100W脈沖激光器冷軋鋼板表面氧化膜清洗

王賢寶,王明娣,郭敏超,倪玉吉,張 曉

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215000)

1 引 言

激光清洗技術(shù)是指采用能量較高的激光束照射工作表面,激光發(fā)射的光束被需處理表面上的污染層所吸收,激光與污染層之間的相互作用導(dǎo)致的光物理反應(yīng),表面的氧化膜發(fā)生瞬間蒸發(fā)或者剝離,從而達(dá)到清洗表面氧化膜的作用。激光清洗的方法主要有四種:激光干洗法,激光濕洗法,惰性氣體法,非腐蝕化學(xué)法[1]。與傳統(tǒng)的化學(xué)清洗比較,如酸洗,激光清洗作為目前較為先進(jìn)的清洗方法,占據(jù)明顯的優(yōu)勢,不會(huì)因?yàn)樗嵯催^度破壞基層材料,且激光清洗時(shí),每次清洗都是可以控制的,每次清洗的參數(shù)可以根據(jù)上一次的清洗效果進(jìn)行調(diào)整。酸洗對基材的破壞是不可挽回的,激光清洗明顯地避免了這一點(diǎn)。

冷軋鋼板在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用廣泛,其制造過程是以熱軋鋼板經(jīng)過酸洗之后成形,冷軋鋼板與熱軋鋼板相比較,沒有經(jīng)過退火,回火處理,強(qiáng)度和硬度都很高(HRB大于90),但是塑性下降,機(jī)械加工性能差,所以不能用作沖壓件,只能作為結(jié)構(gòu)件[2]。本次實(shí)驗(yàn)材料為船體外殼的鋼板,厚度為5～6 mm,由于長時(shí)間與海水接觸,表面受到腐蝕而產(chǎn)生了一層厚厚的氧化膜。傳統(tǒng)的工業(yè)清洗方式不僅效率低,且很難達(dá)到清洗完全的效果。

對于樣品材料表面氧化膜的清洗,考慮到有三層不同的物質(zhì),分別是氧化亞鐵,氧化鐵,四氧化三鐵。如圖1所示為氧化膜分層模型,國內(nèi)外學(xué)者對激光清洗金屬表面做了許多研究,但是以往所清洗的表面氧化膜通常只有一種且厚度較小,容易被清除,只需要使用相同的激光參數(shù)進(jìn)行清洗就可以了[3]。本實(shí)驗(yàn)樣品,氧化膜包括三種不同的物質(zhì),厚度達(dá)到了0.3～0.5 mm,需要根據(jù)不同物質(zhì)的特性選擇不同的參數(shù)來進(jìn)行數(shù)次清洗,才能達(dá)到完全清除的效果。

圖1 分層模型

本實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備是100 W激光打標(biāo)機(jī),性能穩(wěn)定,體積小,功耗低,使用壽命長。光束質(zhì)量好,高精度細(xì)致光斑保證清洗結(jié)果的完美。因?yàn)榛暮脱趸す獾奈章蚀嬖诓町?在清洗了表面氧化膜之后,光滑的基材對激光的反射率較高,激光的能量可以被全部反射,這樣可以避免對基材造成損傷,或者說是對基材的損傷可以控制在很低。

影響激光清洗的因素有很多,例如激光功率,掃描速度,激光頻率等都會(huì)影響表面清洗效果,對于此樣品表面氧化膜的清洗,可以將激光器參數(shù)分為兩大類:有一類叫做激光的空間參數(shù),包括線間距,掃描速度和填充方式；第二類包括激光功率和脈寬,主要影響輸入激光的能量屬性。因此為了在保證清洗效果的情況下,避免對基材造成損傷,需要在清洗的最低閾值和表面損傷閾值之間取得數(shù)值平衡[4]。

2 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及過程

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)的材料是冷軋鋼板,成分主要有Fe,C,Mn,其中C≤0.08 %；Mn≤0.4 %。多用于船體外殼,由于與海水,空氣長期直接接觸,導(dǎo)致鋼板外層附著一層厚厚的氧化膜,尺寸大小為400 mm×400 mm×5 mm。而且氧化膜由于氧化程度不同,導(dǎo)致氧化膜成分不同,分別有氧化亞鐵,氧化鐵,四氧化三鐵。由于鋼板用途廣泛,采用一般的物理清洗或化學(xué)清洗方法效果并不好,且效率低。

本實(shí)驗(yàn)所采用的波長為1064 nm的100 W脈沖激光清洗,主要由電腦控制軟件,激光器,擴(kuò)束鏡,可三軸運(yùn)動(dòng)的工作平臺(tái)組成,其中,激光器的功率最大可以達(dá)到100 W,場鏡焦距為225 mm,單脈沖能量為1 mJ。激光清洗設(shè)備如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

脈沖激光器的掃描方式為沿x軸的方向,激光通過振鏡的作用在y軸方向上不斷往復(fù)擺動(dòng)。由于材料的大小限制,在清洗完一小塊樣品之后,需要移動(dòng)鋼板,再進(jìn)行下一次的清洗,在清洗過程中戴上護(hù)目鏡,避免激光刺傷眼睛,還可以觀察清洗過程中表面的變化,以便優(yōu)化下一次的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原理圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理圖

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

鋼板表面對激光的吸收主要是由激光的波長決定。激光的功率P;頻率f;光斑直徑D是激光的主要參數(shù),三者共同決定了激光的能量密度。清洗的主要原理是由激光的高能量密度沖擊在基材表面,由于基材對激光有一定的吸收,導(dǎo)致表面的氧化膜吸收到一定的能量之后脫落。

根據(jù)能量守恒定律,激光器發(fā)出的激光能量去向分為三個(gè)部分,部分能量在材料內(nèi)部被吸收；部分能量被材料表面反射；部分能量被透射,因此公式可以寫成[5]:

E0=E反射+E吸收+E透射

(1)

兩邊變形為：

R+α+T=1

(2)

式中,R為材料的反射率；α為材料的吸收率；T為材料的透射率。

若激光沿著豎直方向傳播,激光照射到材料表面,其強(qiáng)度滿足下式:

I=I0e-αz

(3)

這個(gè)公式為布拉格定律,其中I0為入射激光強(qiáng)度,α為材料的吸收率。定義激光在材料中傳播時(shí)其激光強(qiáng)度降低到原始強(qiáng)度1/e處的傳播深度為激光的穿透深度[6]。

當(dāng)光照射到材料表面的時(shí)候,由于光是一種電磁場,氧化膜中的原子被迫發(fā)生振動(dòng),產(chǎn)生透射波。因?yàn)橥干洳ǖ某掷m(xù)時(shí)間短,傳播距離遠(yuǎn)小于激光波長,氧化膜強(qiáng)烈吸收激光產(chǎn)生的透射波,且金屬對激光是不透明的,氧化膜底部還有鋼板基材,所以一般認(rèn)為透射率T=0。由于透射率T為0,所以得到透射能量也就為0,氧化層只存在反射率和吸收率,進(jìn)一步變化公式為[7]:

α+R=1

(4)

根據(jù)菲涅爾公式,可以得到激光在氧化層的反射率:

(5)

而吸收率為:

(6)

其中,k表示吸收指數(shù),由于激光器發(fā)射出的激光垂直基材表面入射到氧化層表面,環(huán)境中的空氣對于激光的折射率基本為1。因?yàn)榛谋砻娴难趸げ煌腹?它對激光能量的吸收指數(shù)大于對激光的穿透指數(shù),說明氧化膜能吸收激光發(fā)射出的大部分能量,氧化膜吸收能量之后,溫度迅速上升,最終脫離基體表面[8]。

當(dāng)基材表面氧化膜吸收到足夠多的激光光束能量,溫度達(dá)到某一數(shù)值,氧化物慢慢氣化,才能從材料表面脫離。各種鋼和鐵的氧化物氣化溫度在2800～2900 ℃；大多數(shù)金屬材料對激光的吸收率在10 %～20 %,且氧化層表面粗糙,吸收率大。根據(jù)能量密度的計(jì)算公式:

(7)

其中,P為激光功率；D為激光聚焦光斑直徑；f為激光重復(fù)頻率。

再由金屬吸熱公式:

Q=cmΔT

(8)

其中,Q為總吸收熱量;c為材料比熱;m為單位質(zhì)量;ΔT為從常溫到氣化的溫度差。根據(jù)能量密度φ與氧化膜氣化所需要的的能量Q的關(guān)系即可得出激光的去除閾值1.6 J/cm2,當(dāng)激光的能量密度設(shè)置為大于激光去除閾值時(shí),即可去除氧化膜。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)采用的是1064 nm波長的100 W激光清洗機(jī),參數(shù)設(shè)置軟件是MarkingMate,軟件的屬性頁設(shè)置如圖4,在實(shí)驗(yàn)開始的時(shí)候,首先要設(shè)置激光所要清洗的形狀大小,由于本實(shí)驗(yàn)材料的限制,大小設(shè)置為4 cm×1 cm的長方形,在軟件中繪出圖形。激光功率,頻率,清洗速度可以通過功率測試進(jìn)行調(diào)試,在不斷的實(shí)驗(yàn)中探索每個(gè)參數(shù)對表面氧化膜的清洗質(zhì)量影響。由于本實(shí)驗(yàn)采用的是100 W激光器,功率較低,氧化膜厚度太大,且每一層氧化膜的成分不同,所以功率的選擇較少,要改變的參數(shù)是頻率以及掃描速度,實(shí)驗(yàn)采用單因素的實(shí)驗(yàn)方法。

圖4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)調(diào)節(jié)

考慮到第一層是比較難清除的四氧化三鐵,所以第一次試驗(yàn)參數(shù)為功率100 %,頻率為40 kHz,掃描速度1300 mm/s,掃描次數(shù)呈6的倍數(shù)增加,在次數(shù)達(dá)到24次之后,雖然表面的氧化膜已經(jīng)被清除,但是表面顏色呈黑色。在用低功率的激光清洗表面黑色的時(shí)候,更換頻率,功率保持不變,掃描6次之后,由于兩次頻率的變化,導(dǎo)致清洗表面有層狀花紋,且嘗試用激光清洗花紋的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)花紋清洗不掉。

經(jīng)過第一次試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),在清洗同一區(qū)域氧化膜時(shí),改變頻率會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)花紋,所以兩次清洗只改變功率和掃描速度。參數(shù)選擇功率100 %,頻率為20 kHz,掃描速度1300 mm/s,掃描18次之后,第一層和第二層氧化膜基本被清除,表面呈現(xiàn)黑色,這是由于高功率的激光與基材表面作用,使鋼板再次發(fā)生氧化反應(yīng),導(dǎo)致表面變黑,這時(shí)調(diào)整參數(shù),采用功率較小的激光,清洗掉表面的黑色。參數(shù)為功率60 %,頻率不變20 kHz,掃描速度1300 mm/s,掃描6次之后,表面達(dá)到清洗標(biāo)準(zhǔn),與基材原本顏色基本一致。如圖5所示。在把所有實(shí)驗(yàn)都做完后匯總之后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 所有樣品清洗圖

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 材料表面分析

在經(jīng)過了11次試驗(yàn)之后,通過改變激光功率,頻率,掃描速度以及清洗速度。得到了最佳參數(shù):第9號(hào)試驗(yàn)清洗效果最佳,掃描速度1300 mm/s,第一次功率100 %,頻率20 kHz,次數(shù)24；第二次功率40 %,頻率20 kHz,次數(shù)6次。采用本參數(shù)可以對冷軋鋼板表面進(jìn)行清洗,可以將其表面的復(fù)合氧化膜完全清洗干凈,且與原鋼板不存在色差。如圖6所示。

圖6 未清洗表面和清洗表面對比

表2是鋼板表面各種氧化物的熔點(diǎn),正是因?yàn)楦鲗友趸锶埸c(diǎn)不同,才需要用不同的參數(shù)的激光器清洗氧化膜。通常情況下,氧化物附著在金屬表面會(huì)存在結(jié)合強(qiáng)度,范圍在20～350 Mpa之間,所以需要通過一些波動(dòng)將表面的氧化物殘?jiān)コ簟Ｓ绊懷趸で逑吹闹匾蛩厥菬嵊绊?激光清洗過程中,激光照射材料表面引發(fā)的溫度變化,氧化膜熔化,且由于金屬的導(dǎo)熱性,更深層的金屬也會(huì)發(fā)熱,對下一層表面的清洗會(huì)有所影響,這一因素很難避免。

表2 各氧化物的熔點(diǎn)

對比10號(hào)、11號(hào)實(shí)驗(yàn)和前面實(shí)驗(yàn),會(huì)發(fā)現(xiàn)掃描速度會(huì)影響表面的光潔度。如圖7所示,當(dāng)掃描速度過快時(shí),基材表面呈黑色,且激光清洗效果不明顯,需要的掃描次數(shù)更多,導(dǎo)致效率不高。所以不應(yīng)該用提高掃描速度的方法來提高效率。

圖7 第2號(hào)實(shí)驗(yàn)和11號(hào)實(shí)驗(yàn)對比

激光清洗的效果需要考慮表面硬度,表面粗糙度以及表面氧含量,其中表面氧含量會(huì)影響清洗后表面的色澤是否會(huì)發(fā)黑。在保證鋼板表面氧化膜能完全被清除的情況下,基材表面硬度越高越好,表面粗糙度越小越好且顏色要與材料原本的保持一致[6]。

3.2 EDS分析

通過EDS測量激光清洗區(qū)域的Fe,C,O這3種主要元素含量,清洗效果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)主要看被清洗完的表面中氧含量,以及表面光潔度等。當(dāng)功率達(dá)到100 %時(shí),表面出現(xiàn)黑色斑點(diǎn),這是由于氧化膜已經(jīng)被完全清除,激光開始作用在基材上,導(dǎo)致表面氧化變黑,與功率為60 %時(shí)的清洗樣品相比,隨著功率的升高,氧化膜中的氧化亞鐵被不斷的氧化,剝離基體表面,會(huì)引起基材的燒蝕情況更加明顯,最終導(dǎo)致表面完全變黑[9]。而當(dāng)激光功率為40 %和60 %時(shí),由于氧化膜較厚,隨著激光功率的降低,能量密度不夠,表層的已經(jīng)氧化完全的四氧化三鐵吸收的能量太少,需要經(jīng)過多次的掃描才能清洗干凈,這種清洗方雖然能很好地控制基材表面的光潔度,并且不會(huì)因?yàn)楣β蔬^高使基材發(fā)生氧化,但是效率過低。綜合看來,在激光功率為60 %時(shí),氧化膜基本被完全清除,且不會(huì)使清洗后的表面發(fā)生氧化變黑。如表3所示。

表3 表面氧元素含量

在第一次掃描完基體表面后,表面的氧化物對激光的吸收作用會(huì)增強(qiáng),并且表面的氧化物會(huì)相應(yīng)地減少,如果此時(shí)再用上一次的參數(shù)再次清洗,產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)明顯地降低,說明此時(shí)再用第一次的方法掃描,清洗結(jié)果并不會(huì)好太多。由于更深層的氧化膜更難以被清除,所以此時(shí)需要改變參數(shù),增強(qiáng)激光的能量,提高功率或者頻率可以相應(yīng)地提高激光能量[10],由此可以得知,僅僅通過改變清洗次數(shù)并不能使清洗的效果得到很大改善,而且清洗效率會(huì)大幅度降低,因此清洗過程中采用一次或者兩次的參數(shù)比較合適。

在清洗過程中,激光功率影響單位面積內(nèi)的激光能量密度,而激光頻率會(huì)影響單個(gè)光斑的能量大小,對于樣品鋼板表面氧化膜的清洗,需要的是整個(gè)范圍內(nèi)激光的作用,所以采用的是高功率和低頻率的參數(shù)。由于在激光掃描過程中,沒有保護(hù)氣體附著在已經(jīng)被清洗的鋼材表面,加上激光的熱效應(yīng),導(dǎo)致被清洗表面很容易被二次氧化,氧化膜未能被完全清除[11]。

掃描速度參數(shù)分為500 mm/s,1300 mm/s,2000 mm/s三個(gè)因素,激光掃描速度的快慢會(huì)影響單位面積內(nèi)氧化膜吸收能量的多少,在掃描速度為500 mm/s時(shí),氧化膜清洗效果明顯,但是由于激光掃描速度過慢,基材吸熱量過高,導(dǎo)致已經(jīng)清洗完的暴露在空氣中的部分與氧氣發(fā)生作用,再次氧化,氧含量上升,再次附著一層新的氧化膜。隨著掃描速度的加快,當(dāng)速度達(dá)到2000 mm/s時(shí),單位時(shí)間內(nèi)基材吸收的能量不夠,氧化膜很難受熱脫離基材表面,而且如果再次用不同功率的激光再次掃描,效果不太明顯。如圖8所示,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)樣品采用1300 mm/s的掃描速度時(shí),清洗效果好,表面不會(huì)產(chǎn)生黑斑,也不會(huì)因?yàn)閽呙杷俣冗^快的原因,出現(xiàn)毛刺[12]。

圖8 掃描速度對含氧量的影響

3.3 硬度分析

硬度是材料表面性能很重要的一個(gè)指標(biāo),是材料抵抗硬物壓進(jìn)表面的能力。冷軋鋼板具體分為1/8硬、1/4硬、1/2硬和全硬狀態(tài)材料的硬度值,本次實(shí)驗(yàn)的冷軋鋼板硬度值為1/2硬,洛氏硬度范圍在74～89之間[13],采用手持式洛氏硬度計(jì)測量清洗后的表面硬度。

由表4可以看出,在經(jīng)過數(shù)次的激光清洗后,去除掉表面氧化膜的鋼板硬度基本不變,甚至有略微上升,這是因?yàn)樵诨w表面附著了一層氧化膜,氧化膜與基體表面的作用力很弱,當(dāng)激光掃描過基體表面后,清洗掉的殘?jiān)湓诨w表面,根據(jù)激光除銹的分層模型,底層的鋼板與氧化層形成了雙層系統(tǒng),使得沒有還沒有脫離基底表面的氧化層吸收熱量后繼續(xù)均勻附著在材料上,重新形成了一層保護(hù)膜。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,當(dāng)激光的功率越大,保護(hù)膜在材料表面附著越均勻,清洗完的材料表面硬度越大。

表4 硬度極差分析

3.4 粗糙度分析

表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀誤差,當(dāng)激光掃描速度較低時(shí),因?yàn)閽呙杈€間距為0.05 mm,光斑大小為20 μm,在相隔的時(shí)間段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一段段高低不平的現(xiàn)象,這是由于在激光的掃描路徑上必不可免的結(jié)果,本實(shí)驗(yàn)采用基恩士的激光共聚焦顯微鏡測量清洗后的表面粗糙度,在表5中的第四組實(shí)驗(yàn),當(dāng)掃描速度為500 mm/s時(shí),粗糙度達(dá)到了最高的4.6 μm,另外一高一低的細(xì)微落差還會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)點(diǎn)狀或條紋狀的色斑,但是當(dāng)掃描速度提高到2000 mm/s時(shí),表面粗糙度明顯降低,且不會(huì)出現(xiàn)色斑,表面粗糙度可以達(dá)到13.2 μm,如圖9所示。

表5 表面粗糙度極差分析

圖9 不同掃描速度的表面粗糙度

由上述分析可知,掃描速度對表面粗糙度的影響最大。表面粗糙度與機(jī)械零件的配合性質(zhì),耐磨性,疲勞強(qiáng)度,接觸剛度,振動(dòng)和噪聲有關(guān),粗糙度的提高有利于延長產(chǎn)品的使用壽命和可靠性[14]。

3.5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了避免實(shí)驗(yàn)的不確定性,和掃描范圍的大小因素,重新取一塊樣板,設(shè)置激光掃描范圍大小為20 cm×20 cm,參數(shù)設(shè)置為激光功率100 %,頻率20 kHz,掃描速度1300 mm/s,觀察發(fā)現(xiàn)表面粗糙度較小,且顏色與基體原本顏色相同,加工完成之后的成品如圖10所示。

圖10 成品實(shí)驗(yàn)圖

4 結(jié) 論

本文對表面受到腐蝕的冷軋鋼板進(jìn)行了激光清洗實(shí)驗(yàn),通過對激光功率,頻率,掃描速度,次數(shù)等參數(shù)的改變,最終得出了一組最優(yōu)化參數(shù),并得出了以下結(jié)論:

(1)經(jīng)過多次試驗(yàn),得到最佳參數(shù):激光功率100 %,頻率20 kHz,掃描速度1300 mm/s,掃描次數(shù)6次；激光功率60 %,頻率20 kHz,掃描速度1300 mm/s,掃描次數(shù)18次。兩次不同參數(shù)的激光掃描后,氧化膜基本被完全清除,基材表面光滑且明亮,與原基材色澤相同。當(dāng)改變參數(shù)使激光能量密度上升會(huì)導(dǎo)致表面燒蝕嚴(yán)重,顏色呈黑色,且難以被清除；當(dāng)改變參數(shù)使能量密度下降,氧化膜吸收的能量不足以脫離基體表面,影響清洗效率。

(2)清洗效果主要受激光功率,激光頻率和掃描速度三個(gè)因素的影響,在表面是四氧化三鐵的時(shí)候,激光功率和頻率都較大,這樣才能完全清除第一層比較難清除的氧化膜,對于第二層的氧化鐵以及第三層的氧化亞鐵,功率可以調(diào)低一點(diǎn)。整個(gè)清洗過程中掃描速度不能過小,否則會(huì)出現(xiàn)一道道的紋理,表面粗糙度達(dá)不到要求。也不可以過大,否則能量密度不夠,氧化膜很難被清除。

(3)整個(gè)清洗過程,頻率的變換次數(shù)不可以太多,在一到兩次最好。當(dāng)在清洗過程中,頻率變換了三種次數(shù),基材表面會(huì)出現(xiàn)圓形光斑,且光斑不可被清除。當(dāng)氧化膜清除完成后,表面可能呈黑色或者灰色,這時(shí)可以采用功率較小的激光,將表面洗白。

(4)清洗完成后的基材表面有條狀紋理,這是由于激光在掃描表面的時(shí)候是慢慢從上之下的,在激光向下平移的過程中,在每個(gè)時(shí)間間隔上,表面吸收能量不均勻,激光清洗主要以熱震蕩剝離機(jī)制與沖擊波機(jī)制共同作用去除氧化膜,這種情況下,可以采用橫向掃描和縱向掃描的方式清洗表面,即沿X軸和Y軸分為兩次掃描基體,當(dāng)?shù)诙渭す庋卮怪甭窂綍r(shí),可以消除第一次產(chǎn)生的紋理[11]。