1 導言

隨著在我國環境保護法規要求越來越嚴(yan) 格、人們(men) 環保和安全意識日益增強，傳(chuan) 統清洗工業(ye) 的諸多缺點越來越明顯。而激光清洗具有更清潔、非接觸、高效靈活和適用於(yu) 各種材質的物體(ti) 等清洗特點，被認為(wei) 是最可靠、最有效的解決(jue) 辦法。

各類金屬表麵與(yu) 其周圍介質發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(wei) 嚴(yan) 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(nei) 外對激光清洗鏽蝕方麵的研究較多。自激光器發明後，激光清洗設想就被提出，近年來，國內(nei) 也陸續開展了有關(guan) 激光除鏽的研究工作，並取得了有益的進展。幹式激光清洗的效率低於(yu) 濕式清洗，但由於(yu) 濕式清洗引入液膜，進而造成工藝的穩定性較低，工業(ye) 應用不夠靈活，如處理不當，會(hui) 造成二次腐蝕等因素，幹式激光清洗的研究對於(yu) 工業(ye) 化推廣而言更為(wei) 重要。

本文從(cong) 材料與(yu) 激光耦合作用角度出發，探討激光清洗工藝對碳鋼板鏽蝕去除的影響，進而指導實踐，同時為(wei) 清洗用激光器的發展方向進行有益探索。

2 激光清洗鏽蝕機理

從(cong) 金屬鏽蝕清洗的角度考慮，修飾層與(yu) 基體(ti) 屬於(yu) 同質層，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(chan) 物或衰變產(chan) 物。使用激光方式進行去除，其主要清洗機製為(wei) 氣化機製，在激光能量密度達到鏽蝕層的燒蝕閾值後實現清洗作用。具體(ti) 去除方式分為(wei) 直接氣化和反衝(chong) 壓力兩(liang) 種。

鋼鐵在大氣環境中生成的鐵鏽屬縫隙腐蝕，在鋼鐵基體(ti) 表麵形成一層疏鬆多孔的氧化皮，無法起到封閉保護作用。水、氧氣及其它氣體(ti) 的滲入，使基體(ti) 不斷被鏽蝕。然而基於(yu) 鋼鐵鏽層的這種特點，為(wei) 激光去除鏽蝕創造了便利。

本質上金屬材料鏽蝕激光清洗屬於(yu) 物理去除，主要是通過鏽層汽化、鏽層與(yu) 基體(ti) 存在溫度梯度誘導界麵處產(chan) 生熱應力、鏽層間隙的氣相或液相受熱產(chan) 生膨脹力[lasercleaning]等共同作用下，汽化分解和間隙相膨脹破裂交替進行，鏽層厚度逐漸減小，最終實現清除鏽蝕效果。

3 實驗過程

3.1 樣品準備

3.2設備準備

（1）創鑫激光100W脈衝(chong) 光纖激光器

（2）創鑫激光手持式激光清洗機

3.3光斑尺寸測試

參數：8000mm/s，100%功率，頻率：65KHZ，填充間距2mm，光斑測試基材：鏡麵不鏽鋼，采用二次元設備進行測量。

3.4 實驗方案

從(cong) 激光與(yu) 材料耦合作用的本質角度出發，可能影響鏽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、脈衝(chong) 寬度（單脈衝(chong) 作用時間），脈衝(chong) 波形。

針對上述激光清洗機，脈衝(chong) 寬度、脈衝(chong) 波形及光強分布均已固定，所以主要從(cong) 功率密度（能量密度）、光斑大小，光斑重疊率方麵進行實驗測試，研究各種因素如何影響脈衝(chong) 激光清洗鏽蝕的清洗效率及清洗效果。

4 實驗結果

4.1 功率密度對清洗的影響

固定參數

實驗結果

峰值功率

—輸出平均功率（W）；

—脈衝(chong) 寬度（ns）；

—脈衝(chong) 頻率（KHz）；

根據光斑尺寸測試，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

總結：

清洗效率

1)隨著功率密度提高，鏽層清除所需清洗次數（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，功率密度繼續提高，清洗效率不再提升；

2)該測試表明，功率密度為(wei) 4.5E+07 w/cm2，六次清洗不能使鏽層清洗幹淨，繼續清洗，對於(yu) 該厚度鏽層，可粗略認為(wei) 該功率密度附近為(wei) 鏽層清洗閥值下限；

清洗效果

1) 場鏡F=254下清洗條紋較場鏡F=330明顯，這是由於(yu) 場鏡F=254焦點大小為(wei) 0.085mm，小於(yu) 設定填充間隙0.1mm造成的；

2) 實驗表明：在鏽蝕清洗幹淨的基礎上，不損傷(shang) 基材的功率密度範圍約為(wei) 7.5E+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2。

光斑大小對清洗的影響

固定參數

實驗結果

總結：

1) 排除光斑重疊率與(yu) 功率密度影響，可見光斑尺寸與(yu) 清洗次數無關(guan) ；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，鏽蝕殘留量越來越少，基材氧化越來越輕。小光斑時，一方麵可能是基材表麵熔化，局部鏽蝕層融入基材；另一方麵慢速下基材溫度上升較高，即基材與(yu) 鏽蝕層溫度梯度減小，進而在基材與(yu) 鏽蝕層分界麵處熱膨脹應力減小，去除能力變弱。以上兩(liang) 方麵綜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

實驗結果

總結：

1) 采用場鏡F=163時，由於(yu) 光斑直徑為(wei) 0.063mm，填充間距為(wei) 0.1mm，所以底紋條紋狀顯著；場鏡F=330時，光斑直徑等於(yu) 填充間距，故底紋條紋狀不明顯；

2) 光斑重疊率較低時，由於(yu) 掃描區域存在小塊未清洗區域（出現點狀底紋），進而出現鏽蝕層殘留；重疊率較高時，由於(yu) 光脈衝(chong) 的累計熱效應，基材出現氧化發黃；

3) 實驗表明鏽蝕清洗幹淨，且基材不出現明顯氧化的重疊率範圍約為(wei) ：20%~50%(理論計算圓形光斑覆蓋清洗區域的最小重疊率為(wei) 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 結論

1)隨著功率密度提高，鏽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，功率密度繼續提高，在鏽蝕清洗幹淨的基礎上，不損傷(shang) 基材的功率密度範圍約為(wei) 7.5E+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2。；

3)在功率密度、光斑重疊率確定時，清洗光斑尺寸與(yu) 清洗次數無關(guan) ，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，一方麵提升清洗效率，另一方麵，清洗速度提升使基材熱累積降低，基材表麵氧化情況得到改善，去除能力變強；

4)實際進行清洗時，應根據清洗光斑大小，合理確定填充間距，避免清洗後底紋不平整情況出現；

5)光斑重疊率較低時，由於(yu) 掃描區域存在小塊未清洗區域（出現點狀底紋），進而出現鏽蝕層殘留；重疊率較高時，由於(yu) 光脈衝(chong) 的累計熱效應，基材出現氧化發黃；

實驗表明鏽蝕清洗幹淨，且基材不出現明顯氧化的重疊率範圍約為(wei) ：20%~50%（理論計算圓形光斑覆蓋清洗區域的最小重疊率為(wei) 25%）。在功率密度合適時，綜合清洗效果、效率因素，製定清洗工藝時，應使光斑重疊率＞20%即可。