文/深圳市傑普特光電股份有限公司
雷射清洗技術作為一種高效、環保的清洗方式，正在逐漸替代傳統的化學清洗和機械清洗方法。随着國家對環保要求的日益嚴格，以及工業制造領域對清洗品質和效率的不斷追求，雷射清洗技術的市場需求正在快速增長。中國作為制造大國，擁有龐大的工業基礎，這為雷射清洗技術的廣泛應用提供了廣闊空間。在航空航天、軌道交通、汽車制造、模具制造等行業，雷射清洗技術已經得到了廣泛應用，并且正在逐漸向其他行業拓展。
工件表面清洗技術在很多領域都有廣泛的應用，傳統的清洗方法往往是接觸式清洗，對清洗物體表面有機械作用力，損傷物體的表面或者清洗的媒體附着于被清洗物體的表面，無法去除，産生二次污染。現如今國家倡導發展綠色環保的新興工業，用雷射清洗是最好的選擇。雷射清洗的無研磨和非接觸性，使這些問題迎刃而解。雷射清洗裝置适用于各種材質的物體清洗，被認為是最可靠、最有效的清洗辦法。
雷射清洗原理
雷射清洗是通過将高能量密度的雷射束照射到物體待清洗的部位，使雷射被污染層和基底吸收，通過光剝離、氣化等過程，克服污染物與基底之間的粘附力，使污染物離開物體表面，進而達到清洗目的，并且不損傷物體本身。
圖1：雷射清洗原理圖。
在雷射清洗領域中，光纖雷射器以其超高的光電轉換效率、優異的光束品質、穩定的性能和持續發展性，已經成為現在雷射清洗光源中的優勝者。光纖雷射器由脈沖光纖雷射器和連續光纖雷射器兩種類型為代表，分别占據着宏觀材料加工和精密材料加工的市場領先位置。
圖2：MOPA脈沖光纖雷射器構造。
MOPA脈沖光纖雷射器 vs. 連續光纖雷射器清洗應用對比
對于新興的雷射清洗應用，不少人面對市面上的脈沖雷射器和連續雷射器，可能會有些困惑：到底該選用脈沖光纖雷射器還是連續光纖雷射器呢？下面采用兩種不同類型的雷射器對兩種材料表面進行除漆實驗，用最佳的雷射清洗參數，優化好的清洗效果進行對比。
測試機型分别為CL-300-10-A MOPA脈沖光纖雷射器和CW-R-B-W-2000L連續光纖雷射器，見圖3。
圖3：CL-300-10-A MOPA脈沖光纖雷射器（上）和CW-R-B-W-2000L連續光纖雷射器（下）。
測試結果如圖4、圖5所示。通過微觀觀察，钣金經高功率連續光纖雷射器加工後，産生了重熔現象。鋼材經MOPA脈沖光纖雷射器加工後，輕微損傷基材，保持基材紋路；經連續光纖雷射器加工後，産生嚴重損傷和熔融物質。
MOPA脈沖光纖雷射器（左）連續光纖雷射器（右）
圖4：使用MOPA脈沖光纖雷射器（左）和連續光纖雷射器（右）對钣金表面脫漆後的表面效果（上）和微觀圖（下）對比。
MOPA脈沖光纖雷射器（左）連續光纖雷射器（右）
圖5：使用MOPA脈沖光纖雷射器（左）和連續光纖雷射器（右）對鋼材除鏽後的表面效果（上）和微觀圖（下）對比。
通過以上對比可知：連續光纖雷射器因其熱量輸入大，易導緻基材變色及變形；如對基材損傷要求不高，且材料清洗的厚度較薄的情況下，可選用該類雷射器作為光源。MOPA脈沖光纖雷射器是靠高峰值能量和高重頻脈沖的方式作用到材料上，通過對清洗物瞬間氣化和震蕩讓其剝離；其擁有熱效應小，相容性高，精細度高，可做到不破壞基材的特點。
由此結論，面對精密度高，需要嚴格控制基材升溫，要求基材無損的應用場景，比如噴漆後的鋁、模具鋼，推薦選擇MOPA脈沖光纖雷射器；對于一些大型高強度鋁合金材料、圓形管道等，由于體積大散熱快，對基材損傷要求不高，可以選擇連續光纖雷射器。
單模及多模雷射器的原理及應用差別
（1）單模及多模雷射原理簡介
圖6：單模（左）和多模（右）。
單模
單模指的是雷射能量在二維平面上的單一分布模式，也指雷射束的橫模，即橫截面内隻有一個模式，呈山峰形狀，中心至外緣的能量密度依次遞減，能量分布為高斯曲線形式，也稱為高斯光。
多模
多模指的是多個分布模式疊加在一起而形成的空間能量分布模式，也指雷射束的橫模，即橫截面上有很多個能量點，模式越多，則能量越呈現平頂分布，也稱為平頂光。
憑借在核心光源領域的技術創新和經驗積累，傑普特公司針對雷射清洗應用自主研發了MOPA 100~2000W功率段的CL系列雷射器（見圖7），其優勢在于輕量化的機殼及輸出頭設計，擁有單模、多模多種光束類型系列的光源可供選型，後續還将繼續研發更新CL系列。
圖7：CL-2000-100-W多模光纖雷射器（上）和CL2-200-1&5-A單模光纖雷射器（下）。
（2)單模及多模雷射加工光斑形貌對比
根據圖8a-c可以看出，CL-1系列光斑效果呈現“深坑狀”形态；CL-5系列光斑效果呈現平頂式的“弧狀”形态，CL-10系列光斑内部有深度，像外圍火山口。
圖8a：CL-1系列光斑圖，單模。
圖8b：CL-5系列光斑圖，多模。 圖8c：CL-10系列光斑圖，多模。
（3)單模及多模應用差別
多模和單模的差別：單模發出的是典型的高斯光束，能量非常集中，類似陡峭的山峰（見圖6左），光束品質也要優于多模；多模相當于是多束高斯光束的組合，是以能量分布近似一個倒扣的杯子（見圖6右），比較平均，當然光束品質較單模也要差一些。
根據不同的特性表現，單模和多模的應用方向也有所差別，比如在除漆、除鏽、去油污和毛化應用中，若被清洗物有一定厚度或鏽滲透進材料裡層的，選用單模雷射器去清洗比較合适；若對材料有較高要求，不能傷基材的情況，可以選擇多模雷射器去清洗。
雷射清洗實驗
（1）不鏽鋼除漆清洗實驗
圖9：不同能量密度下，CL-1/-5/-10/-15的清洗效果。
在不同能量密度下，通過材料微觀圖（見圖9）可以看出，CL-1系列傷基材，大部分基材紋路被打掉了；CL-5/-10/-15系列不傷基材，保留材料基材紋路。
（2）碳鋼基材除鏽清洗實驗
圖10：使用CL-1000-15（左）和CL-1000-50（右）獲得的碳鋼清洗效果。
通過碳鋼基材除鏽清洗實驗（見圖10），CL-50系列宏觀效果表面更為平整，表面粗糙度值也會更小，因為CL-50的光斑比CL-15的光斑更大一些；且與單模相比，多模的平頂光能更有效地利用能量，對清洗基材損傷程度能減到最小，适用于對基材要求高的工況。
(3)元素分析測試
采用JCM-7000掃描電子顯微鏡對表面元素含量進行元素分析，具體結果見表1。
表1：表面元素含量分析
圖11：（a）未清洗材料 （b）CL-10系列清洗效果 （c）CL-1系列清洗效果
從表1可看出，經CL-10系列雷射器清洗後，材料表面SiO2的含量下降了0.21%，SO3的含量下降了3.1%，氯已經被清洗掉了；經CL-1系列雷射器清洗後，所有表面元素完全被清洗掉了。
通過元素資料分析，在固定的清洗次數下，多模清洗後，表面的氧化物還有殘留；單模清洗後，表面的雜質基本去除幹淨，效率也相比于多模會更好。
綜上所述，以上實驗驗證單模和多模的原理及應用效果差別。CL-1系列雷射器可以徹底清洗表面鏽迹，但在基材表面易造成紋路的損傷；CL-5/-10/-15系列在去除塗層或漆面的同時，對基材幾乎沒有影響，能夠有效保留基材的原始紋路；CL-50系列聚焦光斑比CL-15系列更大，在宏觀效果上更具優勢。
單、多模雷射宏觀上都可以去除表面氧化層，單模清洗後比較徹底，對材料基材損傷程度較大。多模清洗後表面粗糙度較低，對材料基材損傷程度更小，但是清洗不到材料裡層的物質，同等參數下多模的清洗效果會更好。
像雷射除鏽、剝陽極、焊前焊後處理、手持打标等這些應用，使用傑普特研發的CL-1/5/10系列清洗雷射器效果更佳；如果材料需要高效率清洗，用較大光斑的平頂光去加工材料更合适，如CL-10/15/50系列清洗雷射器；如需要除漆、除鍍層、除薄鏽且不傷基材的應用，可使用CL-50/100系列雷射器。
除了CL系列，傑普特公司還研發了200~1000W功率段的M7系列光源，也屬于單模雷射器，M7系列采用隔離器輸出，對高反材料加工效果更佳，光束品質比 CL 系列更優，加工底紋更加細膩。M7 系列适用于雷射除鏽、表面處理、薄闆切割、焊接、雕刻、鑽孔、剝塗層等應用。
在雷射清洗中，需綜合考慮材料情況以確定在滿足清潔需求的同時，最大程度地減少對基材的損傷。根據實際工作情況，選擇合适的雷射光源至關重要。
雷射清洗想要走入規模化應用，離不開新技術和新工藝的創新，傑普特将繼續堅持雷射+的定位，控制好發展節奏穩紮穩打，努力深耕上遊核心雷射光源技術，重點解決關鍵雷射材料與部件關鍵問題，為先進制造提供動力之源。
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