工程機械裝備長期服役於(yu) 惡劣的工作環境，表麵的鏽蝕氧化物嚴(yan) 重影響零部件的使用壽命和安全係數，因此，有效去除材料表麵的氧化物層對於(yu) 機械裝備的保養(yang) 和維護至關(guan) 重要。傳(chuan) 統除鏽工藝包括：機械打磨、噴丸噴砂處理、化學清洗以及高壓水射流清洗等，但存在對基體(ti) 損傷(shang) 大、汙染嚴(yan) 重、操作不便等問題，不符合綠色化清洗的發展趨勢。激光清洗技術作為(wei) 一種新型的清洗手段，憑借其綠色環保、非接觸式清洗、操作方便以及適用範圍廣等優(you) 勢，逐漸應用於(yu) 工程機械、航空航天、文物保護以及輪胎模具等多個(ge) 領域。

1. 脈衝(chong) 激光清洗鏽蝕氧化物的機理

（1）燒蝕去除機理

激光清洗鏽蝕氧化物的過程實際上是依靠光斑的往複移動，當氧化物層溫度達到自身熔化或者氣化溫度時，氧化層材料會(hui) 因相變發生熔化分解、氣化蒸發等效應，並實現逐層去除的過程，如圖1所示。

圖1脈衝(chong) 激光清洗過程

實際清洗過程中，當材料表麵氧化物達到一定溫度時，其表麵會(hui) 出現明顯的燒蝕痕跡，即發生物相之間的轉變：固體(ti) -液體(ti) -固體(ti) ，如圖2所示，證明該機理在清洗過程中起主要作用。

圖2 實際清洗過程的微觀形貌圖

（2）熱應力去除機理

圖3 厚度層較薄時的微觀形貌圖

當清洗過程中氧化層厚度較薄時，表麵會(hui) 出現較多裂紋，如圖3所示。這是由於(yu) 更多的激光能量透過氧化層作用於(yu) 基體(ti) 表麵，基體(ti) 的線性膨脹係數遠大於(yu) 氧化層，溫度變化引起其發生較大的熱膨脹，從(cong) 而使基體(ti) 和氧化層的界麵處存在熱應力，導致氧化層產(chan) 生較多的裂紋。

2. 試驗裝置

圖4 激光清洗裝置示意圖

激光清洗設備為(wei) 山東(dong) 產(chan) 研強遠激光科技有限公司QYCL-500，其主要包括：高功率脈衝(chong) 激光器、激光清洗頭、控製係統以及水冷係統等幾部分，如圖4所示。

表1 激光器的主要工作參數

3. 試驗材料

采用礦山機械鏽蝕件作為(wei) 試驗樣件，采用能譜分析儀(yi) （EDS）測定待清洗樣件表麵主要的化學元素，測試樣件及主要化學元素組成如圖5及表2所示。

圖5測試樣件表麵及主要化學元素含量

表2 測試樣件表麵主要化學元素

對於(yu) 測試樣件的剖麵方向，如圖6示。基體(ti) 表層的不同汙物成分間存在明顯的界限，即存在兩(liang) 層不同成分的氧化層。進一步采用X射線衍射儀(yi) （XRD）對各層的化合物成分進行測定，存在外鏽層和內(nei) 鏽層，即外鏽層為(wei) 稀疏的Fe2O3，內(nei) 鏽層為(wei) Fe3O4與(yu) FeO（少量）的混合物，工作狀態的差異會(hui) 導致氧化層的致密程度等性質有所差異。

圖6待清洗樣件汙物厚度

圖7測試樣件剖麵形貌

圖8 射線衍射（XRD）化合物分析

4. 試驗方法及結果

清洗過程中激光光斑通過單軸掃描振鏡來回往複運動，使之由點狀光斑快速掃描成長度為(wei) 10mm左右的準線狀光斑。激光的單脈衝(chong) 能量由激光功率和重複頻率共同決(jue) 定，其反映清洗能力的大小。本章主要采用單因素試驗探究不同工藝參數對礦工樣件表麵性能（表麵粗糙度、顯微硬度、抗腐蝕性等）和氧化物清洗效率的影響規律。

（1）表麵粗糙度測試及結果討論

表麵粗糙度不僅(jin) 反映激光清洗的效率，同時影響清洗後材料表麵的塗裝性能。本節采用白光幹涉儀(yi) 分析了不同激光參數對礦工樣件表麵粗糙度的影響規律，並得出了最優(you) 的工藝參數。

單因素實驗探究了不同激光功率、重複頻率（脈衝(chong) 寬度）下，激光清洗前後樣件表麵粗糙度的變化規律，如圖9所示。同時，圖10為(wei) 典型參數下白光幹涉儀(yi) 測試樣件的3D形貌。

圖9鏽蝕樣件不同激光參數清洗後的表麵粗糙度（a）功率；（b）重複頻率；

隨著激光功率的增加，樣件表麵粗糙度逐漸降低且下降速率呈現先快後慢的趨勢。考慮此過程中鏽蝕氧化物逐漸去除，氧化層疏密不均導致清洗速率的不同。當激光功率超過一定範圍，表麵粗糙度稍微增加，其原因可能為(wei) 過高的熱輸入量導致基體(ti) 材料發生熔化，產(chan) 生燒蝕坑，如圖4-8（c）所示。

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

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

表麵粗糙度隨重複頻率的變化規律如圖4-7（b）所示。可以看出，表麵粗糙度值與(yu) 重複頻率之間沒有明顯的規律，其主要原因為(wei) 重複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(yu) 樣件單位麵積內(nei) 光斑的作用次數有關(guan) 。

（2）微觀形貌測試及結果討論

微觀形貌作為(wei) 材料分析的重要組成部分，其形貌特性對於(yu) 材料後期的使用性能具有重要的影響。為(wei) 了進一步對激光清洗效率和樣件表麵完整性進行分析討論，本節采用掃描電子顯微鏡（SEM）對清洗過程中樣件的微觀形貌進行測試，X射線能譜分析儀(yi) （EDS）輔助分析汙物成分。不同工藝參數下Q345鋼表麵微觀形貌如圖11所示。

(a)

220W

280W

300W

8kHz

10kHz

13kHz

圖11 鏽蝕樣件不同激光參數下的微觀形貌（a）功率；（b）重複頻率；

由圖11（a）可以看出，激光功率較低時，樣件表麵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，樣件表麵開始露出金屬基體(ti) 。在激光清洗過程中，激光光束與(yu) 樣件表麵物質發生反應，材料會(hui) 發生固體(ti) -液體(ti) -固體(ti) 三者物相之間的轉變，同時微小燒蝕坑和氣孔會(hui) 出現在樣件表麵上，證明激光清洗過程中存在燒蝕去除機理。

當重複頻率較低時，樣件表麵出現“邊緣堆砌”效應，即樣件表麵在激光光斑作用下生成金屬熔池，由於(yu) 壓力和液相的爆破過程使光斑邊緣產(chan) 生熔融重凝物，多呈現乳突狀結構，清洗效果不佳。隨著重複頻率升高，樣件表麵基本無明顯附著物，清洗效果較好。繼續升高，附著物之間出現裂紋和縫隙，證明清洗過程中附著物和基體(ti) 之間存在熱應力。

（3）不同工藝參數對化學元素含量的影響

通過上述3D輪廓和微觀形貌分析，可以得出去除Q345鋼表麵氧化層的最佳工藝參數，進一步采用X射線能譜分析儀(yi) （EDS）分析激光清洗前後樣件表麵的主要化學元素（Fe、O、C）含量。

圖12 附著物成分能譜（EDS）分析

不同參數下樣件表麵Fe、O、C三種元素的相對含量經X射線能譜分析儀(yi) （EDS）測試，如圖4-12所示。

圖13 不同激光參數下的鏽蝕樣件表麵元素含量（a）功率；（b）重複頻率；

圖13（a）為(wei) 不同激光功率下Fe、O、C三種元素的相對含量。隨著的增加，Fe元素的含量呈現先上升後下降的趨勢，O元素含量呈現先下降後上升的趨勢，清洗過程中C元素含量基本保持不變。繼續升高功率，O元素含量最低為(wei) 8.82%，Fe元素含量最高為(wei) 87.58%，樣件清洗效果最好，清洗效率最高。激光功率繼續，Fe-O元素中O元素含量略有上升，證明此時激光處於(yu) 過清洗狀態，樣件表麵發生二次氧化現象，清洗效率有所下降。實際上，當重複頻率固定後，功率的變化代表了激光單脈衝(chong) 能量的變化，單脈衝(chong) 能量過高和過低都會(hui) 對清洗效率產(chan) 生不利影響。

從(cong) 圖13（b）可以看出，重複頻率的變化對Fe、O、C三種元素的相對含量沒有明顯規律可循。當重複頻率為(wei) 10kHz時，O元素含量最低，Fe元素含量最高，清洗效率相對最好。

（4）表麵顯微硬度測試及結果討論

硬度值是金屬材料表麵重要的性能參數。提高材料表麵的硬度值，不僅(jin) 可以增大強度、提高塑性變形抗力，而且對提高零部件的尺寸精度、延長工作壽命具有重要的意義(yi) 。不同激光參數下Q345鋼表麵顯微硬度值變化規律如圖14所示。

圖14 不同參數下顯微硬度變化規律（a）功率；（b）重複頻率；

未清洗的Q345鋼經砂紙打磨並拋光後，基體(ti) 的顯微硬度測量值為(wei) 300HV。圖14（a）代表了不同功率下樣件表麵顯微硬度的變化規律，可以看出，隨著功率的逐漸增加，硬度值逐漸增大，且均大於(yu) Q345鋼基體(ti) 本身的硬度值。當激光功率繼續增加時，樣件表麵硬度值可以達到420HV。硬度變化主要歸因於(yu) 激光清洗實際上是一個(ge) 熱處理的過程，熱輸入量與(yu) 激光單脈衝(chong) 能量息息相關(guan) 。重複頻率固定時，功率的變化代表了單脈衝(chong) 能量的變化。當單脈衝(chong) 能量增加時，樣件表層晶粒細化，晶界之間抵抗發生位錯的能力變大，因而樣件表層產(chan) 生一層較薄的硬化層。

圖14（b）為(wei) 不同重複頻率下樣件表麵顯微硬度的變化規律，可以看出，重複頻率對硬度值影響顯著。當激光器的振鏡周期固定時，重複頻率的大小反映了單位麵積作用的激光脈衝(chong) 個(ge) 數以及單個(ge) 脈衝(chong) 持續作用時間（脈衝(chong) 寬度）的長短。重複頻率逐漸增大過程中，樣件表麵顯微硬度逐漸增大。當重複頻率增加，顯微硬度值達到最大480HV，相比於(yu) 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(wei) ：激光功率下的熱處理效應和脈衝(chong) 激光作用下的衝(chong) 擊力效應。由於(yu) 激光功率保持不變，此時硬度值的變化主要為(wei) 脈衝(chong) 激光對樣件表麵的衝(chong) 擊效應。隨著重複頻率的增大，單位麵積作用的脈衝(chong) 個(ge) 數增多，因此，樣件表麵產(chan) 生的硬化層在擠壓力作用下更加致密，硬度更高。另一方麵，清洗過程中，汙物與(yu) 基體(ti) 之間存在熱應力，鏽蝕氧化物離開基體(ti) 時產(chan) 生的反衝(chong) 力對硬度的提升同樣起積極的作用。

（5）抗腐蝕性測試及結果討論

礦山機械工作環境惡劣，潮濕環境下鐵基材料極易發生電化學腐蝕，生成氧化鐵等鏽蝕氧化物，嚴(yan) 重影響零部件的使用壽命和安全係數。因此，探究激光清洗對樣件抗腐蝕性能的影響規律具有重要意義(yi) 。

圖15為(wei) 不同激光參數下測試出的動電位極化曲線（Potentiodynamic Curve），將試驗數據采用塔菲爾擬合（Tafel Fit）處理，得到表15所示的不同參數下樣件表麵的自腐蝕電位（Ecorr）和腐蝕電流密度（Icorr）。自腐蝕電位高低反映了電化學腐蝕條件下，樣件的熱穩定特性。而腐蝕電流密度大小反映了發生電化學腐蝕的速率以及樣件表麵產(chan) 生點蝕現象的難易程度。

由圖15（a）以及表3可以看出，隨著激光功率的增加，極化曲線均呈現正向移動趨勢，自腐蝕電位逐步增大，即清洗後樣件表麵的腐蝕動力小幅增強。腐蝕電流密度先減小後增加，表示樣件表麵的抗腐蝕性能先增加後減小。激光功率增加，腐蝕電流密度最低為(wei) 383.9，抗腐蝕性能最佳，此時極化曲線中鈍化區的鈍化平台較寬，樣件的鈍化狀態較穩定。抗腐蝕性逐漸增加的主要原因為(wei) 激光使樣件表麵疏鬆鏽蝕氧化物去除的同時，對基體(ti) 會(hui) 產(chan) 生不同程度的熱影響，細化晶格，提高表麵完整性，從(cong) 而抗腐蝕性能得到改善。當功率最大時，由微觀形貌可知，熱累積量過高，表麵出現燒蝕坑，熔融物增加，基體(ti) 發生損傷(shang) ，抗腐蝕性下降。

圖15 不同參數下的極化曲線（a）功率；（b）重複頻率；

表3 不同清洗條件下樣件表麵的電化學參數

5. 結論

本章基於(yu) 脈衝(chong) 激光器，探究了不同激光功率、重複頻率（脈衝(chong) 寬度）下Q345鋼表麵鏽蝕氧化物的去除效率以及清洗前後基材表麵關(guan) 鍵性能（表麵粗糙度、顯微硬度、抗腐蝕性等）的變化規律，主要結論如下：

（1）脈衝(chong) 光纖激光器清洗技術對於(yu) 礦山機械（Q345）表麵氧化層及其他附著物具有良好的去除效果。

（2）對於(yu) 激光清洗前後樣件表麵的三維（3D）形貌，隨著單位麵積熱輸入量的增加，表麵粗糙度（Ra）逐漸降低。但熱輸入量過高時，樣件表麵會(hui) 有燒蝕坑和新氧化物出現，粗糙度值稍有增加。結合微觀形貌分析發現，激光清洗過程中，主要存在兩(liang) 種清洗機理：燒蝕去除機理和熱應力去除機理。

（3）激光清洗對樣件表麵的顯微硬度存在明顯的影響規律。激光清洗過程中，表麵微觀結構中晶粒細化，晶粒邊界抵抗位錯現象的作用力變大，顯微硬度得到提高。在本激光清洗試驗中，重複頻率（脈衝(chong) 寬度）對硬度值的變化影響程度最大。相比於(yu) 原始樣件（Q345），激光清洗後顯微硬度提升率可以達到60%。

（4）激光清洗後，礦山機械（Q345）表麵的抗腐蝕性能得到顯著提高。隨著激光功率增大，表麵的抗腐蝕性能逐漸提高。但功率過高時，由於(yu) 燒蝕坑和新氧化層（不完整）的出現，抗腐蝕性能略有下降。相比於(yu) 原始樣件（Q345），最優(you) 的抗腐蝕性能提升率大約為(wei) 62.9%。

6. 公司簡介

山東(dong) 產(chan) 研強遠激光科技有限公司注冊(ce) 資本8036萬(wan) 元，是一家專(zhuan) 注於(yu) 激光清洗/焊接設備研發、生產(chan) 、銷售及綜合解決(jue) 方案的國家高新技術企業(ye) 。公司作為(wei) 山東(dong) 省科學院激光研究所、山東(dong) 產(chan) 業(ye) 技術研究院、山東(dong) 省科創集團有限公司股權投資企業(ye) ，擁有光學、機械、電子、計算機、材料學等多學科專(zhuan) 業(ye) 組成的博士創新團隊，公司在激光清洗/焊接關(guan) 鍵核心器件、工藝方法、智能控製、成套自動化解決(jue) 方案擁有國內(nei) 外核心自主知識產(chan) 權50餘(yu) 項，相關(guan) 產(chan) 品廣泛應用於(yu) 航天航空、軌道交通、輪胎模具等行業(ye) 。

公司為(wei) 國家級高新技術企業(ye) 、山東(dong) 省創新型中小企業(ye) 、聊城市先進激光技術創新中心、聊城市新型研發機構、第七屆“創客中國”中小企業(ye) 創新創業(ye) 大賽500強。公司具備激光設備係統設計、集成能力，可實現各種應用場景自動化操作，針對不同客戶應用需求，可定製設計、開發出移動式清洗/焊接平台、龍門式激光清洗/焊接成套生產(chan) 線，攻克大幅麵、自動化、高精度的協同運動技術，解決(jue) 行業(ye) 清洗/焊接難題，開發設備指標、性能達到國內(nei) 優(you) 秀水平，多項重大研究成果填補國內(nei) 空白。公司將借助核心技術優(you) 勢，積極進行激光清洗、焊接產(chan) 業(ye) 鏈技術拓展，打造激光清洗、焊接智能裝備領域的綜合技術裝備服務提供商，為(wei) 廣大企業(ye) 綠色、高效、優(you) 質發展保駕護航。