不鏽鋼表麵激光清洗技術研究

本文介紹了激光清洗技術的概念和基本原理，並用試驗方法研究了不鏽鋼表麵激光清理效果，試驗表明，激光表麵清理技術能快速清除不鏽鋼焊縫及熱影響區的氧化色以及不鏽鋼表麵的油漆和鏽蝕，並能形成新的鈍化層。

激光清洗技術基本原理

激光清洗技術是指采用高能激光束照射工作表麵，使表麵的汙物，鏽斑或塗層發生瞬間蒸發或剝離，高速有效地清除清潔對象表麵附著物或表麵塗層，從(cong) 而達到潔淨的工藝過程。

激光同電子束和離子束統稱為(wei) 高能束，共同特點是束流攜帶著很高的能量在空間傳(chuan) 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、高單色性和高相幹性的特點，這是普通光源所無法比擬的。利用激光的高亮度，經過透鏡聚焦後，能在焦點附近產(chan) 生上千度甚至上萬(wan) 度的溫度。激光的高方向性使得激光能有效進行長距離傳(chuan) 輸。激光的單色性極高，波長單一，有利於(yu) 聚焦和波長選擇。激光器發出的激光從(cong) 光纖中傳(chuan) 輸到聚焦鏡頭，聚焦後從(cong) 噴嘴內(nei) 孔抵達需清洗工件表麵。通常使用噴嘴，借助於(yu) 與(yu) 激光同軸的小孔噴嘴將具有一定壓力的氣體(ti) 吹到清洗區。氣體(ti) 由輔助氣源提供，其主要作用為(wei) 防止鏡頭被飛濺物和煙塵汙染，並起到淨化工件表麵，強化激光與(yu) 材料的熱作用。

如圖1所示，物體(ti) 表麵汙染物吸收激光能量後，或汽化揮發，或瞬間受熱膨脹而克服表麵對粒子的吸附力，使其脫離物體(ti) 表麵，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，但大多數機理都能對激光清洗實驗中的一些現象進行合理的解釋，歸納起來大致包括激光汽化分解、激光剝離、汙物粒子熱膨脹、基體(ti) 表麵振動和粒子振動四個(ge) 方麵；而且，激光清洗常常是多種機理同時作用的結果。

圖1 激光清洗原理

激光清洗機理根據表麵附著物和基體(ti) 熱物理參數差別大小而有所不同。當表麵附著物與(yu) 基體(ti) 材料的熱物理參數差別較大時，激光清洗機理包括：燒蝕汽化、熱振動與(yu) 熱衝(chong) 擊機理和聲波振碎機理，如激光清洗漆層和橡膠層。當表麵附著物與(yu) 基體(ti) 材料的熱物理參數差別不大時，主要是燒蝕汽化機理在起作用，如激光除鏽。

不鏽鋼焊縫表麵清理試驗研究

我公司長期大批量生產(chan) T4003不鏽鋼車體(ti) 的車輛，且大部分為(wei) 不鏽鋼車體(ti) ，不鏽鋼材料在焊接時，局部部位由於(yu) 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(hui) 導致不鏽鋼焊縫附近和焊縫背部發生表麵氧化，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(chan) 品的不鏽鋼外表不要求塗刷油漆或者塗刷透明色清漆，過度氧化造成的色差會(hui) 嚴(yan) 重影響車輛的整體(ti) 美觀。不鏽鋼焊縫過度氧化主要發生在車體(ti) 外表麵，如側(ce) 牆、下部側(ce) 牆板等部位，特別是側(ce) 牆與(yu) 端牆板（端牆橫帶）連接部位，如圖2所示。

圖2 不鏽鋼車體(ti) 外表麵焊縫熱影響區過度氧化

按照AWS D18.2標準和AS 1554.6標準的推薦，焊縫和熱影響區的表麵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，不鏽鋼車體(ti) 在生產(chan) 中還會(hui) 存在局部鏽蝕或其他汙染物等問題，本項目擬通過試驗方法驗證利用激光表麵清理技術祛除不鏽鋼表麵的過度氧化及鏽蝕等其他雜質的能力，和處理後表麵的耐腐蝕能力。

圖3 不鏽鋼焊縫和熱影響區氧化變色樣本（AWS D18.2:2009）

（1）試驗過程選用65W手持式激光清理裝置，通過參數調節，可得到不同的效果，不同參數下的不同處理效果如圖4所示，通過多次試驗，為(wei) 達到理想的表麵狀態，合理的參數設置如下：①激光功率：65W。②光斑重合度：1.2。③脈寬：30~240ns。④脈衝(chong) 能量：0.1~0.8mJ，最優(you) 能量0.1~0.2mJ。

圖4 不鏽鋼樣品表麵清理測試

（2）試驗結果在上述參數下，通過激光清理裝置處理後，能夠將焊縫及熱影響區的氧化層全部去除，如圖5~圖7所示。

圖5 對接焊縫清理前後對比

圖6 角焊縫正麵清理前後對比

圖7 角焊縫背麵清理前後對比

根據受處理表麵狀態對光吸收率的差異，通過調整波長等參數，激光不僅(jin) 能清理金屬表麵氧化層，還能快速清理不鏽鋼表麵的鏽蝕和油漆（見圖8~圖9）。

圖8 上側(ce) 梁鏽蝕清理

圖9 清漆清理

激光表麵清理不僅(jin) 能徹底清除焊縫及熱影響區的氧化層，還能形成新的鈍化層，防止再次生鏽，為(wei) 驗證新鈍化層的耐腐蝕性，進行了自然環境和模擬環境下的耐腐蝕對比試驗。試驗內(nei) 容為(wei) 將2塊試板進行局部激光清理，分別存放於(yu) 不同的環境中一段時間後觀察其鏽蝕情況。其鏽蝕情況見圖10：試板1放置於(yu) 室外露天環境6個(ge) 月，觀察發現，未清理表麵有大量鏽蝕痕跡，激光清理後表麵僅(jin) 有點狀鏽蝕。試板2置於(yu) 室內(nei) 常溫環境下6個(ge) 月，觀察發現，未清理表麵出現自然氧化色，激光清理後表麵未觀察到變色、鏽蝕情況，仍呈金屬本色。