r-ri—r-ir-i武漢元祿光電技術(shù)有限公司激光清洗機(jī)鋼鐵除銹工藝實(shí)驗(yàn)在分析鋼鐵在自然環(huán)境銹蝕機(jī)理及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究脈沖激光清洗工藝對銹蝕的影響。本文并沒有從傳統(tǒng)的激光工藝參數(shù)（頻率、功率、單脈沖能力等）出發(fā)進(jìn)行分析，而是從激光與材料耦合作用角度研究激光工藝對清洗銹蝕的影響，其結(jié)論更具普適性，并不局限于特定的某種激光器。導(dǎo)言隨著在我國環(huán)境保護(hù)法規(guī)要求越來越嚴(yán)格、人們環(huán)保和安全意識日益增強(qiáng)，傳統(tǒng)清洗工業(yè)的諸多缺點(diǎn)越來越明顯。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(zhì)的物體等清洗特點(diǎn)，被認(rèn)為是最可靠、最有效的解決辦法。各類金屬表面與其周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，使金屬遭到腐蝕破壞。金屬腐蝕是一種資源浪費(fèi)，其程度是非常驚人的。各種金屬的腐蝕中，以鐵的腐蝕最為嚴(yán)重，世界上每年因腐蝕造成的鋼鐵損失占鋼鐵總量的1/5?1/4。目前國內(nèi)外對激光清洗銹蝕方面的研究較多。自激光器發(fā)明后，激光清洗設(shè)想就被提出，近年來，國內(nèi)也陸續(xù)開展了有關(guān)激光除銹的研究工作，并取得了有益的進(jìn)展。干式激光清洗的效率低于濕式清洗，但由于濕式清洗引入液膜，進(jìn)而造成工藝的穩(wěn)定性較低，工業(yè)應(yīng)用不夠靈活，如處理不當(dāng)，會(huì)造成二次腐蝕等因素，干式激光清洗的研究對于工業(yè)化推廣而言更為重要。本文從材料與激光耦合作用角度出發(fā)，探討激光清洗工藝對碳鋼板銹蝕去除的影響，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)踐，同時(shí)為清洗用激光器的發(fā)展方向進(jìn)行有益探索。激光清洗銹蝕機(jī)原理從金屬銹蝕清洗的角度考慮，修飾層與基體屬于同質(zhì)層，膜層材料中含有基底層元素、或者是基底層的派生物，即各種腐蝕產(chǎn)物或衰變產(chǎn)物。使用激光方式進(jìn)行去除，其主要清洗機(jī)制為氣化機(jī)制，在激光能量密度達(dá)到銹蝕層的燒蝕閾值后實(shí)現(xiàn)清洗作用。具體去除方式分為直接氣化和反沖壓力兩種。鋼鐵在大氣環(huán)境中生成的鐵銹屬縫隙腐蝕，在鋼鐵基體表面形成一層疏松多孔的氧化皮，無法起到封閉保護(hù)作用。水、氧氣及其它氣體的滲入，使基體不斷被銹蝕。然而基于鋼鐵銹層的這種特點(diǎn)，為激光去除銹蝕創(chuàng)造了便利。本質(zhì)上金屬材料銹蝕激光清洗屬于物理去除，主要是通過銹層汽化、銹層與基體存在溫度梯度誘導(dǎo)界面處產(chǎn)生熱應(yīng)力、銹層間隙的氣相或液相受熱產(chǎn)生膨脹力［lasercleaning］等共同作用下，汽化分解和間隙相膨脹破裂交替進(jìn)行，銹層厚度逐漸減小，最終實(shí)現(xiàn)清除銹蝕效果。實(shí)驗(yàn)過程樣品準(zhǔn)備武漢元祿光電技術(shù)有限公司武漢元祿光電技術(shù)有限公司材在英35板材*寸汨）6X1COX2OT精蝕厚度0.4juti設(shè)備準(zhǔn)備（1）100W脈沖光纖激光器tail用試靠忤植岫典型值單位上柞程式除沖信施降機(jī)趣演做砌輸出功率沿（J率檢t曾，工口。110W功率湄甘謝15%ion%中心波長1。。耐率融106010641068nm蹶中斡姿率觸80100160歸期功率穩(wěn)定性1。口融率融±2上5%1融助擇物網(wǎng)（A50V或非（M整機(jī)重重冷卻方式矍制即令（2）移動(dòng)式激光清洗機(jī)光斑尺寸測試參數(shù)：8000mm/s,100%功率，頻率：65KHZ,填充間距2mm,光斑測試基材：鏡面不銹鋼，-FJEKH采用二次元設(shè)備進(jìn)行測量。7^_光斑直徑場境黑距、一一焦點(diǎn)光斑直徑（測量平均植〕lOOmm0.0算IfiQmni0065乃4Tmii0085330mniD.1實(shí)驗(yàn)方案從激光與材料耦合作用的本質(zhì)角度出發(fā)，可能影響銹蝕清洗效率及效果的因素有：功率密度（能量密度）、光斑大小、光強(qiáng)分布、光斑重疊率、脈沖寬度（單脈沖作用時(shí)間），脈沖波形。針對上述激光清洗機(jī)，脈沖寬度、脈沖波形及光強(qiáng)分布均已固定，所以主要從功率密度（能量密度）、光斑大小，光斑重疊率方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，研究各種因素如何影響脈沖激光清洗銹蝕的清洗效率及清洗效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果功率密度對清洗的影響固定參數(shù)清洗區(qū)域＜mm）20^20清洗方式振鏡固定掃描離焦量（?）0出光頻率（KHz）65脈沖寬度（口。1.30功率密度（w'?n3）1.4E-HJS重（%）2294埴充間距Cmm）0.1填充方式弓形填充httphttp:〃F=33。底紋明顯，基材氧化發(fā)黃.底段平整，基材氧化輕微發(fā)黃，清洗清洗2■潑清洗3次可見底丸基材氧化輕做發(fā)黃。底紋平整，清洗干凈，50W'者洗4次可尻底墳，清洗干凈。底紋平整，清洗干凈〃清洗&次底紋不明顯，銹蝕存在殘備底紋平整，銹飩存在殘留。武漢元祿光電技術(shù)有限公司武漢元祿光電技術(shù)有限公司F=2S*F=33090W清洗2次清冼2次底紋明顯，基材氧化發(fā)黃。底紋平整，基材氧化輕微發(fā)黃。7aw涓洗2次廟紋平整兒清洗干凈口可見底紋燼基材氧化輕微發(fā)黃口清洗1次可見底紋,清洗干凈口清洗，次底紋不明顯;?銹蝕存在殘留。50W清洗4波底紋平整，:清洗干凈.30W清冼5次底紋平整,銹蝕存在殘留。峰值功率rrizna一輸出平均功率（W）；一脈沖寬度（ns）；一脈沖頻率（KHz）；根據(jù)光斑尺寸測試，F(xiàn)=254下聚焦光斑尺寸0.085mm，F(xiàn)=330下聚焦光斑尺寸0.1mm。功率密度場精功率F=254F=3301.9E+08w/cm2清洗找敬：2次1.4E-0Sw/cinz清洗次數(shù)：2次7GW1.5E+OSw/cm2清洗被敬：2次1.1E-OSw/cmz清洗衣城：3次SOW].OE-Kigw/cm2清洗被.數(shù)：1次7.5E-Q7w/cmz清洗次數(shù)：4次30W6.3E+07w/'cm2清洗次數(shù).3次4.5E—07w/cmz清洗次數(shù)26次武漢元祿光電技術(shù)有限公司武漢元祿光電技術(shù)有限公司光斑大小對清洗的影響光斑大小對清洗的影響功率密度對清洗效率影響（F=330）4.0E-HJ75.0EM7工0EM71.GE+0B1.2E+CB1.4E*3B功率空度（w/cmE）功率密度對清洗效率影響（F=254）總結(jié)：清洗效率1）隨著功率密度提高，銹層清除所需清洗次數(shù)（時(shí)間）近乎成比例下降，當(dāng)功率密度達(dá)到某一閥值（約1.4E+08w/cm2）時(shí)，功率密度繼續(xù)提高，清洗效率不再提升；2）該測試表明，功率密度為4.5E+07w/cm2,六次清洗不能使銹層清洗干凈，繼續(xù)清洗，對于該厚度銹層，可粗略認(rèn)為該功率密度附近為銹層清洗閥值下限；清洗效果1）場鏡F=254下清洗條紋較場鏡F=330明顯，這是由于場鏡F=254焦點(diǎn)大小為0.085mm，小于設(shè)定填充間隙0.1mm造成的；2）實(shí)驗(yàn)表明：在銹蝕清洗干凈的基礎(chǔ)上，不損傷基材的功率密度范圍約為7.5E+07w/cm2~1.5E+08w/cm2。武漢元祿光電技術(shù)有限公司武漢元祿光電技術(shù)有限公司4.34.3光斑重疊率對清洗的影響tn-I：UU一LI—一固定參數(shù)清洗區(qū)域Cm)20x20清洗方式振鏡固定寸潮離O(mm)0出光頻率(KHz)吃脈?1中定度(HS)130功度Cwcm2)14E+08光斑重彝率(%)22%填充間距(mm)0.]填充方式弓形埴充實(shí)掩轉(zhuǎn)果J-??薯融清洗效票'F-1D&197Mtl1AF-1心輯Q0mim$F=254枷QnM渚洗效果■E”芟‘油7'.“*>；■^'-1,H*31*'"：￡，—.型1.,*lF'kf7?v""'""'JJhknRAl“信敬大|?|?1?牽李枷1效果說明皙賽篇ft：2：清流時(shí)同：2329s膏洗效果：底裂較平鴕，星射苴比瞪看，朝獨(dú)存在轉(zhuǎn)智e蒲洗次和：工；有光脖間；L式口s若冼效果：底皎較平陷，踵制氧化輕的宣黃，糟彌存在夠智。2清洗次和；2；有先時(shí)利；0J5i落震站票:展蚊較平整、清洗年春，營材輕磔友善*總結(jié)：排除光斑重疊率與功率密度影響，可見光斑尺寸與清洗次數(shù)無關(guān)；保持功率密度及光斑重疊率不變，光斑尺寸越大，即可提通過升掃描速度及填充間距，進(jìn)而提升清洗效率；隨著光斑尺寸變大，清洗效率線性提高，銹蝕殘留量越來越少，基材氧化越來越輕。小光斑時(shí)，一方面可能是基材表面熔化，局部銹蝕層融入基材；另一方面慢速下基材溫度上升較高，即基材與銹蝕層溫度梯度減小，進(jìn)而在基材與銹蝕層分界面處熱膨脹應(yīng)力減小，去除能力變?nèi)酢Ｒ陨蟽煞矫婢C合導(dǎo)致清洗能力下降；httphttp:〃同定參數(shù)渚洗區(qū)域Cmm)20心0清洗方式振鏡固定寸曲離^量<min)0出光頻率(KHz)65脈沖寬度(ns)130功翩度(vr/<m2)1.4E-KJ8光斑重嶷率(%)22%填充間5月《皿》0.1填充方式弓形填充武漢元祿光電技術(shù)有限公司武漢元祿光電技術(shù)有限公司r_r<—miriIIIrvTj實(shí)驗(yàn)結(jié)果、場，防速信,F-163J-33&P=SUWIMOmr哂1底級至線狀，工加童盤率74.4%吉科互化發(fā)苦。清沸2次，光堀重疊章屯6%原次平整，前國有匕偈苗。1BOdOmm/s消驍3承光工底紋呈線狀，加重疊率23.1無輕微發(fā)黃■=□清洗3次中光謔重塾率為2%底紋平整，清在干凈，15網(wǎng)01皿位5霄龍4段’;猿^^-28.2%清洗4次:，.將五重疊率±3.1件總結(jié)：1）采用場鏡F=163時(shí)，由于光斑直徑為0.063mm,填充間距為0.1mm,所以底紋條紋狀顯著；場鏡F=330時(shí)，光斑直徑等于填充間距，故底紋條紋狀不明顯；光斑重疊率較低時(shí),由于掃描區(qū)域存在小塊未清洗區(qū)域（出現(xiàn)點(diǎn)狀底紋）,進(jìn)而出現(xiàn)銹蝕層殘留；重疊率較高時(shí),由于光脈沖的累計(jì)熱效應(yīng),基材出現(xiàn)氧化發(fā)黃；實(shí)驗(yàn)表明銹蝕清洗干凈,且基材不出現(xiàn)明顯氧化的重疊率范圍約為：20%~50%（理論計(jì)算圓形光斑覆蓋清洗區(qū)域的最小重疊率為25%）。在足夠的功率密度時(shí),綜合清洗效果及效率,工藝設(shè)置時(shí)應(yīng)使光斑重疊率＞20%即可。武漢元祿光電技術(shù)有限公司武漢元祿光電技術(shù)有限公司r_ri—rjn5結(jié)論1）隨著功率密度提高，銹層清除效率成比例提高，當(dāng)功率密度達(dá)到某一閥值（約1.4E+08w/cm2）時(shí)，功率密度繼續(xù)提高，在銹蝕清洗干凈的基礎(chǔ)上，不損傷基材的功率密度范圍約為7.5E+07w/cm2~1.5E+08w/cmZ；2）在功率密度、光斑重疊率確定時(shí)，清洗光斑尺寸與清洗次數(shù)無關(guān)，即單次去除厚度不變；光斑尺寸越大，即可提通過升掃描速度及填充間距，一方面提升清洗效率，另一方面，清洗速度提升使基材熱累積降低，基材表面氧化情況得到改善，去除能力變強(qiáng)；3）實(shí)際進(jìn)行清洗