摘要：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(duì)銹蝕的影響。本文并沒(méi)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(duì)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。

關(guān)鍵詞：激光清洗  激光與材料耦合作用

隨著在我國(guó)環(huán)境保護(hù)法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)格、人們環(huán)保和安全意識(shí)日益增強(qiáng)，傳統(tǒng)清洗工業(yè)的諸多缺點(diǎn)越來(lái)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(lái)，國(guó)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(duì)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(duì)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。

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(wú)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(guò)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。

3.1樣品準(zhǔn)備



 

3.2設(shè)備準(zhǔn)備

（1）創(chuàng)鑫激光100W脈沖光纖激光器

3.3光斑尺寸測(cè)試

參數(shù)：8000mm/s，100%功率；

頻率：65KHZ，填充間距2mm；

光斑測(cè)試基材：鏡面不銹鋼，采用二次元設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

3.4 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(duì)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(cè)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。

4.1功率密度對(duì)清洗的影響固定參數(shù)
 

峰值功率

根據(jù)光斑尺寸測(cè)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。

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+08 w/cm2）時(shí)，功率密度繼續(xù)提高，清洗效率不再提升；

（2）該測(cè)試表明，功率密度為4.5E+07 w/cm2，六次清洗不能使銹層清洗干凈，繼續(xù)清洗，對(duì)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(chǎng)鏡F=254下清洗條紋較場(chǎng)鏡F=330明顯，這是由于場(chǎng)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+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2。

4.2光斑大小對(duì)清洗的影響

固定參數(shù)

總結(jié)：

（1）排除光斑重疊率與功率密度影響，可見(jiàn)光斑尺寸與清洗次數(shù)無(wú)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(guò)升掃描速度及填充間距，進(jìn)而提升清洗效率；

（2）隨著光斑尺寸變大，清洗效率線性提高，銹蝕殘留量越來(lái)越少，基材氧化越來(lái)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)?。以上兩方面綜合導(dǎo)致清洗能力下降。

4.3 光斑重疊率對(duì)清洗的影響

固定參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

總結(jié)：

（1）采用場(chǎng)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(chǎng)鏡F=330時(shí)，光斑直徑等于填充間距，故底紋條紋狀不明顯；

（2）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；

（3）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。

（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+08 w/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+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2。；

（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(wú)關(guān)，即單次去除厚度不變；光斑尺寸越大，即可提通過(guò)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)行清洗時(shí)，應(yīng)根據(jù)清洗光斑大小，合理確定填充間距，避免清洗后底紋不平整情況出現(xiàn)；

（4）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；

（5）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%）。在功率密度合適時(shí)，綜合清洗效果、效率因素，制定清洗工藝時(shí)，應(yīng)使光斑重疊率＞20%即可。