激光清洗机不锈钢除锈工艺实验

r-ri—r-ir-i武汉元禄光电技术有限公司激光清洗机钢铁除锈工艺实验在分析钢铁在自然环境锈蚀机理及特点的基础上，研究脉冲激光清洗工艺对锈蚀的影响。本文并没有从传统的激光工艺参数（频率、功率、单脉冲能力等）出发进行分析，而是从激光与材料耦合作用角度研究激光工艺对清洗锈蚀的影响，其结论更具普适性，并不局限于特定的某种激光器。导言随着在我国环境保护法规要求越来越严格、人们环保和安全意识日益增强，传统清洗工业的诸多缺点越来越明显。而激光清洗具有更清洁、非接触、高效灵活和适用于各种材质的物体等清洗特点，被认为是最可靠、最有效的解决办法。各类金属表面与其周围介质发生化学或电化学反应，使金属遭到腐蚀破坏。金属腐蚀是一种资源浪费，其程度是非常惊人的。各种金属的腐蚀中，以铁的腐蚀最为严重，世界上每年因腐蚀造成的钢铁损失占钢铁总量的1/5〜1/4。目前国内外对激光清洗锈蚀方面的研究较多。自激光器发明后，激光清洗设想就被提出，近年来，国内也陆续开展了有关激光除锈的研究工作，并取得了有益的进展。干式激光清洗的效率低于湿式清洗，但由于湿式清洗引入液膜，进而造成工艺的稳定性较低，工业应用不够灵活，如处理不当，会造成二次腐蚀等因素，干式激光清洗的研究对于工业化推广而言更为重要。本文从材料与激光耦合作用角度出发，探讨激光清洗工艺对碳钢板锈蚀去除的影响，进而指导实践，同时为清洗用激光器的发展方向进行有益探索。激光清洗锈蚀机原理从金属锈蚀清洗的角度考虑，修饰层与基体属于同质层，膜层材料中含有基底层元素、或者是基底层的派生物，即各种腐蚀产物或衰变产物。使用激光方式进行去除，其主要清洗机制为气化机制，在激光能量密度达到锈蚀层的烧蚀阈值后实现清洗作用。具体去除方式分为直接气化和反冲压力两种。钢铁在大气环境中生成的铁锈属缝隙腐蚀，在钢铁基体表面形成一层疏松多孔的氧化皮，无法起到封闭保护作用。水、氧气及其它气体的渗入，使基体不断被锈蚀。然而基于钢铁锈层的这种特点，为激光去除锈蚀创造了便利。本质上金属材料锈蚀激光清洗属于物理去除，主要是通过锈层汽化、锈层与基体存在温度梯度诱导界面处产生热应力、锈层间隙的气相或液相受热产生膨胀力［lasercleaning］等共同作用下，汽化分解和间隙相膨胀破裂交替进行，锈层厚度逐渐减小，最终实现清除锈蚀效果。实验过程样品准备武汉元禄光电技术有限公司武汉元禄光电技术有限公司材在英35板材*寸汨）6X1COX2OT精蚀厚度0.4juti设备准备（1）100W脉冲光纤激光器tail用试靠忤植岫典型值单位上柞程式除冲信施降机趣演做砌输出功率沿（J率检t曾，工口。110W功率湄甘谢15%ion%中心波长1。。耐率融106010641068nm蹶中斡姿率触80100160归期功率稳定性1。口融率融±2上5%1融助择物网（A50V或非（M整机重重冷却方式矍制即令（2）移动式激光清洗机光斑尺寸测试参数：8000mm/s,100%功率，频率：65KHZ,填充间距2mm,光斑测试基材：镜面不锈钢，-FJEKH采用二次元设备进行测量。7^_光斑直径场境黑距、一一焦点光斑直径（测量平均植〕lOOmm0.0算IfiQmni0065乃4Tmii0085330mniD.1实验方案从激光与材料耦合作用的本质角度出发，可能影响锈蚀清洗效率及效果的因素有：功率密度（能量密度）、光斑大小、光强分布、光斑重叠率、脉冲宽度（单脉冲作用时间），脉冲波形。针对上述激光清洗机，脉冲宽度、脉冲波形及光强分布均已固定，所以主要从功率密度（能量密度）、光斑大小，光斑重叠率方面进行实验测试，研究各种因素如何影响脉冲激光清洗锈蚀的清洗效率及清洗效果。实验结果功率密度对清洗的影响固定参数清洗区域＜mm）20^20清洗方式振镜固定扫描离焦量（™）0出光频率（KHz）65脉冲宽度（口。1.30功率密度（w'«n3）1.4E-HJS重（%）2294埴充间距Cmm）0.1填充方式弓形填充httphttp:〃F=33。底纹明显，基材氧化发黄.底段平整，基材氧化轻微发黄，清洗清洗2■泼清洗3次可见底丸基材氧化轻做发黄。底纹平整，清洗干净，50W'者洗4次可尻底坟，清洗干净。底纹平整，清洗干净〃清洗&次底纹不明显，锈蚀存在残备底纹平整，锈饨存在残留。武汉元禄光电技术有限公司武汉元禄光电技术有限公司F=2S*F=33090W清洗2次清冼2次底纹明显，基材氧化发黄。底纹平整，基材氧化轻微发黄。7aw涓洗2次庙纹平整儿清洗干净口可见底纹烬基材氧化轻微发黄口清洗1次可见底纹,清洗干净口清洗，次底纹不明显;•锈蚀存在残留。50W清洗4波底纹平整，:清洗干净.30W清冼5次底纹平整,锈蚀存在残留。峰值功率rrizna一输出平均功率（W）；一脉冲宽度（ns）；一脉冲频率（KHz）；根据光斑尺寸测试，F=254下聚焦光斑尺寸0.085mm，F=330下聚焦光斑尺寸0.1mm。功率密度场精功率F=254F=3301.9E+08w/cm2清洗找敬：2次1.4E-0Sw/cinz清洗次数：2次7GW1.5E+OSw/cm2清洗被敬：2次1.1E-OSw/cmz清洗衣城：3次SOW].OE-Kigw/cm2清洗被.数：1次7.5E-Q7w/cmz清洗次数：4次30W6.3E+07w/'cm2清洗次数.3次4.5E—07w/cmz清洗次数26次武汉元禄光电技术有限公司武汉元禄光电技术有限公司光斑大小对清洗的影响光斑大小对清洗的影响功率密度对清洗效率影响（F=330）4.0E-HJ75.0EM7工0EM71.GE+0B1.2E+CB1.4E*3B功率空度（w/cmE）功率密度对清洗效率影响（F=254）总结：清洗效率1）随着功率密度提高，锈层清除所需清洗次数（时间）近乎成比例下降，当功率密度达到某一阀值（约1.4E+08w/cm2）时，功率密度继续提高，清洗效率不再提升；2）该测试表明，功率密度为4.5E+07w/cm2,六次清洗不能使锈层清洗干净，继续清洗，对于该厚度锈层，可粗略认为该功率密度附近为锈层清洗阀值下限；清洗效果1）场镜F=254下清洗条纹较场镜F=330明显，这是由于场镜F=254焦点大小为0.085mm，小于设定填充间隙0.1mm造成的；2）实验表明：在锈蚀清洗干净的基础上，不损伤基材的功率密度范围约为7.5E+07w/cm2~1.5E+08w/cm2。武汉元禄光电技术有限公司武汉元禄光电技术有限公司4.34.3光斑重叠率对清洗的影响tn-I：UU一LI—一固定参数清洗区域Cm)20x20清洗方式振镜固定寸潮离O(mm)0出光频率(KHz)吃脉।1中定度(HS)130功度Cwcm2)14E+08光斑重彝率(%)22%填充间距(mm)0.]填充方式弓形埴充实掩转果J-〜〜薯融清洗效票'F-1D&197Mtl1AF-1心辑Q0mim$F=254枷QnM渚洗效果■E”芟‘油7'.“*>；■^'-1,H*31*'"：£，—.型1.,*lF'kf7〜v""'""'JJhknRAl“信敬大|»|・1・牵李枷1效果说明皙赛篇ft：2：清流时同：2329s膏洗效果：底裂较平鸵，星射苴比瞪看，朝独存在转智e蒲洗次和：工；有光脖间；L式口s若冼效果：底皎较平陷，踵制氧化轻的宣黄，糟弥存在够智。2清洗次和；2；有先时利；0J5i落震站票:展蚊较平整、清洗年春，营材轻磔友善*总结：排除光斑重叠率与功率密度影响，可见光斑尺寸与清洗次数无关；保持功率密度及光斑重叠率不变，光斑尺寸越大，即可提通过升扫描速度及填充间距，进而提升清洗效率；随着光斑尺寸变大，清洗效率线性提高，锈蚀残留量越来越少，基材氧化越来越轻。小光斑时，一方面可能是基材表面熔化，局部锈蚀层融入基材；另一方面慢速下基材温度上升较高，即基材与锈蚀层温度梯度减小，进而在基材与锈蚀层分界面处热膨胀应力减小，去除能力变弱。以上两方面综合导致清洗能力下降；httphttp:〃同定参数渚洗区域Cmm)20心0清洗方式振镜固定寸曲离^量<min)0出光频率(KHz)65脉冲宽度(ns)130功翩度(vr/<m2)1.4E-KJ8光斑重嶷率(%)22%填充间5月《皿》0.1填充方式弓形填充武汉元禄光电技术有限公司武汉元禄光电技术有限公司r_r<—miriIIIrvTj实验结果、场，防速信,F-163J-33&P=SUWIMOmr哂1底级至线状，工加童盘率74.4%吉科互化发苦。清沸2次，光堀重叠章屯6%原次平整，前国有匕偈苗。1BOdOmm/s消骁3承光工底纹呈线状，加重叠率23.1无轻微发黄■=□清洗3次中光谑重塾率为2%底纹平整，清在干净，15网01皿位5霄龙4段’;猿^^-28.2%清洗4次:，.将五重叠率±3.1件总结：1）采用场镜F=163时，由于光斑直径为0.063mm,填充间距为0.1mm,所以底纹条纹状显著；场镜F=330时，光斑直径等于填充间距，故底纹条纹状不明显；光斑重叠率较低时,由于扫描区域存在小块未清洗区域（出现点状底纹）,进而出现锈蚀层残留；重叠率较高时,由于光脉冲的累计热效应,基材出现氧化发黄；实验表明锈蚀清洗干净,且基材不出现明显氧化的重叠率范围约为：20%~50%（理论计算圆形光斑覆盖清洗区域的最小重叠率为25%）。在足够的功率密度时,综合清洗效果及效率,工艺设置时应使光斑重叠率＞20%即可。武汉元禄光电技术有限公司武汉元禄光电技术有限公司r_ri—rjn5结论1）随着功率密度提高，锈层清除效率成比例提高，当功率密度达到某一阀值（约1.4E+08w/cm2）时，功率密度继续提高，在锈蚀清洗干净的基础上，不损伤基材的功率密度范围约为7.5E+07w/cm2~1.5E+08w/cmZ；2）在功率密度、光斑重叠率确定时，清洗光斑尺寸与清洗次数无关，即单次去除厚度不变；光斑尺寸越大，即可提通过升扫描速度及填充间距，一方面提升清洗效率，另一方面，清洗速度提升使基材热累积降低，基材表面氧化情况得到改善，去除能力变强；3）实际进行清洗