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工程機(jī)械裝備長(zhǎng)期服役于惡劣的工作環(huán)境，表面的銹蝕氧化物嚴(yán)重影響零部件的使用壽命和安全系數(shù)，因此，有效去除材料表面的氧化物層對(duì)于機(jī)械裝備的保養(yǎng)和維護(hù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)除銹工藝包括：機(jī)械打磨、噴丸噴砂處理、化學(xué)清洗以及高壓水射流清洗等，但存在對(duì)基體損傷大、污染嚴(yán)重、操作不便等問題，不符合綠色化清洗的發(fā)展趨勢(shì)。激光清洗技術(shù)作為一種新型的清洗手段，憑借其綠色環(huán)保、非接觸式清洗、操作方便以及適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，逐漸應(yīng)用于工程機(jī)械、航空航天、文物保護(hù)以及輪胎模具等多個(gè)領(lǐng)域。

1. 脈沖激光清洗銹蝕氧化物的機(jī)理

（1）燒蝕去除機(jī)理

激光清洗銹蝕氧化物的過程實(shí)際上是依靠光斑的往復(fù)移動(dòng)，當(dāng)氧化物層溫度達(dá)到自身熔化或者氣化溫度時(shí)，氧化層材料會(huì)因相變發(fā)生熔化分解、氣化蒸發(fā)等效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)逐層去除的過程，如圖1所示。

圖1脈沖激光清洗過程

實(shí)際清洗過程中，當(dāng)材料表面氧化物達(dá)到一定溫度時(shí)，其表面會(huì)出現(xiàn)明顯的燒蝕痕跡，即發(fā)生物相之間的轉(zhuǎn)變：固體-液體-固體，如圖2所示，證明該機(jī)理在清洗過程中起主要作用。

圖2 實(shí)際清洗過程的微觀形貌圖

（2）熱應(yīng)力去除機(jī)理

圖3 厚度層較薄時(shí)的微觀形貌圖

當(dāng)清洗過程中氧化層厚度較薄時(shí)，表面會(huì)出現(xiàn)較多裂紋，如圖3所示。這是由于更多的激光能量透過氧化層作用于基體表面，基體的線性膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于氧化層，溫度變化引起其發(fā)生較大的熱膨脹，從而使基體和氧化層的界面處存在熱應(yīng)力，導(dǎo)致氧化層產(chǎn)生較多的裂紋。

2. 試驗(yàn)裝置

圖4 激光清洗裝置示意圖

激光清洗設(shè)備為山東產(chǎn)研強(qiáng)遠(yuǎn)激光科技有限公司QYCL-500，其主要包括：高功率脈沖激光器、激光清洗頭、控制系統(tǒng)以及水冷系統(tǒng)等幾部分，如圖4所示。

表1 激光器的主要工作參數(shù)

3. 試驗(yàn)材料

采用礦山機(jī)械銹蝕件作為試驗(yàn)樣件，采用能譜分析儀（EDS）測(cè)定待清洗樣件表面主要的化學(xué)元素，測(cè)試樣件及主要化學(xué)元素組成如圖5及表2所示。

圖5測(cè)試樣件表面及主要化學(xué)元素含量

表2 測(cè)試樣件表面主要化學(xué)元素

對(duì)于測(cè)試樣件的剖面方向，如圖6示。基體表層的不同污物成分間存在明顯的界限，即存在兩層不同成分的氧化層。進(jìn)一步采用X射線衍射儀（XRD）對(duì)各層的化合物成分進(jìn)行測(cè)定，存在外銹層和內(nèi)銹層，即外銹層為稀疏的Fe2O3，內(nèi)銹層為Fe3O4與FeO（少量）的混合物，工作狀態(tài)的差異會(huì)導(dǎo)致氧化層的致密程度等性質(zhì)有所差異。

圖6待清洗樣件污物厚度

圖7測(cè)試樣件剖面形貌

圖8 射線衍射（XRD）化合物分析

4. 試驗(yàn)方法及結(jié)果

清洗過程中激光光斑通過單軸掃描振鏡來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使之由點(diǎn)狀光斑快速掃描成長(zhǎng)度為10mm左右的準(zhǔn)線狀光斑。激光的單脈沖能量由激光功率和重復(fù)頻率共同決定，其反映清洗能力的大小。本章主要采用單因素試驗(yàn)探究不同工藝參數(shù)對(duì)礦工樣件表面性能（表面粗糙度、顯微硬度、抗腐蝕性等）和氧化物清洗效率的影響規(guī)律。

（1）表面粗糙度測(cè)試及結(jié)果討論

表面粗糙度不僅反映激光清洗的效率，同時(shí)影響清洗后材料表面的涂裝性能。本節(jié)采用白光干涉儀分析了不同激光參數(shù)對(duì)礦工樣件表面粗糙度的影響規(guī)律，并得出了最優(yōu)的工藝參數(shù)。

單因素實(shí)驗(yàn)探究了不同激光功率、重復(fù)頻率（脈沖寬度）下，激光清洗前后樣件表面粗糙度的變化規(guī)律，如圖9所示。同時(shí)，圖10為典型參數(shù)下白光干涉儀測(cè)試樣件的3D形貌。

圖9銹蝕樣件不同激光參數(shù)清洗后的表面粗糙度（a）功率；（b）重復(fù)頻率；

隨著激光功率的增加，樣件表面粗糙度逐漸降低且下降速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)。考慮此過程中銹蝕氧化物逐漸去除，氧化層疏密不均導(dǎo)致清洗速率的不同。當(dāng)激光功率超過一定范圍，表面粗糙度稍微增加，其原因可能為過高的熱輸入量導(dǎo)致基體材料發(fā)生熔化，產(chǎn)生燒蝕坑，如圖4-8（c）所示。

圖10腐蝕樣件激光清洗后的3D形貌（a）200W；（b）280W；（c）300W；（d）8kHz；

（e）10kHz；（f）13kHz；（g）30%；（h）70%；（i）80%

表面粗糙度隨重復(fù)頻率的變化規(guī)律如圖4-7（b）所示。可以看出，表面粗糙度值與重復(fù)頻率之間沒有明顯的規(guī)律，其主要原因?yàn)橹貜?fù)頻率的大小除了影響激光的能量密度外，在相同振鏡周期下，還與樣件單位面積內(nèi)光斑的作用次數(shù)有關(guān)。

（2）微觀形貌測(cè)試及結(jié)果討論

微觀形貌作為材料分析的重要組成部分，其形貌特性對(duì)于材料后期的使用性能具有重要的影響。為了進(jìn)一步對(duì)激光清洗效率和樣件表面完整性進(jìn)行分析討論，本節(jié)采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)清洗過程中樣件的微觀形貌進(jìn)行測(cè)試，X射線能譜分析儀（EDS）輔助分析污物成分。不同工藝參數(shù)下Q345鋼表面微觀形貌如圖11所示。

(a)

220W

280W

300W

8kHz

10kHz

13kHz

圖11 銹蝕樣件不同激光參數(shù)下的微觀形貌（a）功率；（b）重復(fù)頻率；

由圖11（a）可以看出，激光功率較低時(shí)，樣件表面依舊存在大量殘留的條紋狀附著物，清洗效果較差。隨著激光功率的增加，氧化物逐漸去除，樣件表面開始露出金屬基體。在激光清洗過程中，激光光束與樣件表面物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，材料會(huì)發(fā)生固體-液體-固體三者物相之間的轉(zhuǎn)變，同時(shí)微小燒蝕坑和氣孔會(huì)出現(xiàn)在樣件表面上，證明激光清洗過程中存在燒蝕去除機(jī)理。

當(dāng)重復(fù)頻率較低時(shí)，樣件表面出現(xiàn)“邊緣堆砌”效應(yīng)，即樣件表面在激光光斑作用下生成金屬熔池，由于壓力和液相的爆破過程使光斑邊緣產(chǎn)生熔融重凝物，多呈現(xiàn)乳突狀結(jié)構(gòu)，清洗效果不佳。隨著重復(fù)頻率升高，樣件表面基本無(wú)明顯附著物，清洗效果較好。繼續(xù)升高，附著物之間出現(xiàn)裂紋和縫隙，證明清洗過程中附著物和基體之間存在熱應(yīng)力。

（3）不同工藝參數(shù)對(duì)化學(xué)元素含量的影響

通過上述3D輪廓和微觀形貌分析，可以得出去除Q345鋼表面氧化層的最佳工藝參數(shù)，進(jìn)一步采用X射線能譜分析儀（EDS）分析激光清洗前后樣件表面的主要化學(xué)元素（Fe、O、C）含量。

圖12 附著物成分能譜（EDS）分析

不同參數(shù)下樣件表面Fe、O、C三種元素的相對(duì)含量經(jīng)X射線能譜分析儀（EDS）測(cè)試，如圖4-12所示。

圖13 不同激光參數(shù)下的銹蝕樣件表面元素含量（a）功率；（b）重復(fù)頻率；

圖13（a）為不同激光功率下Fe、O、C三種元素的相對(duì)含量。隨著的增加，F(xiàn)e元素的含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，O元素含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，清洗過程中C元素含量基本保持不變。繼續(xù)升高功率，O元素含量最低為8.82%，F(xiàn)e元素含量最高為87.58%，樣件清洗效果最好，清洗效率最高。激光功率繼續(xù)，F(xiàn)e-O元素中O元素含量略有上升，證明此時(shí)激光處于過清洗狀態(tài)，樣件表面發(fā)生二次氧化現(xiàn)象，清洗效率有所下降。實(shí)際上，當(dāng)重復(fù)頻率固定后，功率的變化代表了激光單脈沖能量的變化，單脈沖能量過高和過低都會(huì)對(duì)清洗效率產(chǎn)生不利影響。

從圖13（b）可以看出，重復(fù)頻率的變化對(duì)Fe、O、C三種元素的相對(duì)含量沒有明顯規(guī)律可循。當(dāng)重復(fù)頻率為10kHz時(shí)，O元素含量最低，F(xiàn)e元素含量最高，清洗效率相對(duì)最好。

（4）表面顯微硬度測(cè)試及結(jié)果討論

硬度值是金屬材料表面重要的性能參數(shù)。提高材料表面的硬度值，不僅可以增大強(qiáng)度、提高塑性變形抗力，而且對(duì)提高零部件的尺寸精度、延長(zhǎng)工作壽命具有重要的意義。不同激光參數(shù)下Q345鋼表面顯微硬度值變化規(guī)律如圖14所示。

圖14 不同參數(shù)下顯微硬度變化規(guī)律（a）功率；（b）重復(fù)頻率；

未清洗的Q345鋼經(jīng)砂紙打磨并拋光后，基體的顯微硬度測(cè)量值為300HV。圖14（a）代表了不同功率下樣件表面顯微硬度的變化規(guī)律，可以看出，隨著功率的逐漸增加，硬度值逐漸增大，且均大于Q345鋼基體本身的硬度值。當(dāng)激光功率繼續(xù)增加時(shí)，樣件表面硬度值可以達(dá)到420HV。硬度變化主要?dú)w因于激光清洗實(shí)際上是一個(gè)熱處理的過程，熱輸入量與激光單脈沖能量息息相關(guān)。重復(fù)頻率固定時(shí)，功率的變化代表了單脈沖能量的變化。當(dāng)單脈沖能量增加時(shí)，樣件表層晶粒細(xì)化，晶界之間抵抗發(fā)生位錯(cuò)的能力變大，因而樣件表層產(chǎn)生一層較薄的硬化層。

圖14（b）為不同重復(fù)頻率下樣件表面顯微硬度的變化規(guī)律，可以看出，重復(fù)頻率對(duì)硬度值影響顯著。當(dāng)激光器的振鏡周期固定時(shí)，重復(fù)頻率的大小反映了單位面積作用的激光脈沖個(gè)數(shù)以及單個(gè)脈沖持續(xù)作用時(shí)間（脈沖寬度）的長(zhǎng)短。重復(fù)頻率逐漸增大過程中，樣件表面顯微硬度逐漸增大。當(dāng)重復(fù)頻率增加，顯微硬度值達(dá)到最大480HV，相比于Q345鋼性能提高60%。激光清洗過程中，影響硬度值的主要因素為：激光功率下的熱處理效應(yīng)和脈沖激光作用下的沖擊力效應(yīng)。由于激光功率保持不變，此時(shí)硬度值的變化主要為脈沖激光對(duì)樣件表面的沖擊效應(yīng)。隨著重復(fù)頻率的增大，單位面積作用的脈沖個(gè)數(shù)增多，因此，樣件表面產(chǎn)生的硬化層在擠壓力作用下更加致密，硬度更高。另一方面，清洗過程中，污物與基體之間存在熱應(yīng)力，銹蝕氧化物離開基體時(shí)產(chǎn)生的反沖力對(duì)硬度的提升同樣起積極的作用。

（5）抗腐蝕性測(cè)試及結(jié)果討論

礦山機(jī)械工作環(huán)境惡劣，潮濕環(huán)境下鐵基材料極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，生成氧化鐵等銹蝕氧化物，嚴(yán)重影響零部件的使用壽命和安全系數(shù)。因此，探究激光清洗對(duì)樣件抗腐蝕性能的影響規(guī)律具有重要意義。

圖15為不同激光參數(shù)下測(cè)試出的動(dòng)電位極化曲線（Potentiodynamic Curve），將試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用塔菲爾擬合（Tafel Fit）處理，得到表15所示的不同參數(shù)下樣件表面的自腐蝕電位（Ecorr）和腐蝕電流密度（Icorr）。自腐蝕電位高低反映了電化學(xué)腐蝕條件下，樣件的熱穩(wěn)定特性。而腐蝕電流密度大小反映了發(fā)生電化學(xué)腐蝕的速率以及樣件表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象的難易程度。

由圖15（a）以及表3可以看出，隨著激光功率的增加，極化曲線均呈現(xiàn)正向移動(dòng)趨勢(shì)，自腐蝕電位逐步增大，即清洗后樣件表面的腐蝕動(dòng)力小幅增強(qiáng)。腐蝕電流密度先減小后增加，表示樣件表面的抗腐蝕性能先增加后減小。激光功率增加，腐蝕電流密度最低為383.9，抗腐蝕性能最佳，此時(shí)極化曲線中鈍化區(qū)的鈍化平臺(tái)較寬，樣件的鈍化狀態(tài)較穩(wěn)定。抗腐蝕性逐漸增加的主要原因?yàn)榧す馐箻蛹砻媸杷射P蝕氧化物去除的同時(shí)，對(duì)基體會(huì)產(chǎn)生不同程度的熱影響，細(xì)化晶格，提高表面完整性，從而抗腐蝕性能得到改善。當(dāng)功率最大時(shí)，由微觀形貌可知，熱累積量過高，表面出現(xiàn)燒蝕坑，熔融物增加，基體發(fā)生損傷，抗腐蝕性下降。

圖15 不同參數(shù)下的極化曲線（a）功率；（b）重復(fù)頻率；

表3 不同清洗條件下樣件表面的電化學(xué)參數(shù)

5. 結(jié)論

本章基于脈沖激光器，探究了不同激光功率、重復(fù)頻率（脈沖寬度）下Q345鋼表面銹蝕氧化物的去除效率以及清洗前后基材表面關(guān)鍵性能（表面粗糙度、顯微硬度、抗腐蝕性等）的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）脈沖光纖激光器清洗技術(shù)對(duì)于礦山機(jī)械（Q345）表面氧化層及其他附著物具有良好的去除效果。

（2）對(duì)于激光清洗前后樣件表面的三維（3D）形貌，隨著單位面積熱輸入量的增加，表面粗糙度（Ra）逐漸降低。但熱輸入量過高時(shí)，樣件表面會(huì)有燒蝕坑和新氧化物出現(xiàn)，粗糙度值稍有增加。結(jié)合微觀形貌分析發(fā)現(xiàn)，激光清洗過程中，主要存在兩種清洗機(jī)理：燒蝕去除機(jī)理和熱應(yīng)力去除機(jī)理。

（3）激光清洗對(duì)樣件表面的顯微硬度存在明顯的影響規(guī)律。激光清洗過程中，表面微觀結(jié)構(gòu)中晶粒細(xì)化，晶粒邊界抵抗位錯(cuò)現(xiàn)象的作用力變大，顯微硬度得到提高。在本激光清洗試驗(yàn)中，重復(fù)頻率（脈沖寬度）對(duì)硬度值的變化影響程度最大。相比于原始樣件（Q345），激光清洗后顯微硬度提升率可以達(dá)到60%。

（4）激光清洗后，礦山機(jī)械（Q345）表面的抗腐蝕性能得到顯著提高。隨著激光功率增大，表面的抗腐蝕性能逐漸提高。但功率過高時(shí)，由于燒蝕坑和新氧化層（不完整）的出現(xiàn)，抗腐蝕性能略有下降。相比于原始樣件（Q345），最優(yōu)的抗腐蝕性能提升率大約為62.9%。

6. 公司簡(jiǎn)介

山東產(chǎn)研強(qiáng)遠(yuǎn)激光科技有限公司注冊(cè)資本8036萬(wàn)元，是一家專注于激光清洗/焊接設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及綜合解決方案的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)。公司作為山東省科學(xué)院激光研究所、山東產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院、山東省科創(chuàng)集團(tuán)有限公司股權(quán)投資企業(yè)，擁有光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、材料學(xué)等多學(xué)科專業(yè)組成的博士創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，公司在激光清洗/焊接關(guān)鍵核心器件、工藝方法、智能控制、成套自動(dòng)化解決方案擁有國(guó)內(nèi)外核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)50余項(xiàng)，相關(guān)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航天航空、軌道交通、輪胎模具等行業(yè)。

公司為國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)、山東省創(chuàng)新型中小企業(yè)、聊城市先進(jìn)激光技術(shù)創(chuàng)新中心、聊城市新型研發(fā)機(jī)構(gòu)、第七屆“創(chuàng)客中國(guó)”中小企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽500強(qiáng)。公司具備激光設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成能力，可實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用場(chǎng)景自動(dòng)化操作，針對(duì)不同客戶應(yīng)用需求，可定制設(shè)計(jì)、開發(fā)出移動(dòng)式清洗/焊接平臺(tái)、龍門式激光清洗/焊接成套生產(chǎn)線，攻克大幅面、自動(dòng)化、高精度的協(xié)同運(yùn)動(dòng)技術(shù)，解決行業(yè)清洗/焊接難題，開發(fā)設(shè)備指標(biāo)、性能達(dá)到國(guó)內(nèi)優(yōu)秀水平，多項(xiàng)重大研究成果填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。公司將借助核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)，積極進(jìn)行激光清洗、焊接產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)拓展，打造激光清洗、焊接智能裝備領(lǐng)域的綜合技術(shù)裝備服務(wù)提供商，為廣大企業(yè)綠色、高效、優(yōu)質(zhì)發(fā)展保駕護(hù)航。