納秒激光干式除漆的試驗研究

黃華棟,丁倩倩,董 瑞,卞 達,趙永武

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院,江蘇 蘇州 215104；2.江南大學機械工程學院,江蘇 無錫 214122)

1 引 言

鋼結構橋梁由于其自身重量輕、工期短等特點[1],在我國橋梁建設中占據(jù)重要的地位。鋼結構橋梁一般建在江河、海洋和工業(yè)密集的地方,長時間服役時必然會有銹蝕產生,導致鋼結構原有的力學性能受到極大損傷。鋼結構橋梁防氧化生銹采用的最主要的方式是噴涂漆層[2],當漆層過期時將舊漆層徹底清除并噴涂新漆層。

在清除舊漆層時,主要使用的方法有酸洗、噴砂打磨等[3]。酸洗是采用化學試劑的方法,極易對環(huán)境造成污染；噴砂或鋼刷打磨等傳統(tǒng)方式存在很多弊病,如:效率低,角落難處理等。如果一個大型的鋼結構大橋全部使用手工打磨的方法,則養(yǎng)護一次至少需要30年。目前對鋼結構橋梁去除舊涂層的方法都不是很理想,所以急需一種安全綠色環(huán)保的新方法來解決鋼結構在去除老舊漆層上的問題。

激光被譽為20世紀四大發(fā)明之一,在很多方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。隨著對激光技術研究的加深,激光技術已經開始應用在工業(yè)清洗上。2009年,美國學者Aniruddha Kumar[4]等人使用光纖激光器對Ti-3Al-2.5V合金管進行表面處理,得到了清洗閾值和損傷閾值參數(shù)。2013年,華中科技大學武漢光電國家實驗室邱兆飚[5]等人采用1.06 μm的脈沖激光進行了除漆工藝研究，研究結果表明:船用鋼板經激光除漆后,表面耐腐蝕性能有顯著提升,再次生漆時間約為手工打磨的2～3倍。2016年,上海船舶工藝研究所劉洪偉[6]等人通過點激光試驗,得到以下結果:當激光能量密度達到0.5～5.0 J/mm2時,可以將表面漆蝕完全去除,清潔度符合Sa 1/2級標準。2018年,馬來西亞學者Mohammad Khairul Azhar Abdul Razab[7]研究表明Nd∶YAG激光清洗技術可以在不使用化學產品的情況下去除涂層,并防止金屬基材表面出現(xiàn)缺陷。2019年,希臘學者J.S.Pozo-Antonio[8]等人使用雙波長Q開關Nd∶YAG激光清潔花崗巖上富含石膏的黑殼,在預濕潤的表面上用1064 nm和355 nm波長激光施加0.3 J/cm2的能量可獲得最佳結果。

相較于傳統(tǒng)清洗工藝,激光清洗技術有著諸多優(yōu)點,如清洗徹底、工作過程中不需要化學添加劑、不會對環(huán)境造成污染且能清洗傳統(tǒng)工藝難以清洗的偏僻角落等。

2 激光除漆的機理

激光除漆實際上就是利用激光與漆層和基底的相互作用克服漆層與金屬基底的粘附力或直接將漆層氣化實現(xiàn)去除的過程[9]。激光除漆主要作用機理包括振動效應和燒蝕效應,其中振動效應是指當激光照射時,漆層和基底分別吸收部分激光能量使漆層和基底的溫度升高并在激光脈沖結束時降溫,短時間內迅速的熱膨脹和冷卻收縮會導致漆層和基底的結合處產生應力振動來克服粘附力,使漆層脫離基底的現(xiàn)象；燒蝕效應是指當漆層吸收的激光能量較多時,漆層的溫度升高超過氣化溫度后,漆層會被氣化去除的現(xiàn)象。

在激光清洗的過程中,漆層在激光能量的作用下,瞬間產生熱量,溫度急劇上升。假設樣品在笛卡爾坐標系中,則激光輻射在漆層表面時的熱傳導方程為[10]:

(1)

式中,ρ，c，k分別為漆的密度、比熱和熱傳導率;W(x,y,z,t)是漆層內的體熱源函數(shù)。不同的油漆參數(shù)會有一些差異,影響除漆效果。

雖然這個能量不足以使漆層蒸發(fā),但會引起基體和漆層之間產生熱膨脹作用,使吸附的油漆微粒產生很大的加速度,脫離基體表面。整個過程是在極短的時間內累計完成的,由于吸收激光能量的是金屬表面,則其表面的溫升ΔT可用式(2)近似表示[11]:

ΔT=(1-R)F/(ρcμ)

(2)

式中,R為金屬的激光反射率；ρ為金屬密度；c為比熱容；μ為基體在激光持續(xù)時間τ內的熱擴散距離；F為單位面積入射的激光能量。

由表面溫升ΔT引起的基體線膨脹H為[12]:

H≈αμΔT=(1-R)Fα/(ρc)

(3)

式中,α為熱膨脹系數(shù)。

護理臨床實習是護理教育的重要環(huán)節(jié)，其質量高低直接關系著護理教育能否與臨床工作順利對接。護生實習階段的真實體驗是衡量臨床護理教學質量的重要依據(jù)，可以為改進臨床護理教學工作提供重要信息。為了解護生在臨床實習中的體驗、態(tài)度，部分學者采用質性研究方法對實習護生真實體驗進行研究[1-27]，但受研究目的、客觀條件等限制，各研究內容存在差異，無法綜合性地為護理教育者提供護生實習體驗數(shù)據(jù)，本研究通過對當前相關質性研究成果整合分析，以期全面揭示我國實習護生的內心訴求，進而為護理教育者更好地開展臨床教學工作提供參考。

取F=1 J/cm2,α=1×10-5K-1,ρ=3g/cm3,c=0.4 J/(g·K)。那么,H約為10-6cm量級。取τ=10 ns,就有:

α∝H/τ2∝1010cm/s2

(4)

由上式可知,激光清洗過程中產生的加速度遠遠超過重力加速度,能夠使吸附微粒受到急劇加速從而脫離基體表面,其動力學過程如圖1所示。

圖1 干式激光清洗的動力學過程Fig.1 Kinetic process of dry laser cleaning

3 激光除漆的試驗分析

3.1 試驗設備

激光除漆技術是表面處理的一種新型清洗技術,不同的工藝參數(shù)對表面質量有不同的影響,因此除漆時必須選用合適的激光參數(shù)。本文通過試驗探究了激光參數(shù)和表面質量之間的關系。在單因素試驗的基礎上,通過正交試驗探究各因素對表面質量影響的大小,最終得到較佳除漆參數(shù)。

本文選用的納秒激光設備如圖2所示。激光清洗系統(tǒng)中采用的是SPI脈沖激光器,最大平均輸出功率為100 W,最大單脈沖能量1 mJ,光斑直徑20 μm,清洗方向為垂直入射。

圖2 納秒激光設備Fig.2 Nanosecond laser equipment

3.2 試驗材料和觀測設備

(1)試驗材料

本文重點研究的對象為鋼結構橋梁除漆養(yǎng)護,因此試驗選用的是Q345合金鋼,是鋼結構橋段所采用的鋼材。Q345合金鋼具有良好的力學性能,易于切削及焊接,如圖3所示。

圖3 實驗材料Fig.3 Experimental materials

在測量試驗中主要采用X射線能量散射譜儀、掃描電子顯微鏡及粗糙度儀,用于測量除漆區(qū)域的元素重量百分比、表面形貌及表面粗糙度,檢測設備如圖4所示。

圖4 檢測設備Fig.4 Testing Equipment

3.3 試驗方案

為了進一步探討激光對除漆后表面質量的影響,本文主要選擇激光功率、頻率、振鏡掃描速度和掃描次數(shù)等工藝參數(shù),探究激光參數(shù)變化和表面質量之間的關系。在保證除漆質量的前提下,同時也要考慮除漆的效率?；谥暗脑囼炑芯?激光脈寬設置為280 ns,此時激光能量輸出較高,鋼材除漆采用尺寸為20 mm×20 mm,間距為20 μm弓字交叉的掃描圖形進行除漆加工,如圖5所示。

圖5 弓字填充圖形Fig.5 Bow character fill graphics

本文重點研究的激光工藝參數(shù)是功率、掃描速度、頻率和掃描次數(shù)。為了試驗的高效性,每個因素取3個水平因子。在單因素試驗研究的基礎上,確定激光除漆正交試驗的參數(shù)選擇[13],如表1所示。

表1 因素水平表Tab.1 Factor level table

(1)正交試驗方案設計

本次試驗中四個因素均取3個水平因子,根據(jù)L9(34)正交試驗表設計正交試驗,除漆后表面漆層殘留及粗糙度是檢測激光除漆是否符合除漆標準的一個重要因素,因此以Fe元素重量百分比和表面粗糙度作為除漆質量的檢測標準,用于優(yōu)化試驗參數(shù)。試驗要素安排及結果見表2,極差分析結果如表3所示。正交試驗的試驗結果如圖5、6所示。

表2 正交試驗要素安排及結果Tab.2 Orthogonal test element arrangement and results

表3 極差分析結果Tab.3 Range analysis results

圖5 正交實驗樣品微觀形貌Fig.5 Orthogonal experimental sample microscopic morphology

圖6 正交實驗樣品粗糙度Fig.6 Orthogonal experiment sample roughness

(2)正交試驗分析

激光除漆后基體表面的Fe元素重量百分比和表面粗糙度這兩個指標具有不相關性,隨不同工藝參數(shù)的變化規(guī)律各異,不能同時使兩者達到最優(yōu),因此只能在兩者之間尋找平衡,使兩者同時達到較優(yōu),即將表面漆層完全去除后,表面粗糙度Rz在25～100 μm之間。根據(jù)表3的極差結果分析,分別分析激光工藝參數(shù)對Fe元素重量百分比和表面粗糙度的影響大小。首先比較各因素對Fe元素重量百分比的極差值R,可以看出四個因素對這一指標的影響次序為:V>f>N>P,即振鏡掃描速度占的權重最大,功率影響最小。由于要求是在去除漆層的前提下,Fe元素重量百分比越高越好,因此在Fe元素重量百分比指標下產生最優(yōu)的條件為:P3V2f3N2。緊接著分析激光各參數(shù)對表面粗糙度這一指標的極差值R,可以得到各參數(shù)的影響次序為:V>P>f>N,也就是振鏡掃描速度對表面粗糙度的影響最大,掃描次數(shù)最小。由于要保證除漆后表面粗糙度值Rz在一定范圍內,以保證再次噴涂涂層的貼合力,因此產生最優(yōu)的條件為:P2V1f2N1。

綜合考慮二者指標,選出符合除漆標準的最佳工藝參數(shù)[12]:

(1)P:功率對Fe元素重量百分比和表面粗糙度的影響分別排在第四位和第二位。當功率取70 W和75 W時,均可將漆層去除,且表面氧化程度較低,此時應該充分考慮表面粗糙度這一指標,故功率選擇70 W。

(2)V:振鏡掃描速度對Fe元素重量百分比和表面粗糙度的影響均排在第一位。當振鏡掃描速度取1000 mm/s、1100 mm/s時,漆層均可去除,但當振鏡掃描速度取1000 mm/s時,此時基體表面氧化情況大于1100 mm/s,且清洗效率略低,故振鏡掃描速度取1100 mm/s。

(3)f:頻率對Fe元素重量百分比和表面粗糙度的影響分別排在第二位和第三位。當因素C取70 kHz和80 kHz時,漆層均可去除,但當頻率取64 kHz時,Fe元素重量百分比和表面粗糙度效果更好一些,故頻率選擇80 kHz。

(4)N:掃描次數(shù)對Fe元素重量百分比和表面粗糙度的影響分別排在第三位和第四位?？紤]到表面氧化程度及除漆效率,故掃描次數(shù)選擇2次。

綜合考慮二者指標,從矛盾中尋找平衡,得到了滿足工業(yè)除漆要求的最佳激光除漆參數(shù):功率取70 W,振鏡掃描速度取1100 mm/s,激光頻率取80 kHz,掃描次數(shù)取2次。

3.4 試驗分析

用優(yōu)化后的參數(shù)對漆層進行去除試驗,通過SEM及EDS測量激光清洗區(qū)域的Fe含量,可以看出,Fe含量達到了93.2 %(如圖7所示),說明基體表面基本已無漆層殘留,除漆效果良好。

圖7 Fe元素重量百分比Fig.7 Fe element weight percentage

使用粗糙度儀測量除漆區(qū)域的表面粗糙度,如圖8所示。可以看出,除漆后表面粗糙度值主要集中在50～100 μm之間,符合噴涂的預處理標準。

圖8 表面粗糙度Fig.8 Surface roughness

4 結 論

本文對納秒激光去除漆層進行了參數(shù)研究,主要利用正交試驗法,對功率、頻率、振鏡掃描速度及掃描次數(shù)進行分析,得出了在預設參數(shù)范圍內振鏡掃描速度的變化對Fe元素重量百分比和表面粗糙度的影響最為顯著。并確定了較佳的除漆參數(shù)為功率70 W,振鏡掃描速度1100 mm/s,激光頻率80 kHz,掃描次數(shù)2次,得到了粗糙度在50～100 μm之間且無漆層殘留的加工效果。