激光清洗銹蝕機理及工藝影響因素分析

1 導言

隨著在我國環境保護法規要求越來越嚴格、人們環保和安全意識日益增強，傳統清洗工業的諸多缺點越來越明顯。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的物體等清洗特點，被認為是最可靠、最有效的解決辦法。

各類金屬表面與其周圍介質發生化學或電化學反應，使金屬遭到腐蝕破壞。金屬腐蝕是一種資源浪費，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。目前國內外對激光清洗銹蝕方面的研究較多。自激光器發明后，激光清洗設想就被提出，近年來，國內也陸續開展了有關激光除銹的研究工作，并取得了有益的進展。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，進而造成工藝的穩定性較低，工業應用不夠靈活，如處理不當，會造成二次腐蝕等因素，干式激光清洗的研究對于工業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，探討激光清洗工藝對碳鋼板銹蝕去除的影響，進而指導實踐，同時為清洗用激光器的發展方向進行有益探索。

2 激光清洗銹蝕機理

從金屬銹蝕清洗的角度考慮，修飾層與基體屬于同質層，膜層材料中含有基底層元素、或者是基底層的派生物，即各種腐蝕產物或衰變產物。使用激光方式進行去除，其主要清洗機制為氣化機制，在激光能量密度達到銹蝕層的燒蝕閾值后實現清洗作用。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，為激光去除銹蝕創造了便利。

本質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界面處產生熱應力、銹層間隙的氣相或液相受熱產生膨脹力[lasercleaning]等共同作用下，汽化分解和間隙相膨脹破裂交替進行，銹層厚度逐漸減小，最終實現清除銹蝕效果。

3 實驗過程

3.1 樣品準備

（1）激光500W脈沖光纖激光器3.2設備準備

（2）激光手持式激光清洗機

 

3.3光斑尺寸測試

參數：8000mm/s，100%功率，頻率：65KHZ，填充間距2mm，光斑測試基材：鏡面不銹鋼，采用二次元設備進行測量。

3.4 實驗方案

從激光與材料耦合作用的本質角度出發，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、光強分布、光斑重疊率、脈沖寬度（單脈沖作用時間），脈沖波形。

針對上述激光清洗機，脈沖寬度、脈沖波形及光強分布均已固定，所以主要從功率密度（能量密度）、光斑大小，光斑重疊率方面進行實驗測試，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。

4 實驗結果

4.1 功率密度對清洗的影響

固定參數

實驗結果

峰值功率

—輸出平均功率（W）；

—脈沖寬度（ns）；

—脈沖頻率（KHz）；

根據光斑尺寸測試，F=254下聚焦光斑尺寸0.085mm，F=330下聚焦光斑尺寸0.1mm。

功率密度

總結：

清洗效率

1)隨著功率密度提高，銹層清除所需清洗次數（時間）近乎成比例下降，當功率密度達到某一閥值（約1.4E+08 w/cm2）時，功率密度繼續提高，清洗效率不再提升；

2)該測試表明，功率密度為4.5E+07 w/cm2，六次清洗不能使銹層清洗干凈，繼續清洗，對于該厚度銹層，可粗略認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焦點大小為0.085mm，小于設定填充間隙0.1mm造成的；

2) 實驗表明：在銹蝕清洗干凈的基礎上，不損傷基材的功率密度范圍約為7.5E+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2。

光斑大小對清洗的影響

固定參數

實驗結果

總結：

1) 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無關；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，銹蝕殘留量越來越少，基材氧化越來越輕。小光斑時，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，進而在基材與銹蝕層分界面處熱膨脹應力減小，去除能力變弱。以上兩方面綜合導致清洗能力下降；

4.3 光斑重疊率對清洗的影響

固定參數

實驗結果

總結：

1) 采用場鏡F=163時，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，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，由于掃描區域存在小塊未清洗區域（出現點狀底紋），進而出現銹蝕層殘留；重疊率較高時，由于光脈沖的累計熱效應，基材出現氧化發黃；

3) 實驗表明銹蝕清洗干凈，且基材不出現明顯氧化的重疊率范圍約為：20%~50%(理論計算圓形光斑覆蓋清洗區域的最小重疊率為25%)。在足夠的功率密度時，綜合清洗效果及效率，工藝設置時應使光斑重疊率＞20%即可。

5 結論

1)隨著功率密度提高，銹層清除效率成比例提高，當功率密度達到某一閥值（約1.4E+08 w/cm2）時，功率密度繼續提高，在銹蝕清洗干凈的基礎上，不損傷基材的功率密度范圍約為7.5E+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2。；

3)在功率密度、光斑重疊率確定時，清洗光斑尺寸與清洗次數無關，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；

4)實際進行清洗時，應根據清洗光斑大小，合理確定填充間距，避免清洗后底紋不平整情況出現；

5)光斑重疊率較低時，由于掃描區域存在小塊未清洗區域（出現點狀底紋），進而出現銹蝕層殘留；重疊率較高時，由于光脈沖的累計熱效應，基材出現氧化發黃；

實驗表明銹蝕清洗干凈，且基材不出現明顯氧化的重疊率范圍約為：20%~50%（理論計算圓形光斑覆蓋清洗區域的最小重疊率為25%）。在功率密度合適時，綜合清洗效果、效率因素，制定清洗工藝時，應使光斑重疊率＞20%即可。