脈沖激光清洗的作用機(jī)理及清洗表面性能提升研究

史冊(cè)

摘要：在將激光清洗技術(shù)應(yīng)用在金屬表面處理過(guò)程中，可從根本上提升金屬表面處理水平，保障工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與效率。在應(yīng)用激光清洗技術(shù)過(guò)程中，清洗工藝的使用需要細(xì)致研究相關(guān)工作機(jī)理以及金屬基層表面性能，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整激光脈沖清洗過(guò)程中的參數(shù)數(shù)據(jù)，確保脈沖激光清洗工作高質(zhì)高效開(kāi)展。本文就針對(duì)此，對(duì)脈沖激光清洗作用機(jī)理以及清洗表面性能進(jìn)行分析，提出能夠提升清洗表面性能的具體措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：脈沖激光清洗;作用機(jī)理;清洗表面性能;提升對(duì)策

前言

在工業(yè)基礎(chǔ)生產(chǎn)過(guò)程中，金屬表面清理工作占據(jù)了重要地位。傳統(tǒng)金屬表面清洗工作主要為化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)大量使用，可對(duì)周?chē)鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。隨著激光技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，借助激光原理研發(fā)出的激光清洗技術(shù)具有清洗效果好、清洗工藝簡(jiǎn)單、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。為從根本上發(fā)揮出脈沖激光清洗技術(shù)的積極作用，相關(guān)工作人員需要細(xì)致分析脈沖激光清洗作用機(jī)理，結(jié)合清洗對(duì)象基層特征，找尋出更加合理的手段，提升清洗表面性能，為從根本上保障基礎(chǔ)工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率奠定堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。

1、 激光清洗工作機(jī)理研究

在使用激光清洗技術(shù)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生光、聲、熱等耦合作用，在清洗過(guò)程中會(huì)釋放出復(fù)雜的氣體或固體物質(zhì)。金屬表面清洗期間的化學(xué)價(jià)態(tài)以及分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致在研究激光鍵合、界面破壞的難度較大，難以對(duì)其進(jìn)行定量定性描述。就目前來(lái)看，激光清洗工作機(jī)理主要分為以下幾個(gè)部分：

第一， 激光軟燒灼工作機(jī)理。激光軟燒灼主要就是在低激光功率密度下，將激光照射到金屬表面，在各種工作機(jī)理作用下，金屬表面物質(zhì)將會(huì)發(fā)生質(zhì)量互相遷移或者散失情況。在將激光照射到金屬表面污染物時(shí)，污染物內(nèi)特定分子將會(huì)吸收激光能量，加快原子震動(dòng)情況，增強(qiáng)污染物吸收能量。在污染物內(nèi)部電子達(dá)到一定數(shù)量情況下，原子掙脫束縛，呈現(xiàn)出分解情況，使得污染物被清除干凈。由于激光軟燒灼技術(shù)對(duì)于高分子有機(jī)物較為敏感，因此更加適用于有機(jī)無(wú)機(jī)物混合物的表面處理。

第二， 激光燒灼工作機(jī)理。在基層表面污染層受到激光脈沖輻射的情況下，激光會(huì)與污染層發(fā)生相互作用，迫使污染物吸收光能并轉(zhuǎn)化，切實(shí)提升污染物層溫度。經(jīng)過(guò)分析可得，高能量激光束經(jīng)過(guò)聚焦之后，聚焦附近的溫度可以瞬間達(dá)到幾千攝氏度，污染物會(huì)發(fā)生融化、蒸發(fā)、燃燒分解、等離子化等變化，致使污染物出現(xiàn)流失或者剝削情況，從物體表面消除。就目前來(lái)看，激光燒灼工作機(jī)理被廣泛應(yīng)用在金屬焊前表面處理等方面。

相關(guān)研究人員對(duì)鋁合金焊前未預(yù)處理和焊前經(jīng)激光清洗的焊縫橫截面形貌進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明焊前進(jìn)行激光清洗的焊縫質(zhì)量明顯優(yōu)于焊前未經(jīng)處理的焊縫，具體如下圖。

第三， 激光清洗冷剝離工作機(jī)理。激光清洗過(guò)程中的激光冷剝離主要就是利用高負(fù)荷能量光子，打斷被清洗物質(zhì)的化學(xué)鍵，確保基體表面不會(huì)在激光作用下發(fā)生破壞。相關(guān)研究部門(mén)對(duì)激光清洗冷剝離工作記錄展開(kāi)了細(xì)致研究，在非相干光束發(fā)生等離子體作用時(shí)的波長(zhǎng)較短，因此會(huì)產(chǎn)生激光冷剝離情況。由于冷剝離是利用打破化學(xué)鍵的方式清除污染物，在清除過(guò)程中需要使用的能量較少，不會(huì)產(chǎn)生較為顯著的熱影響。與其他激光清洗工作相比，激光清洗冷剝離工作的清洗效果好，但是清洗效率不高，清洗設(shè)備主要為紫外激光。

對(duì)于金屬材料而言，可以直接吸收光子能量，增大晶格振動(dòng)，確保金屬表面溫度快速提升。材料對(duì)光子的吸收時(shí)間較短，吸收以及轉(zhuǎn)化熱過(guò)程速度極快，因此在建立激光吸收模型過(guò)程中，激光可以完全作為一個(gè)表面熱源，在激光作用下用極短時(shí)間照射金屬表面，克服金屬表面污染物吸附力作用，確保污染物能夠脫離基體。相關(guān)工作人員在研究低功率激光清洗技術(shù)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)激光清洗作用機(jī)理主要為金屬燒灼以及因溫度升高，導(dǎo)致金屬床的加熱與膨脹。

與傳統(tǒng)清洗技術(shù)相比，激光清洗技術(shù)擁有更加突出的優(yōu)勢(shì)，可以不機(jī)械接觸金屬表面的情況下完成清洗工作，防止在激光清洗過(guò)程中出現(xiàn)表面損傷問(wèn)題。同時(shí)，激光清洗技術(shù)的運(yùn)營(yíng)成本較低，雖然前期投資過(guò)大，但過(guò)程中的支付量較少。不僅如此，激光清洗技術(shù)能夠更好保護(hù)周?chē)鷳B(tài)環(huán)境，不會(huì)在清洗過(guò)程中釋放出帶有污染物的化學(xué)試劑，產(chǎn)生的廢棄物也較少，因此需要在當(dāng)前背景下加大激光清洗技術(shù)研究力度，切實(shí)提升激光清洗質(zhì)量與效率。

2、脈沖激光清洗表面性能提升對(duì)策

經(jīng)過(guò)實(shí)際研究脈沖激光清洗技術(shù)下清洗表面性能，能夠細(xì)致分析不同脈沖激光清洗技術(shù)應(yīng)用特征，從根本上提升材料表面性能，控制由于激光清洗對(duì)金屬材料表面造成的損傷，對(duì)發(fā)展并推廣激光清洗技術(shù)具有重要意義。

2.1分析激光清洗對(duì)表面粗糙度的影響

在使用激光清洗技術(shù)過(guò)程中，激光功率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致金屬表面受到損傷，嚴(yán)重影響到金屬結(jié)構(gòu)的使用性能。同時(shí)，高功率激光清洗技術(shù)會(huì)形成燒灼坑或燒灼溝，在具有特定生產(chǎn)要求的情況下可以使用。通過(guò)研究不同激光清洗技術(shù)對(duì)激光除銹后基層表面的影響發(fā)現(xiàn)， 基層的表面粗糙都會(huì)隨激光功率增大而隨之增大，隨著激光掃描總次數(shù)的增多而增多。因此在選擇激光清洗技術(shù)期間，相關(guān)工作人員需根據(jù)清洗工作要求，控制激光功率，從根本上保證激光清洗效果。

2.2激光清洗對(duì)表面性能的影響

在使用激光清洗技術(shù)去除表面油漆時(shí)，可通過(guò)控制激光工藝參數(shù)，增強(qiáng)污染物去除力度，從根本上提高激光清洗后工件的疲勞性能，保障清洗后表面硬度提升，從根本上保障材料的耐磨性能。使用激光清洗技術(shù)有可能會(huì)導(dǎo)致金屬表面發(fā)生鈍化反應(yīng)，由于金屬表面原子分子在激光作用下被激活，形成密氧化層，對(duì)延長(zhǎng)金屬材料使用壽命意義深遠(yuǎn)。

3、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，現(xiàn)階段激光清洗技術(shù)應(yīng)用范圍日漸擴(kuò)大，但對(duì)于激光清洗技術(shù)的研究機(jī)理卻還不成熟?，F(xiàn)階段技術(shù)方面生產(chǎn)要求不斷增強(qiáng)，為從根本上提升激光清洗技術(shù)的應(yīng)用效果，相關(guān)管理人員需細(xì)致分析脈沖激光清洗作用機(jī)理，分析清洗表面性能。注重研發(fā)激光清洗系統(tǒng)，控制激光清洗運(yùn)營(yíng)成本，確保激光清洗工作能夠在增強(qiáng)實(shí)際生產(chǎn)效率，保障基礎(chǔ)工業(yè)生產(chǎn)高效有序開(kāi)展中發(fā)揮出重要作用。

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（作者單位：沈陽(yáng)慧遠(yuǎn)自動(dòng)化設(shè)備有限公司）