摘要：在分析鋼鐵在自然環(huán)境銹蝕機理及特點的基礎上，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。
關鍵詞：激光清洗 激光與材料耦合作用
1. 導言
隨著在我國環(huán)境保護法規(guī)要求越來越嚴格、人們環(huán)保和安全意識日益增強，傳統(tǒng)清洗工業(yè)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(zhì)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(zhì)發(fā)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(nèi)外對激光清洗銹蝕方面的研究較多。自激光器發(fā)明后，激光清洗設想就被提出，近年來，國內(nèi)也陸續(xù)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(wěn)定性較低，工業(yè)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(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，進而指導實踐，同時為清洗用激光器的發(fā)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(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(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(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界面處產(chǎn)生熱應力、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行，銹層厚度逐漸減小，最終實現(xiàn)清除銹蝕效果。
3.實驗過程
3.1樣品準備
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材質(zhì) |
Q235板材 |
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尺寸（mm） |
6×100×200 |
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銹蝕厚度 |
0.4mm |
3.2設備準備
（1）創(chuàng)鑫激光100W脈沖光纖激光器
3.3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，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(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(jié)果
4.1功率密度對清洗的影響固定參數(shù)
峰值功率
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。
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(xù)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(xù)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。
4.2光斑大小對清洗的影響
固定參數(shù)
總結(jié)：
（1）排除光斑重疊率與功率密度影響，可見光斑尺寸與清洗次數(shù)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?nèi)酢Ｒ陨蟽煞矫婢C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(shù)
實驗結(jié)果
總結(jié)：
（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(qū)域存在小塊未清洗區(qū)域（出現(xiàn)點狀底紋），進而出現(xiàn)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(xiàn)氧化發(fā)黃；
（3）實驗表明銹蝕清洗干凈，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，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(jié)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(xù)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。；
（2）在功率密度、光斑重疊率確定時，清洗光斑尺寸與清洗次數(shù)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；
（3）實際進行清洗時，應根據(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，由于掃描區(qū)域存在小塊未清洗區(qū)域（出現(xiàn)點狀底紋），進而出現(xiàn)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(xiàn)氧化發(fā)黃；
（5）實驗表明銹蝕清洗干凈，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，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。
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