激光除銹技術(shù)憑借無接觸、無損傷、環(huán)保高效等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、文物修復(fù)、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。這一技術(shù)的精準(zhǔn)落地，離不開背后各類物理模型的支撐 —— 它們?nèi)缤?“隱形工程師”，通過模擬激光與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，為實(shí)際清洗工藝提供科學(xué)指導(dǎo)。從簡(jiǎn)單的一維熱傳導(dǎo)分析到復(fù)雜的多層界面模型，激光除銹物理模型的發(fā)展始終圍繞 “精準(zhǔn)控制、減少損傷、貼近實(shí)際” 三大核心目標(biāo)不斷迭代。

一、基礎(chǔ)模型：從一維分析到雙層互動(dòng)

激光除銹物理模型的發(fā)展始于對(duì)核心物理現(xiàn)象的簡(jiǎn)化分析，早期模型雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

2007 年，南開大學(xué)宋峰團(tuán)隊(duì)提出的一維熱傳導(dǎo)模型，是激光除漆領(lǐng)域的經(jīng)典基礎(chǔ)模型。該模型將納秒級(jí)短脈沖激光除漆過程簡(jiǎn)化為一維熱傳導(dǎo)問題，通過計(jì)算熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力與漆層黏附力的平衡關(guān)系，明確了激光除銹的閾值條件。這一模型的核心價(jià)值在于實(shí)現(xiàn)了 “精準(zhǔn)選參”—— 既能保證漆層有效去除，又能避免基底受損，為工業(yè)除漆提供了直接的理論依據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，2008 年田彬等人針對(duì)干式激光除銹的理論缺陷，提出雙層熱彈性振動(dòng)模型。與一維模型相比，該模型的關(guān)鍵突破在于考慮了污物與基底的熱彈性振動(dòng)相互作用，通過解析溫度和位移的時(shí)空分布，精準(zhǔn)計(jì)算清洗閾值與損傷閾值。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型做出了四點(diǎn)合理假設(shè)：激光為均勻光束、僅考慮 Z 方向一維熱傳導(dǎo)、污物與基底絕熱、材料各向同性。這種 “簡(jiǎn)化 + 聚焦核心互動(dòng)” 的思路，讓模型既能模擬振動(dòng)效應(yīng)，又具備實(shí)際計(jì)算可行性，成為干式激光除銹的重要理論工具。

二、進(jìn)階模型：多層結(jié)構(gòu)與時(shí)空特性的精準(zhǔn)還原

隨著激光除銹應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜化，簡(jiǎn)單模型難以覆蓋多層覆層、非均勻光束等實(shí)際情況，更貼近現(xiàn)實(shí)的進(jìn)階模型應(yīng)運(yùn)而生。

南開大學(xué)施曙東團(tuán)隊(duì)提出的三層吸收界面的燒蝕振動(dòng)模型，解決了傳統(tǒng)模型 “結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化脫離實(shí)際” 的問題。其核心創(chuàng)新體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是引入 “界面層”，考慮清洗層、基底層與中間界面的熱致應(yīng)變相互作用，讓層間關(guān)系更符合實(shí)際；二是還原激光脈沖的時(shí)空分布，適配高斯光束等實(shí)際光源，真實(shí)反映激光特性對(duì)清洗結(jié)果的影響；三是適用范圍廣，無材料參數(shù)限制，可用于大面積薄膜覆層場(chǎng)景，實(shí)用性極強(qiáng)。這一模型的出現(xiàn)，讓激光除銹的模擬從 “理想狀態(tài)” 走向 “實(shí)際場(chǎng)景”，為復(fù)雜覆層清洗提供了精準(zhǔn)指導(dǎo)。

三、專項(xiàng)模型：聚焦不同物理機(jī)制的細(xì)分探索

除了通用模型，科研人員還針對(duì)激光除銹的特定物理機(jī)制（如燒蝕汽化、應(yīng)力作用、熱力耦合等），開發(fā)了各類專項(xiàng)模型，覆蓋不同應(yīng)用需求。

1. 溫度與燒蝕模型：聚焦熱效應(yīng)的精準(zhǔn)控制

這類模型以激光誘有道的熱效應(yīng)為核心，重點(diǎn)解決 “材料精準(zhǔn)去除” 問題。2006 年，法國(guó)原子能委員會(huì) Francois Brygo 等人建立的高重頻脈沖激光除銹模型，通過分析激光重復(fù)頻率、脈沖寬度與材料燒蝕汽化的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了材料的精確去除，有效避免基材損傷。2012 年四川大學(xué)鮮輝團(tuán)隊(duì)則基于電磁場(chǎng)理論，建模激光在油漆中的傳輸過程，明確了不同能量密度下的表面溫度分布，為油漆清洗的參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)激光波長(zhǎng)、脈寬對(duì)燒蝕機(jī)制影響顯著 —— 如碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）在 355nm 和 1064nm 激光照射下，會(huì)呈現(xiàn)不同的燒蝕效果。

2. 力模型：以應(yīng)力作用為核心的顆粒去除

針對(duì)微小顆粒的清洗，力模型重點(diǎn)分析激光誘有道的應(yīng)力與顆粒黏附力的平衡關(guān)系。1997 年，新加坡國(guó)立大學(xué) Lu 等人基于范德瓦耳斯力和熱擴(kuò)散理論，建立了計(jì)算最佳清洗工藝與脈沖數(shù)閾值的模型；2005 年 Hsin-Tsun Hsu 等人提出的表面應(yīng)力波模型，證實(shí)了激光功率密度的提高可增強(qiáng)表面應(yīng)力波加速度，助力顆粒去除；江海麗團(tuán)隊(duì)的激光等離子體沖擊波模型，則考慮了沖擊波與顆粒相互作用中的彈性能，通過優(yōu)化激光能量和傳播距離，實(shí)現(xiàn)了微觀尺度的大面積清潔。這些模型為精密器件表面的顆粒清洗提供了科學(xué)支撐。

3. 熱力模型：耦合熱效應(yīng)與力學(xué)作用

熱力模型綜合考慮熱傳導(dǎo)與應(yīng)力變化，更全面地模擬激光除銹過程。Lee 等人通過 Nd:YAG 激光器的實(shí)驗(yàn)與理論分析，發(fā)現(xiàn)較短激光波長(zhǎng)能提升能量吸收效率，產(chǎn)生更大熱彈性力，為波長(zhǎng)選擇提供了依據(jù)；Lu 等人的模型則同時(shí)納入黏著力（范德瓦耳斯力）與清潔力（熱膨脹力），通過石英襯底去鋁顆粒的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了清洗條件與閾值的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

4. 有限元模型：借助軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜過程可視化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元模型成為激光除銹模擬的重要工具，尤其適用于復(fù)雜材料（如復(fù)合材料）的清洗分析。李雅娣團(tuán)隊(duì)利用 ANSYS 軟件，建立了復(fù)合材料動(dòng)邊界退移燒蝕模型，實(shí)現(xiàn)了燒蝕與熱傳導(dǎo)耦合計(jì)算；高遼遠(yuǎn)等人通過 COMSOL Multiphysics 軟件，構(gòu)建了納秒脈沖激光除銹鋁合金漆層的有限元模型，可視化呈現(xiàn)溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，并明確了掃描速度、光斑搭接率等參數(shù)對(duì)清洗質(zhì)量的影響規(guī)律。這類模型的優(yōu)勢(shì)在于 “低成本、高效率”—— 通過仿真探索參數(shù)影響，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，大幅降低了工藝優(yōu)化的成本。

四、模型發(fā)展的核心趨勢(shì)：從簡(jiǎn)化到精準(zhǔn)，從單一到綜合

回顧激光除銹物理模型的發(fā)展歷程，不難發(fā)現(xiàn)其核心趨勢(shì)是 “貼近實(shí)際、多維耦合、廣泛適用”。早期模型通過簡(jiǎn)化假設(shè)搭建基礎(chǔ)框架，解決了 “能否清洗” 的問題；進(jìn)階模型引入多層結(jié)構(gòu)、時(shí)空分布等實(shí)際因素，解決了 “如何精準(zhǔn)清洗” 的問題；專項(xiàng)模型與有限元模型則針對(duì)不同場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了 “個(gè)性化優(yōu)化”。這些模型的迭代，不僅推動(dòng)了激光除銹技術(shù)的工藝升級(jí)，更拓展了其應(yīng)用邊界 —— 從簡(jiǎn)單除漆到精密器件清洗，從金屬材料到復(fù)合材料，激光除銹的精準(zhǔn)性與適用性不斷提升。

對(duì)于行業(yè)應(yīng)用而言，物理模型的價(jià)值在于 “用理論指導(dǎo)實(shí)踐”—— 通過模擬計(jì)算提前優(yōu)化參數(shù)，減少實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)成本，同時(shí)避免基材損傷，提升清洗效率與質(zhì)量。未來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展（如超短脈沖激光、高功率激光的應(yīng)用），物理模型將進(jìn)一步納入更多復(fù)雜因素（如材料非線性特性、多場(chǎng)耦合效應(yīng)），持續(xù)為激光除銹技術(shù)的創(chuàng)新提供科學(xué)支撐。