激光焊接是激光技術應用中比較普遍和成熟的領域，中國製造業的發展使得我國對焊接的需求仍將繼續增長並有可能成為下一個爆發點。對於激光焊接來講，焊接質量至關重要。焊接質量除了與激光焊接工藝、激光器選擇、焊接材料種類等有關，也與被焊接材料表麵狀態有著直接的關係。那麽，如何做好激光焊接前的預處理，激光清洗作為激光技術家族的新生代，將登上舞台，掃清焊前汙染物，還一個“超清無損”焊接基材。

 

 

激光清洗技術

 

簡單來說，就是利用一定波長的激光所產(chan) 生的高頻率震動，把物體(ti) 表麵的附著物震碎；利用激光所產(chan) 生的瞬間高溫使附著物剝離基材表麵，從(cong) 而達到清洗的目的。

 

激光清洗的對象包括任意材料表麵的汙染層、油漆層、鏽蝕層、附著層等。其應用主要包括：模具清洗、金屬表麵漆層以及焊接點的清除、氧化物，油汙油漬的清除、曆史文物古跡的恢複及保存等。

 

激光清洗是通過克服基底材料與(yu) 表麵附著物的結合力來達到去除效果。主要作用機理包括以下幾個(ge) 方麵:

 

1

激光壓力的去除作用：該壓力作用在附著物上，參與清洗過程，由於一般來說相較大氣壓，光壓要小幾個數量級，因此其作用可忽略不計；

2

液體飛濺的去除作用：附著物亞表層未達到氣化溫度而以液體薄層的形式瞬間存在，而表層氣體的瞬間膨脹產生的反作用力和工藝氣體的噴吹力，迫使液態附著物飛濺，從而達到去除效果；

3

 氣化蒸發的去除作用：激光能量使得基材上附著物氣化或者蒸發；

4

熱應力去除：附著物因溫度的急劇變化，而產生的熱膨脹，產生巨大的加速度，從而獲得可觀的熱效應。通過熱應力對抗吸附力，達到去除效果；

5

等離子體的去除作用：高能量密度的激光產生的瞬時高溫會在附著物與基底材料之間產生高溫氣體，該氣體繼續吸收激光能量形成高溫等離子體，等離子體吸收能量瞬間膨脹產生爆炸，爆炸產生的衝擊波擊碎附著層；

6

軟燒蝕的去除作用：激光軟燒蝕定義為在低功率密度激光的照射下，材料表層因各種機製引起材料的質量遷移，消蝕或散失等現象。軟燒蝕常發生在有機附著層的激光清洗中，其作用過程主要是化學反應。

 

 

脈衝(chong) 式的Nd:YAG激光清洗的過程依賴於(yu) 激光器所產(chan) 生的光脈衝(chong) 的特性，基於(yu) 由高強度的光束、短脈衝(chong) 激光及汙染層之間的相互作用所導致的光物理反應。其物理原理可概括如下：

 

 

1

激光器發射的光束被需處理表麵上的汙染層所吸收；

2

大能量的吸收形成急劇膨脹的等離子體（高度電離的不穩定氣體），產生衝擊波；

3

衝擊波使汙染物變成碎片並被剔除；

4

光脈衝寬度必須足夠短，以避免使被處理表麵遭到破壞的熱積累；

5

實驗表明當金屬表麵上有氧化物時，等離子體產生於金屬表麵。

 

等離子體(ti) 隻在能量密度高於(yu) 閾值的情況下產(chan) 生，這個(ge) 閾值取決(jue) 於(yu) 被去除的汙染層或氧化層。這個(ge) 閾值效應對在保證基底材料安全的情況下進行有效清潔非常重要。等離子體(ti) 的出現還存在第二個(ge) 閾值。如果能量密度超過這一閾值，則基底材料將被破壞。為(wei) 在保證基底材料安全的前提下進行有效的清潔，必須根據情況調整激光參數，使光脈衝(chong) 的能量密度嚴(yan) 格處於(yu) 兩(liang) 個(ge) 閾值之間。

 

 

國內(nei) 首台國產(chan) 化激光清洗裝備  

 

 

激光清洗在焊前預處理中的應用

 

不同於(yu) 傳(chuan) 統的拋丸、噴砂、打磨等清理工藝，激光清洗高效快捷非接觸的清洗方式與(yu) 我國工業(ye) 綠色環保的發展方向是一致的。在鋼軌、船舶、汽車、軍(jun) 事裝備等方麵，對於(yu) 焊前清理、塗裝清理等領域有廣闊的發展前景。

 

以鐵路鋼軌為(wei) 例，鐵路網絡可以說是我國交通網絡中至關(guan) 重要的組成部分，2015年底我國運營鐵路總長達12.1萬(wan) 公裏，居世界第二。其中高鐵裏程超1.9萬(wan) 公裏，居世界第一。中國高鐵運行速度160~320  km/h，要求全部使用無縫線路（道岔、隧道、橋梁、站台等特殊路段除外）；無縫鐵路能節省15%以上的維修費用，延長25%的鋼軌使用壽命。現如今無縫鋼軌已成為(wei) 我國整個(ge) 鐵路網絡的主要鋪軌類型，我國鐵路線路的無縫化達70%以上。無縫鋼軌生產(chan) 關(guan) 鍵工序為(wei) 鋼軌焊接，而鋼軌的清洗技術對焊接的影響至關(guan) 重要。

 

鐵路鋼軌表麵鏽蝕組成：紙質標簽、氧化皮、鏽、漆、油脂、灰塵組成的多組分混合物。采用傳(chuan) 統的砂輪打磨清洗會(hui) 存在很多問題：

 

 

1

深度打磨，保證清潔度，卻破壞鋼軌表麵弧麵形貌。鋼軌間及鋼軌與(yu) 輪轂間存在不均勻過渡區及縫隙，列車抖動嚴(yan) 重，高速運行列車產(chan) 生微顫，降低了乘客的舒適性；

 

 

2

減小打磨量，保證弧麵形貌，卻導致鏽蝕殘留嚴(yan) 重。焊接電流大範圍急劇變化（不穩度±（200~1600 A ））。焊接電流大幅變化，使焊縫產(chan) 生晶粒粗大、灰斑等難以探測的缺陷，埋下了嚴(yan) 重的安全隱患；

 

 

3

目前打磨清洗鏽蝕殘留20%~30%，導致焊接失敗率達10%；修複工序極為(wei) 繁瑣，成本達3萬(wan) 元/焊頭，製約了無縫鐵路鋪軌生產(chan) 進程；

4

消耗大量砂輪耗材，已對環境造成了粉塵汙染，對工人健康產生了嚴重的危害

5

鐵路維護修理工作繁重，激光清洗技術能夠替代人工打磨清洗推動我國高效自動化鐵路在線修複工作進程。

 

采用激光清洗則能避免以上所述問題，具有如下優(you) 點：

 

 

1

清洗光源可自適應鋼軌弧麵形貌，最大程度減少基材破壞，鏽蝕清除率大於(yu) 99%，基材損傷(shang) ＜0.01 mm；

 

 

2

激光清洗可實現汙染物選擇性清除，提高清潔度，保護基材；

3

無耗材綠色清洗技術，消除粉塵汙染，大幅降低清洗成本；

4

清洗光源可利用光纖柔性傳輸，與機器人集成工作；

5

大幅提高清洗質量，提升焊接成品率、鋼軌焊接強度及可靠性，消除安全隱患。

 

激光焊接市場廣闊，與(yu) 之相應的焊前預處理的需求也會(hui) 增加，激光清洗技術能夠實現對基材無損害且無二次汙染的焊前預處理，是保證焊接質量的好幫手。