激光除銹后基體表面粗糙度的研究

沈 全，佟艷群，馬桂殿，魏麗花

(江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

1 引言

隨著工業(yè)技術的發(fā)展，鋼鐵的需求越來越大。由于鋼鐵本身易銹，需要進行表面涂裝，而涂裝前需要用各種方式去除銹蝕，并使表面形成一定的粗糙度，所以為鋼鐵除銹和涂裝成為工業(yè)生產中不可缺少的環(huán)節(jié)。在除銹過程中，有一種新穎環(huán)保的除銹方式——激光除銹。此除銹方式與傳統(tǒng)的除銹方法相比有能量可調、不損傷材料內部結構、操作方便、無污染、無接觸、高清潔度、清洗效率高和低成本等優(yōu)點［1］。在涂裝過程中，基體表面的粗糙度是非常關鍵的，影響著基體表面與涂層之間的附著力。因為對基材附著不好的涂層，其性質幾乎都是不良的，而且因為涂層非常薄，如果附著力不夠強，則在應用環(huán)境下很容易脫落，無法保證持續(xù)使用［2］。取得合適的粗糙度可以通過激光毛化技術［3］和激光熔覆技術［4－5］。但若在激光除銹過程中既能去除基體表面的銹蝕又能得到合適的粗糙度，則會帶來一定的經(jīng)濟效益。因此本文主要研究激光參數(shù)在激光除銹后影響粗糙度的規(guī)律，并且嘗試尋找是否有適當?shù)募す鈪?shù)使得激光除銹后表面還能生成阻止銹蝕的氧化物［6－7］。

2 實驗裝置

圖1是激光除銹實驗裝置示意圖。實驗中所用激光器為IPG公司的Nd∶YAG激光器(型號YLP－10)。該激光器的基本參數(shù):激光波長1064 nm，脈沖頻率2～100 kHz，激光功率0.02～100 W，光斑直徑50 μm，脈寬100 ns。輸出的激光通過光束準直后，由焦距為160 mm的聚焦透鏡進行聚焦。銹蝕樣品放置在可以上下移動的夾具上，確保銹蝕樣品的上平面可以調至焦點處。

圖1 激光除銹系統(tǒng)裝置Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

樣品為生銹程度為B級的Q235鋼。為了消除初始樣品上面的銹蝕坑對實驗結果的干擾，把樣品表面先打磨后拋光，最后，在自然條件下靜放一個月，生成銹層。每次測試所選的樣品掃描區(qū)域為3 mm×3 mm面積。在實驗過程中，分別選取不同功率、掃描次數(shù)和掃描速度等工藝參數(shù)進行匹配性實驗，用光斑直徑為50 μm、頻率為100 kHz的激光光束在每個樣品的X-Y平面上按照設定的參數(shù)進行掃描運動。實驗結束，用東京精密SURFCOM 130A粗糙度測量儀在每個樣品的橫向測量三次，縱向測量三次，使計算表面粗糙度結果更加精確［8－9］。

3 實驗結果與分析

3.1 激光脈沖功率對粗糙度的影響

如圖2 所示，A、B、C、D、E、F、G 分別表示激光以5000 mm/s掃描速度掃描的次數(shù)為1次、2次、4次、8次、16次、32次和64次。對比不同功率，相同掃描次數(shù)的豎形條高度可知:在相同掃描次數(shù)下，功率為15 W的樣品表面粗糙度比功率為60 W的樣品表面粗糙度要小，功率為100 W的樣品表面粗糙度最大。實驗中，樣品在15 W時，隨著次數(shù)增加，樣品表面的顏色沒有太大變化，呈現(xiàn)的是銀色，接近樣品本身材質的顏色;在60 W時，樣品表面呈現(xiàn)白色并逐漸變黑，但變黑的程度不大;在100 W時，樣品表面直接變黑，樣品表面出現(xiàn)損傷。圖3顯示表面有一層一層的波紋。這是因為高溫使表面熔化流動并且多次掃描形成的熔道會相互疊加。于是在一定范圍內，在相同的掃描次數(shù)和速度的條件下，激光功率越高，樣品的表面粗糙度就越大，但大到某一閾值，表面出現(xiàn)損傷，形成一些凹坑，還會有一層熔凝層。

圖2 粗糙度隨脈沖功率變化的對比圖Fig.2 Roughness changes with laser power

圖3 SEM 樣品表面圖60 W，5000mm/s，4 timesFig.3 SEM sample surface 60 W，5000mm/s，4 times

3.2 激光掃描次數(shù)對粗糙度的影響

在圖4中，功率為15 W、速度分別為500 mm/s和5000 mm/s的激光產生的粗糙度。在掃描次數(shù)為8次后粗糙度值上升趨勢逐漸緩和;功率分別為60 W和100 W而速度同為5000 mm/s的激光所產生的粗糙度值隨著掃描次數(shù)的增多而增大，并且粗糙度值增大的趨勢比較明顯;功率為20 W，速度為3000 mm/s的激光所產生的粗糙度隨掃描速度有所增大，但趨勢也趨向緩和。因為掃描次數(shù)越多可近似于單脈沖能量的累加值越大。并且掃描次數(shù)越多，激光在樣品表面掃描所形成的熔道越多，表面粗糙度也會隨著增大。

圖4 粗糙度隨掃描次數(shù)變化的對比圖Fig.4 Roughness changes with scanning times

圖5所示的是功率為20 W，掃描速度為3000 mm/s掃描4次的掃描電鏡圖。圖中可以看出表面的銹蝕基本清除干凈，出現(xiàn)熔凝現(xiàn)象。

圖5 SEM 樣品表面圖20 W，3000mm/s，4timesFig.5 SEM sample surface 20 W，3000mm/s，4times

3.3 激光掃描速度對粗糙度的影響

在圖6中，在相同掃描次數(shù)下，功率同為15 W的激光，掃描速度為500 mm/s比掃描速度為5000 mm/s所產生的樣品表面粗糙度要大。因為在激光除銹過程中，當同種激光輸出功率和掃描次數(shù)相同時，激光光束與樣品表面的相互作用便由掃描速度的大小來反映。掃描速度越大，激光光束在樣品表面上作用的時間就越短，則樣品表面接受的能量比較少，使樣品表面發(fā)生熔凝的能力比較弱，影響表面粗糙度。所以說同種激光在激光功率和掃描次數(shù)相同的條件下，掃描速度越高，樣品表面的粗糙度越低。

圖6 粗糙度隨掃描速度變化的對比圖Fig.6 Roughness changes with scanning speed

4 結論

(1)激光功率越高，樣品表面的粗糙度越大，達到一定的閾值，表面出現(xiàn)基體損傷;

(2)樣品表面的粗糙度在低功率時隨著掃描次數(shù)的增多而增大，但到了掃描次數(shù)為8次后，其增加趨勢比較緩和，不再明顯如激光功率為15 W速度分別為500 mm/s和5000 mm/s的條件下;在高功率時隨著掃描次數(shù)的增加而增大，增大的趨勢依舊比較明顯，如激光功率為60 W和100 W速度同為5000 mm/s的條件下;在功率為20 W掃描速度為3000 mm/s的條件下，生成的粗糙度的變化趨勢介于上述低功率和高功率之間，并且樣品表面還出現(xiàn)藍色的物質;

(3)樣品表面的粗糙度隨著掃描速度的增大而減小。

通過實驗得到粗糙度和表面顏色的變化規(guī)律，為以后優(yōu)化激光參數(shù)，能夠更好地符合涂層的需要做出比較好的嘗試。

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