本文介紹了激光清洗技術(shù)的概念和基本原理，并用試驗方法研究了不銹鋼表面激光清理效果，試驗表明，激光表面清理技術(shù)能快速清除不銹鋼焊縫及熱影響區(qū)的氧化色以及不銹鋼表面的油漆和銹蝕，并能形成新的鈍化層。
激光清洗技術(shù)基本原理
激光清洗技術(shù)是指采用高能激光束照射工作表面，使表面的污物，銹斑或涂層發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離，高速有效地清除清潔對象表面附著物或表面涂層，從而達到潔凈的工藝過程。
激光同電子束和離子束統(tǒng)稱為高能束，共同特點是束流攜帶著很高的能量在空間傳輸，通過聚焦，在焦點附近可得到104～1015W／cm2功率密度的照射，是強度最高的熱源。激光具有高亮度，高方向性、高單色性和高相干性的特點，這是普通光源所無法比擬的。利用激光的高亮度，經(jīng)過透鏡聚焦后，能在焦點附近產(chǎn)生上千度甚至上萬度的溫度。激光的高方向性使得激光能有效進行長距離傳輸。激光的單色性極高，波長單一，有利于聚焦和波長選擇。激光器發(fā)出的激光從光纖中傳輸?shù)骄劢圭R頭，聚焦后從噴嘴內(nèi)孔抵達需清洗工件表面。通常使用噴嘴，借助于與激光同軸的小孔噴嘴將具有一定壓力的氣體吹到清洗區(qū)。氣體由輔助氣源提供，其主要作用為防止鏡頭被飛濺物和煙塵污染，并起到凈化工件表面，強化激光與材料的熱作用。
如圖1所示，物體表面污染物吸收激光能量后，或汽化揮發(fā)，或瞬間受熱膨脹而克服表面對粒子的吸附力，使其脫離物體表面，進而達到清洗的目的。目前對激光清洗的機理存在著一些分歧，但大多數(shù)機理都能對激光清洗實驗中的一些現(xiàn)象進行合理的解釋，歸納起來大致包括激光汽化分解、激光剝離、污物粒子熱膨脹、基體表面振動和粒子振動四個方面；而且，激光清洗常常是多種機理同時作用的結(jié)果。
圖1 激光清洗原理
激光清洗機理根據(jù)表面附著物和基體熱物理參數(shù)差別大小而有所不同。當表面附著物與基體材料的熱物理參數(shù)差別較大時，激光清洗機理包括：燒蝕汽化、熱振動與熱沖擊機理和聲波振碎機理，如激光清洗漆層和橡膠層。當表面附著物與基體材料的熱物理參數(shù)差別不大時，主要是燒蝕汽化機理在起作用，如激光除銹。
不銹鋼焊縫表面清理試驗研究
我公司長期大批量生產(chǎn)T4003不銹鋼車體的車輛，且大部分為不銹鋼車體，不銹鋼材料在焊接時，局部部位由于裝配間隙超差，導致熱輸入較大，特別是使用3mm左右的薄板時，會導致不銹鋼焊縫附近和焊縫背部發(fā)生表面氧化，破壞了材料原有的鈍化層，使材料耐腐蝕性能降低甚至失效，部分產(chǎn)品的不銹鋼外表不要求涂刷油漆或者涂刷透明色清漆，過度氧化造成的色差會嚴重影響車輛的整體美觀。不銹鋼焊縫過度氧化主要發(fā)生在車體外表面，如側(cè)墻、下部側(cè)墻板等部位，特別是側(cè)墻與端墻板（端墻橫帶）連接部位，如圖2所示。
圖2 不銹鋼車體外表面焊縫熱影響區(qū)過度氧化
按照AWS D18.2標準和AS 1554.6標準的推薦，焊縫和熱影響區(qū)的表面允許有淡稻草色氧化物，及圖3中的樣品1~3，藍色、褐色和黑色的氧化物不合要求。除焊縫氧化外，不銹鋼車體在生產(chǎn)中還會存在局部銹蝕或其他污染物等問題，本項目擬通過試驗方法驗證利用激光表面清理技術(shù)祛除不銹鋼表面的過度氧化及銹蝕等其他雜質(zhì)的能力，和處理后表面的耐腐蝕能力。
圖3 不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)氧化變色樣本（AWS D18.2:2009）
（1）試驗過程選用65W手持式激光清理裝置，通過參數(shù)調(diào)節(jié)，可得到不同的效果，不同參數(shù)下的不同處理效果如圖4所示，通過多次試驗，為達到理想的表面狀態(tài)，合理的參數(shù)設(shè)置如下：①激光功率：65W。②光斑重合度：1.2。③脈寬：30~240ns。④脈沖能量：0.1~0.8mJ，最優(yōu)能量0.1~0.2mJ。
圖4 不銹鋼樣品表面清理測試
（2）試驗結(jié)果在上述參數(shù)下，通過激光清理裝置處理后，能夠?qū)⒑缚p及熱影響區(qū)的氧化層全部去除，如圖5~圖7所示。
圖5 對接焊縫清理前后對比
圖6 角焊縫正面清理前后對比
圖7 角焊縫背面清理前后對比
根據(jù)受處理表面狀態(tài)對光吸收率的差異，通過調(diào)整波長等參數(shù)，激光不僅能清理金屬表面氧化層，還能快速清理不銹鋼表面的銹蝕和油漆（見圖8~圖9）。
圖8 上側(cè)梁銹蝕清理
圖9 清漆清理
激光表面清理不僅能徹底清除焊縫及熱影響區(qū)的氧化層，還能形成新的鈍化層，防止再次生銹，為驗證新鈍化層的耐腐蝕性，進行了自然環(huán)境和模擬環(huán)境下的耐腐蝕對比試驗。試驗內(nèi)容為將2塊試板進行局部激光清理，分別存放于不同的環(huán)境中一段時間后觀察其銹蝕情況。其銹蝕情況見圖10：試板1放置于室外露天環(huán)境6個月，觀察發(fā)現(xiàn)，未清理表面有大量銹蝕痕跡，激光清理后表面僅有點狀銹蝕。試板2置于室內(nèi)常溫環(huán)境下6個月，觀察發(fā)現(xiàn)，未清理表面出現(xiàn)自然氧化色，激光清理后表面未觀察到變色、銹蝕情況，仍呈金屬本色。
圖10 不銹鋼板樣品清理后6個月的圖片
結(jié)語
激光表面清理技術(shù)能快速清除不銹鋼焊縫及熱影響區(qū)的氧化色以及不銹鋼表面的油漆和銹蝕；激光表面清理技術(shù)能形成新的鈍化層，具有良好的耐腐蝕性能；激光清理后的不銹鋼表面與原表面無較大色差。
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