激光參量對(duì)碳鋼表面清洗質(zhì)量的影響

吳勇華，任曉晨， 劉皓賢，閆永君，康獻(xiàn)民

(1.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部 激光技術(shù)研究中心， 江門 529020；2.廣東省摩托車先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造工程技術(shù)研究中心，江門 529020)

引 言

激光清洗是一種新型、綠色、非接觸式的表面清洗技術(shù)，已應(yīng)用于航空航天、汽車船舶、微電子及文物保護(hù)等領(lǐng)域，可用以去除材料表面的油漆、鐵銹、氧化膜、涂層、積碳等污染物[1]。碳鋼是工業(yè)中使用最廣泛的金屬結(jié)構(gòu)件材料，碳鋼的強(qiáng)度、塑性和焊接工藝及綜合性能較好而用途廣泛。然而，Q235碳鋼在使用過(guò)程中極易發(fā)生銹蝕，銹蝕會(huì)加速其內(nèi)部的腐蝕，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。因此在使用過(guò)程中，必須清除其表面的銹蝕層，使其表面滿足一定的質(zhì)量要求，確保延長(zhǎng)碳鋼結(jié)構(gòu)使用壽命的同時(shí)，為后續(xù)加工制造工藝(如焊接、噴漆等)做準(zhǔn)備。目前，工業(yè)酸洗和超聲波清洗是清除碳鋼銹蝕層的一個(gè)常用方法。工業(yè)酸洗因其產(chǎn)生的強(qiáng)腐蝕性和對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染而將受到限制, 超聲波清洗無(wú)法清洗強(qiáng)附著力污染物及亞微米級(jí)顆粒，對(duì)被清洗工件的尺寸、形狀適應(yīng)性不強(qiáng)，因此激光清洗是一種有推廣價(jià)值的清洗替代技術(shù)。

近年來(lái)，激光清洗技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究越來(lái)越深，從理論研究、試驗(yàn)室試驗(yàn)逐步在工業(yè)上應(yīng)用，如ZHANG等人[2]在2019年針對(duì)鋁合金表面氧化層對(duì)比了不同激光參量尤其是激光能量密度對(duì)清洗效果的影響，通過(guò)試驗(yàn)獲得了最優(yōu)激光工藝參量，并闡釋了激光清洗試驗(yàn)的機(jī)理；JASIM等人[3]在2017年用納秒脈沖光纖激光器在20μm厚的白色高分子涂料和鋁合金基體上去除聚合物漆，評(píng)估了激光工藝參量對(duì)清洗效果的影響和分析激光燒蝕區(qū)的尺寸；YU等人[4]在2014年對(duì)碳鋼表面鐵銹進(jìn)行激光清洗，并通過(guò)檢測(cè)表面粗糙度值、硬度、元素成分、顯微形貌等分析了激光清洗的效果；GAO等人[5]使用納秒紫外激光器對(duì)304不銹鋼進(jìn)行激光表面除銹，通過(guò)試驗(yàn)分析并優(yōu)化了功率、掃描次數(shù)和清洗速率等激光工藝參量對(duì)除銹效果的影響；ZHOU等人[6]采用納秒脈沖激光器在不同狀態(tài)下對(duì)AH32鋼表面銹層進(jìn)行激光清洗試驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)材料表面形貌與粗糙度來(lái)表征激光除銹效果，最后獲得較好的清洗質(zhì)量和較高的清洗效率；ZHANG等人[7]試驗(yàn)了激光峰值功率、能量密度等參量對(duì)輪胎模具鋼表面殘余橡膠層的清洗效果的影響，獲得了一組最優(yōu)激光清洗工藝參量，同時(shí)試驗(yàn)對(duì)比表明，脈沖 YAG 激光比 CO2激光更高效；QI等人[8]研究了高速列車集電環(huán)激光除銹工藝，研究結(jié)果表明，激光除銹后試樣表面沒(méi)有發(fā)生重熔和相變現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)未生銹試樣和激光除銹后試樣的表面硬度、電阻率對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)兩者沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

本文中在激光清洗機(jī)理分析基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)Q235鋼的激光除銹試驗(yàn)，探討激光清洗工藝對(duì)金屬表面清洗的作用規(guī)律，研究激光清洗各工藝參量對(duì)清洗質(zhì)量的影響規(guī)律。通過(guò)激光清洗工藝單因素、多因素正交試驗(yàn)，優(yōu)化Q235鋼的激光除銹參量。最后對(duì)激光清洗的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，獲得表面性能和清洗質(zhì)量較好的Q235鋼激光清洗工藝。

1 激光除銹清洗機(jī)理

與其它清洗方法相比，激光清洗過(guò)程更為復(fù)雜，清洗過(guò)程中有多種機(jī)理同時(shí)發(fā)生[9]，這是因?yàn)榧す馀c材料之間的相互作用時(shí)，發(fā)生燒蝕、電離、熔化、汽化、膨脹、收縮、爆炸、剝離等復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象[10-11]。目前國(guó)內(nèi)外將激光清洗機(jī)理總結(jié)為三大類：光燒蝕清洗、光液膜輔助清洗和激光沖擊波清洗[12]。其中燒蝕清洗是較普遍認(rèn)同的、占主導(dǎo)作用的激光清洗機(jī)理。

當(dāng)激光直接作用于材料表面上，處于空氣、惰性氣體或真空環(huán)境中的材料本體和污染物均首先發(fā)生熱效應(yīng)和變形[13]。激光輻照能被表層材料吸收后，表層材料的瞬時(shí)熱膨脹激發(fā)微振動(dòng)，促發(fā)表面吸附的污染物粒子與本體脫離；同時(shí)表層污染物粒子本身熱膨脹和收縮也致使粒子脫離材料表層，從而使材料基體和污染物分離[14]。激光燒蝕清洗過(guò)程主要有熱變形、燒蝕、汽化、電離和相爆炸等[15]。

對(duì)于激光燒蝕清洗過(guò)程以哪一種機(jī)理起主導(dǎo)作用，取決于激光與材料相互作用形成的溫度、污染物燒蝕閾值與材料基體燒蝕閾值三者之間的關(guān)系[16]。

(1)如果激光產(chǎn)生的溫度低于污染物燒蝕閾值，則污染物僅發(fā)生熱變形變化，污染物與基材兩者熱膨脹系數(shù)之間差異將導(dǎo)致界面處產(chǎn)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，污染物發(fā)生屈曲、脫離，形成機(jī)械斷裂、振動(dòng)破碎并產(chǎn)生裂紋，從而污染物與基體的分離[17]。

(2)如果激光輻照溫度高于污染物燒蝕閾值、低于基材燒蝕閾值時(shí)，激光清洗過(guò)程主要體現(xiàn)為熔化、汽化、電離等物理化學(xué)現(xiàn)象[18]。這種情況所需的激光能量往往比較小，可行的方法是將激光能量密度調(diào)整到污染物燒蝕值與基材的燒蝕閾值之間合適的參量，既可以有效去除污染物，又不會(huì)對(duì)基材造成破壞，其工作機(jī)理如圖1所示。這是激光清洗實(shí)現(xiàn)材料表面清洗質(zhì)量較佳的工況。如MARIMUTHU等人[19]用脈沖激光清洗WC刀頭表面TiN涂層時(shí)，把激光能量密度調(diào)至2J/cm2，高于TiN涂層的清洗閾值0.62J/cm2、低于基材WC的清洗閾值2.36J/cm2，獲得了基材表面無(wú)損傷的清洗效果；SUN[20]用不同功率、不同掃描速率的CO2激光器清洗子午線輪胎模具表面橡膠殘余物時(shí)，通過(guò)同樣的方式獲得了輪胎模具的最佳激光清洗工藝參量。

Fig.1 Mechanism of low laser power ablation cleaning

(3)如果污染物燒蝕閾值大于基體材料燒蝕閾值時(shí)，激光產(chǎn)生的溫度高于基體燒蝕閾值又小于污染物燒蝕閾值時(shí)，激光清洗過(guò)程主要體現(xiàn)為汽化、燒蝕、電離和相爆炸等物理化學(xué)變化。這一狀況下所需的激光能量往往比較大，這時(shí)需提高激光能量密度才能去除表層污染物，如YUE等人[21]在開展激光燒蝕去除鈦合金表面α相的試驗(yàn)研究時(shí)，在鈦合金燒蝕閾值為0.7J/cm2、α相燒蝕閾值為1J/cm2的條件下，此時(shí)不論如何調(diào)節(jié)激光參量，均無(wú)法避免清洗最后一層污染物時(shí)造成對(duì)材料基體的損傷，或在清洗后的材料表面余留凹坑，如圖2所示。

Fig.2 Mechanism of high laser power ablation cleaning

因此，基于上述分析，可以把激光清洗分為3個(gè)狀態(tài)：(1)當(dāng)激光能量低于銹蝕層燒蝕閾值時(shí)，激光清洗無(wú)法去除銹蝕污染物，達(dá)不到激光除銹目的,但對(duì)一些材料表面的油污垢、生物污染物等一般臟污，可以用小能量激光進(jìn)行清除；(2)當(dāng)激光能量高于銹蝕層燒蝕閾值、低于基材燒蝕閾值時(shí)，激光清洗可有效去除銹蝕污染物，而又不至于損傷基材；(3)當(dāng)激光能量高于銹蝕層燒蝕閾值、又高于基材燒蝕閾值時(shí)，激光清洗可有效去除銹蝕污染物，同時(shí)也損傷基材。在這種情況下，需選擇合適的激光器和激光清洗工藝參量，利用銹蝕層和基材對(duì)激光吸收率的不同，使激光首先輻照表層銹蝕層后發(fā)生能量衰減，衰減之后的激光不足以再次燒蝕基材。否則也會(huì)損傷基材。

材料表層鐵銹污染物在脈沖激光輻照后發(fā)生熔化、汽化、電離和形成等離子體。盡管激光器的峰值功率會(huì)相對(duì)高，但輻照時(shí)間較短，熱累積在極短的時(shí)間內(nèi)傳遞不到基材。由于Q235鋼銹蝕污染物具有疏松多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)激光吸收率較大，溫度能夠很快達(dá)到銹蝕物熔點(diǎn)1565℃，其燒蝕閾值為7.2J/cm2。不同材料對(duì)激光的吸收率不一樣的，材料對(duì)激光吸收主要受激光波長(zhǎng)、溫度、表面粗糙度、表面涂層的影響，因此，針對(duì)特定的材料需要選擇合適波長(zhǎng)的激光才能進(jìn)行有效地清洗。Q235和金屬銹蝕層的激光吸收情況如圖3所示。對(duì)Q235表面銹蝕層，希望用理想波長(zhǎng)和清洗閾值的激光來(lái)照射，使表面銹蝕層吸收大量能量被有效去除，而基體只吸收少量的能量甚至不吸收能量，使基體溫度達(dá)不到其熔點(diǎn)1495℃，也達(dá)不到Q235的燒蝕閾值6.6J/cm2，因而可以達(dá)到完全去除銹蝕層而不損傷基材的預(yù)期效果。所以采用激光清洗時(shí)，最佳效果是銹蝕污染層對(duì)激光吸收率大，而基材對(duì)激光吸收率小，銹蝕污染和基材層的吸收率差值應(yīng)盡量大[22]。從圖3可以看出，為700nm～1100nm的紅光及近紅外波長(zhǎng)時(shí)，兩者的吸收率差值明顯比其它波段要大，在1064nm處基材的吸收率為0.38，污染層的吸收率為0.78，適合Q235的清洗。

Fig.3 Laser absorption rate of Q235 metal and its surface rust layer

2 Q235鋼的激光除銹清洗試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

激光清洗對(duì)象為Q235鋼板。Q235的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別如下：w(C)=0.0120～0.0130，w(Mn)=0.0040～0.0060，w(Si)=0.0010～0.0070，w(P)≤0.0003，w(S)≤0.0003，w(Cr)=0.0475～0.0550，w(V)=0.0080～0.0140，w(Mo)=0.0090～0.0140，其余為Fe。

試驗(yàn)中采用的Q235鋼板材規(guī)格為 60mm×40mm×1mm，用75%酒精清洗樣品，保證樣品表面無(wú)其它污染物，待表面干燥清潔后備用。試驗(yàn)樣品如圖4所示。圖4b顯示樣品表面整體銹蝕，并出現(xiàn)大量斑點(diǎn)腐蝕，點(diǎn)蝕的深度往往較其它區(qū)域的腐蝕更深。

Fig.4 Test sample diagram

本試驗(yàn)中所使用的激光清洗系統(tǒng)如圖5所示。該激光清洗系統(tǒng)采用IS-0604QCW 型Nd∶YAG準(zhǔn)連續(xù)光纖輸出激光器，額定功率600W、波長(zhǎng)1064nm，脈沖寬度0ns～100ns，掃描寬度10mm～100mm可調(diào)，掃描速率約5000mm/min可調(diào)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能量、脈沖寬度、掃描速率、掃描寬度等工藝參量調(diào)控，通過(guò)控制卡和軟件可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗。本試驗(yàn)時(shí)采用100mm場(chǎng)鏡，聚焦光斑直徑0.5mm。

Fig.5 Laser cleaning system

a—structural diagram b—cleaning sample

2.2 試驗(yàn)方案

針對(duì)Q235鋼板的特性，影響激光清洗效果的工藝參量和因素較多，在現(xiàn)有條件下，只能針對(duì)主要參量和因素。激光能量密度影響激光清洗閾值，對(duì)清洗過(guò)程去除機(jī)理起決定的作用[23]。清洗速度和掃描寬度影響清洗效率，并且對(duì)搭接率也產(chǎn)生影響；離焦量影響聚焦表面激光能量的分布；脈沖重復(fù)頻率又影響到激光能量密度，該參量是影響激光清洗閾值的主要參量[24]。而激光脈寬影響材料表面的熱擴(kuò)散，對(duì)短脈沖造成的細(xì)微影響[25]。因此,本試驗(yàn)中分別對(duì)激光能量密度、清洗速度、掃描寬度、離焦量等進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行多因素正交試驗(yàn)。

在試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)Q235鋼板的物理特性和激光清洗設(shè)備參量，在合適的參量區(qū)間內(nèi)對(duì)激光能量密度、清洗速率、離焦量、掃描寬度和脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行單因素試驗(yàn)。(1)激光能量密度：在試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)銹蝕層和基材情況選擇激光能量密度為5.0J/cm2，7.5J/cm2，10.0J/cm2，結(jié)果表明，在5.0J/cm2時(shí)除銹效果不理想，在7.5J/cm2左右除銹效果良好，在10.0J/cm2左右除銹效果又較差，并出現(xiàn)二次氧化現(xiàn)象，說(shuō)明能量密度過(guò)大，對(duì)基材產(chǎn)生了破壞，如圖6所示；(2)清洗速率：清洗速率在900mm/min～1500mm/min區(qū)間內(nèi)選擇900mm/min，1200mm/min和1500mm/min，結(jié)果表明，隨著清洗速率的增加，清洗效果越來(lái)越差，最優(yōu)清洗速率為900mm/min；(3)離焦量：離焦量在0mm～2mm區(qū)間內(nèi)選擇0mm，1mm和2mm，結(jié)果表明，在1mm離焦附近時(shí)，除銹效果最好；(4)掃描寬度：掃描寬度在30mm～50mm區(qū)間內(nèi)選擇30mm，40mm和50mm，試驗(yàn)結(jié)果觀察顯示，最佳的掃描寬度為30mm～40mm之間；(5)激光脈沖頻率：脈沖重復(fù)頻率在15kHz～25kHz區(qū)間內(nèi)選擇15kHz，20kHz和25kHz進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，在該脈沖重復(fù)頻率范圍內(nèi)清洗效果相差不大。因此，本試驗(yàn)中分別選取激光能量密度、清洗速率、離焦量和掃描寬度4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)因素水平如表1所示，選用L9(34)正交試驗(yàn)。

Fig.6 Cleaning effect under different laser energy densities

a—5.0J/cm2b—7.5J/cm2c—10.0J/cm2

Table 1 Factor level of orthogonal experiment

根據(jù)表1中的激光工藝參量進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)分。綜合評(píng)分以清洗后的表面粗糙度值、銹蝕去除程度、表面形貌評(píng)為依據(jù)。試驗(yàn)后的9組試驗(yàn)清洗效果在光學(xué)顯微鏡下觀察。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，確定因子的主次順序，通過(guò)對(duì)比綜合評(píng)分的大小，確定各因子主次順序依次為：清洗速率、離焦量、激光能量密度、掃描寬度。綜合評(píng)分以清洗后的表面粗糙度值、銹蝕去除程度、表面形貌評(píng)為依據(jù)，獲得Q235鋼最佳激光工藝參量，分別為清洗速率900mm/min、離焦量1mm、能量密度7.6J/cm2、掃描寬度30mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

目前，激光清洗尚未制定通用質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)金屬材料表面污染物清洗質(zhì)量的表征主要為油脂、污物、氧化皮、鐵銹、油漆涂層和雜質(zhì)去除后，表面具有均勻的金屬色澤及殘留污染物。激光在去除材料表面污染層的同時(shí)，也會(huì)對(duì)材料表面性能產(chǎn)生影響。輸入激光能量過(guò)大，會(huì)造成基體材料的燒傷，輸入能量過(guò)小會(huì)影響污染層的去除效果，并且輸入的能量不同會(huì)對(duì)基體表面產(chǎn)生不同的熱影響。因此，需要對(duì)在最佳工藝參量下激光除銹后、未除銹、無(wú)銹的樣品進(jìn)行檢測(cè)，研究激光清洗對(duì)Q235鋼清洗質(zhì)量和表面性能的影響。清洗質(zhì)量主要從材料表面銹蝕層清洗程度和表面的粗糙度來(lái)考察。

3.1 表面粗糙度

激光除銹能有效地去除生銹樣品表面的銹層，同樣會(huì)引起除銹后樣品表面粗糙度值的變化。利用NanoMap-D光學(xué)雙模式3維形貌儀，分別檢測(cè)了未生銹樣品、生銹樣品和最佳激光除銹工藝參量下的樣品粗糙度值。

圖7為試樣的3維形貌圖。生銹的樣品3維形貌圖存在大量銹蝕物，且銹蝕分布不均勻、銹蝕深度不均勻。未生銹的清潔樣品表面均勻度好，極少量的綠色和紅色是由于樣品表面存在微小的劃痕。而在最佳除銹工藝參量下除銹后樣品表面主要由黃色構(gòu)成，還存在少量的綠色，說(shuō)明激光基本上已經(jīng)把銹蝕清除干凈，而且獲得了平整的表面。

從檢測(cè)結(jié)果可知，激光光斑重疊均勻，能量在基材表面均勻分布，使輻射后的基材表面平整；由于銹蝕在基材表面的銹蝕程度不均勻，銹蝕厚的位置被激光清除后會(huì)留下微小的凹坑；除銹后基材表面留下凹坑取決于銹層的分布。綜上所述，激光除銹能改善基材表面的總體粗糙度，但粗糙度的峰值取決于銹層的分布和銹蝕深度的一致性。

圖8為試樣的表面輪廓變化狀態(tài)。從圖8縱坐標(biāo)值可以看出，銹蝕的樣品表面的峰值高度較大，整體曲線存在一個(gè)較大的波峰和波谷，說(shuō)明銹蝕層存在較大的突起和凹陷。而比較未生銹樣品和最佳工藝參量下除銹的樣品，趨勢(shì)的起伏相對(duì)銹蝕樣品小，起伏的程度較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)較長(zhǎng)的波峰，波谷段。對(duì)比未生銹的樣品和最佳工藝參量下除銹的樣品，發(fā)現(xiàn)在x方向上形貌的趨勢(shì)總體上一致，而且縱坐標(biāo)可以看出，表面整體起伏也一致。

Fig.7 Surface topography

Fig.8 Surface profile

表2為生銹試件、未生銹試件和激光清洗試件三者表面粗糙度的檢測(cè)結(jié)果。表2中的數(shù)據(jù)可以說(shuō)明，激光除銹之后，材料表面粗糙度Ra比生銹試件有明顯減小，表面整體粗糙度接近未生銹試件。由于生銹試

Table 2 Roughness test results

件的銹蝕層厚度不均勻，影響到激光清洗試件表面的波峰R1和R2波谷。

綜上所述，在最佳工藝參量下激光除銹可以改善基材的表面形貌，獲得接近于未生銹樣品的表面形貌。

3.2 表面清洗程度

對(duì)除銹前后的樣品做掃描電鏡檢測(cè)，如圖9所示。由對(duì)比結(jié)果可直觀分析表面微結(jié)構(gòu)。其中，圖9a是銹蝕層的掃描電鏡圖，圖9b是激光除銹后的掃描電鏡圖。

Fig.9 Scanning electron microscope

由圖9可知，激光除銹能徹底清除金屬表面的銹蝕層。在掃描電鏡圖中，可以看到顯示材料表面凹坑的黑色區(qū)塊，這種凹坑的形成有兩種原因。其一，材料表面原始銹蝕層形成的凹坑。從銹蝕層的掃描電鏡圖中，可以看到銹層疏松的表面結(jié)構(gòu)，也可以明顯看到銹蝕層表面存在疏松的微孔，黑色銹蝕區(qū)域厚度明顯小于疏松微孔區(qū)。這也是導(dǎo)致激光除銹后表面出現(xiàn)微小凹坑的原因，銹蝕層厚度的不一，銹蝕程度不均勻，當(dāng)銹蝕層吸收均勻的激光能量情況下，就會(huì)導(dǎo)致激光去除銹蝕的厚度不一致，從而在銹蝕深度更深的微小區(qū)域留下凹坑。其二，激光掃描在燒蝕銹蝕薄層時(shí)形成的。由于激光光束為高斯光束，基材吸收的激光能量同樣也會(huì)呈高斯分布，光斑中心吸收的能量密度比周圍的能量密度高，導(dǎo)致光斑中心區(qū)域基材的燒蝕，從而形成凹坑。由圖可知，激光除銹能徹底清除金屬表面的銹蝕層，清洗質(zhì)量受激光光束和銹蝕層的銹蝕程度影響。

最后，對(duì)試樣進(jìn)行了能譜分析。采用X射線能量色散譜儀對(duì)樣品表面和斷面做能譜分析，分析結(jié)果如圖10所示。

由圖10能譜圖可以看出，除銹前后試件表面O，K，F(xiàn)e，Si和Ca各元素的含量變化，其中激光除銹后材料表面的Fe元素的含量增多，O元素含量明顯減少，K元素的含量也有降低，Si和Ca元素的含量變化不明顯，說(shuō)明Si元素和Ca元素并未發(fā)生氧化分解反應(yīng)。Fe元素和O元素含量在清洗前后的相對(duì)變化，說(shuō)明銹蝕層在激光的輻照下發(fā)生了脫氧的反應(yīng)。所以可以得出結(jié)論：Q235鋼表面的氧化物銹蝕已經(jīng)基本清除干凈；另外，從X射線能量色散譜儀所檢測(cè)的Q235鋼表面元素整體分布情況看，由于銹蝕試件表面銹蝕層度不均勻，盡管除銹后O元素明顯減少，但由于銹蝕層厚度分布不均勻，銹蝕層厚的地方會(huì)殘留微量的O元素，銹蝕層的厚度不均勻會(huì)影響激光清洗的效果。

Fig.10 X-ray energy dispersive spectroscopy diagram

4 結(jié) 論

在激光清洗機(jī)理分析和激光清洗工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析激光對(duì)Q235鋼表面銹蝕層清洗效果的影響，獲得激光清洗工藝的最優(yōu)工藝參量。

(1)研究了激光清洗與材料污染物及材料基體的相互作用過(guò)程，分析了激光清洗污染層的過(guò)程模型。提出了激光與材料相互作用產(chǎn)生的溫度與污染物燒蝕閾值、材料基體燒蝕閾值三者之間的關(guān)系，以及激光清洗各過(guò)程起主導(dǎo)作用的清洗機(jī)制。

(2)對(duì)Q235鋼表面銹蝕層激光清洗試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了檢測(cè)和分析，得出激光除銹后材料表面粗糙度和3維形貌得到改善，激光清洗樣品的粗糙度值接近無(wú)銹樣品，激光清洗樣品的形貌與無(wú)銹樣品基本相同；掃描電鏡的分析結(jié)果表明，材料表面的銹蝕層基本去除，表面存在重熔的微結(jié)構(gòu)，并在表面留下微小的凹坑；能譜分析結(jié)果表明，激光除銹后材料表面的O元素含量急劇減少，F(xiàn)e元素含量的變化不大，說(shuō)明材料表面的氧化物銹蝕基本清除干凈。

(3)通過(guò)對(duì)Q235鋼表面激光除銹清洗試驗(yàn)，得出最優(yōu)激光清洗工藝參量如下：清洗速率為900mm/min、離焦量為1mm、能量密度7.6J/cm2、掃描寬度為30mm。這一結(jié)果為碳鋼表面激光除銹工藝的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。