6中的案例可以看出，銦錫氧化物（ITO）已經(jīng)被快速有效地去除，以便在顯示面板上進(jìn)行切邊處理。使用200W納秒脈沖光纖激光器，能以接近20cm²/s的速率去除這類(lèi)薄膜層。

圖6：在不損壞玻璃基板的情況下，從顯示面板上去除ITO的邊緣。

激光表面功能化

隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，最新的納秒級(jí)光纖激光器已經(jīng)超越了清洗應(yīng)用，延伸到了表面功能化應(yīng)用；而這些應(yīng)用在之前被認(rèn)為是超快光源的專(zhuān)有領(lǐng)域。由于峰值功率和功率密度的提高，納秒級(jí)光纖激光器正推動(dòng)著表面摩擦系數(shù)的增加和減小、流體力學(xué)中的阻力降低或機(jī)械破碎系統(tǒng)效率的提高。圖7顯示了一個(gè)激光表面拋光的例子，這是通過(guò)受控的Marangoni流實(shí)現(xiàn)的；這項(xiàng)應(yīng)用對(duì)高精度工具、模具和醫(yī)療植入物領(lǐng)域具有重要意義。

圖 7：不銹鋼板的激光拋光（圖片來(lái)源：Heriot Watt University）

表面功能化的另一個(gè)令人興奮的應(yīng)用領(lǐng)域是不銹鋼的激光毛化，用于蒸餾、石油化學(xué)、制冷和核能發(fā)電應(yīng)用。在這一過(guò)程中，可以形成微結(jié)構(gòu)，顯著增加核池傳熱系數(shù)，不僅能提高純流體的沸騰效率，而且還能提高二元混合物的沸騰效率（圖8）。

新的納秒激光毛化技術(shù)也可用于控制表面的潤(rùn)濕性，以提供疏水性和親水性。這是用于水介質(zhì)或其他腐蝕性環(huán)境中的部件的重要特性，以防止腐蝕，延長(zhǎng)使用壽命。圖9顯示了用納秒脈沖光纖激光器對(duì)不銹鋼進(jìn)行功能化處理，產(chǎn)生的疏水表面接觸角超過(guò)145°。

圖8：用于提高流體沸騰效率的不銹鋼激光毛化。

圖9：用納秒脈沖光纖激光處理的不銹鋼的疏水性。

新的納秒光纖激光器提供了一個(gè)靈活、經(jīng)濟(jì)的參數(shù)范圍，使得用于清洗、燒蝕和表面功能化的下一代光源成為可能。這些激光器允許用戶(hù)選擇性地去除材料，并且在速度、可控性和一致性方面均保持滿(mǎn)意效果。全球范圍內(nèi)越來(lái)越多的行業(yè)都開(kāi)始采用激光清洗技術(shù)，以提高生產(chǎn)率，降低成本。從電池、電動(dòng)汽車(chē)到太陽(yáng)能等各種市場(chǎng)，都是納秒脈沖激光器在清洗和表面功能化應(yīng)用方面大顯身手的重要舞臺(tái)。