激光清洗純鋁設(shè)備線夾工藝及其對(duì)電導(dǎo)率的影響

馮勇兵，毛水強(qiáng)，陳益坪，程輝陽，林俊岑，俞敏波

激光清洗純鋁設(shè)備線夾工藝及其對(duì)電導(dǎo)率的影響

馮勇兵1，毛水強(qiáng)1，陳益坪1，程輝陽1，林俊岑1，俞敏波2

（1.金華送變電工程有限公司，浙江 金華 321016；2.杭州應(yīng)敏科技有限公司，杭州 310000）

采用激光干式清洗法對(duì)模擬純鋁設(shè)備線夾的氧化污染表面進(jìn)行清洗。采用納秒脈沖激光清洗純鋁板的氧化污染表面。在掃描電鏡（SEM）下觀察激光清洗前后表面，并采用X射線能譜分析（EDS）測(cè)試并分析其元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。利用電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x（SIGMATEST 2.069）檢測(cè)其表面電導(dǎo)率。采用超景深三維顯微鏡觀察激光清洗前后鋁板表面形貌，研究激光清洗對(duì)其表面形貌、元素含量及電導(dǎo)率的影響規(guī)律，從而確定最佳的激光清洗工藝參數(shù)。激光干式清洗可有效去除氧化污染表面的O元素和Cl元素，清洗后表面Al、O、Cl元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)94.02%、5.95%和0.03%，Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較氧化污染表面的37.36%最高提升了151.66%，O和Cl元素則較未清洗表面的59.55%和3.09%最多分別降低了90.01%和99.03%。清洗后的表面電導(dǎo)率可達(dá)34.88 MS/m，較氧化污染鋁板表面的32.00 MS/m提升9%。最終確定最佳激光清洗工藝為：激光功率120 W，重復(fù)頻率60 kHz，掃描速度2 875 mm/s，填充線間距0.058 mm，掃描次數(shù)3次。激光干式清洗可有效去除鋁板氧化污染表面的雜質(zhì)元素，使得鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅提高，并因此提高鋁板表面的電導(dǎo)率。

激光干式清洗法；設(shè)備線夾；表面形貌；元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)；電導(dǎo)率

激光清洗技術(shù)是工業(yè)清洗技術(shù)的一場(chǎng)革命，其原理是將高能激光束照射于工件表面，使表面的污物、銹斑、涂層瞬間蒸發(fā)或者剝離，從而高速有效地清洗材料表面的附著物，最終達(dá)到清洗材料的目的[1-3]。激光清洗方法主要有3種：激光干式清洗法、激光濕式清洗法以及激光等離子沖擊波清洗法[4-6]。激光干式清洗污染少、效率高，適用于大規(guī)模使用，目前已得到了廣泛應(yīng)用[7-9]。戴惠新等[10]使用波長1 064 nm的光纖脈沖激光對(duì)軌道車輛的車體油漆涂層進(jìn)行清洗，清洗前后基體表面粗糙度測(cè)試結(jié)果分別為= 6.03 μm和=6.16 μm，說明激光清洗并不會(huì)如傳統(tǒng)噴砂清洗般在材料表面造成較大凹坑，其滿足了軌道車輛表面漆層再涂裝要求，并且清洗前后材料拉伸性能基本不變。陳水宣等[11]采用納秒激光清洗機(jī)對(duì)Q235鋼表面進(jìn)行激光清洗，結(jié)果顯示，激光能量密度為2.8 J/cm2、清洗速度為12 cm2/s、光斑重疊率達(dá)到80%時(shí)，能完全去除表面涂層且不損傷基體，并且發(fā)現(xiàn)過高的能量密度會(huì)損傷表面。王利華等[12]采用能量密度分別為5.1、10.18、15.29 J/cm2的脈沖激光清洗A5083–111H鋁合金表面，發(fā)現(xiàn)隨著能量密度的增加，鋁合金表面的激光清洗痕跡越加明顯，表面的凹凸不平程度增加，當(dāng)能量密度由10.18 J/cm2增加到15.29 J/cm2時(shí)，清洗痕跡顯著增加，并且表面氧元素含量也隨著能量密度的增加而增加，且與鋁元素的分布相一致，在部分貧鋁、鎂元素區(qū)域出現(xiàn)了氧元素的富集分布。董俊等[13]通過試驗(yàn)對(duì)比了溶劑脫漆與激光脫漆對(duì)飛機(jī)蒙皮表面的除漆效果，發(fā)現(xiàn)溶劑脫漆與激光脫漆后材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率變化不明顯，均符合標(biāo)準(zhǔn)GJB 2053A—2008，并且激光脫漆后重新噴涂底漆面漆試片的結(jié)合力優(yōu)于溶劑脫漆。Grojo等[14]研究了激光干式清洗的燒蝕機(jī)理，結(jié)果顯示，光化學(xué)消融在去除表面污染物方面起著重要的作用，但燒蝕過程中的熱貢獻(xiàn)也不可忽視。

在供電行業(yè)中，高壓輸電線路用耐張線夾面臨著因腐蝕氧化而使線夾產(chǎn)生失效的問題：線夾表面腐蝕產(chǎn)物堆積到一定程度，會(huì)導(dǎo)致線夾溫度急劇上升而使其發(fā)生瞬間高溫?zé)龘p失效[15-18]。對(duì)于某些線路不能馬上斷電進(jìn)行清理，所以腐蝕產(chǎn)物的存在會(huì)影響到輸電線路的可靠性[19-22]。激光干式清洗不接觸工件，不需要化學(xué)試劑，避免了環(huán)境污染[23-24]，可以對(duì)金屬表面的氧化層進(jìn)行去除，清洗效果均勻[25-26]?，F(xiàn)有研究大多聚焦于鋁合金的激光表面清洗，對(duì)純鋁的激光表面清洗研究則較少，而應(yīng)用于輸電行業(yè)的純鋁設(shè)備線夾還需要考慮電導(dǎo)率的變化。本文采用脈沖激光清洗技術(shù)對(duì)經(jīng)過腐蝕氧化污染的鋁板表面進(jìn)行清洗試驗(yàn)，測(cè)量不同工藝參數(shù)下，激光清洗前后的表面導(dǎo)電性能，并對(duì)清洗前后表面元素含量進(jìn)行測(cè)量對(duì)比以判斷激光清洗效果，確定最佳的激光清洗參數(shù)，研究激光清洗對(duì)純鋁設(shè)備線夾表面氧化層及導(dǎo)電性的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 設(shè)備

采用納秒脈沖激光清洗系統(tǒng)（激光器廠家為SPI，型號(hào)為SP–200P–A–EP–M–L–Y，為光纖激光器）對(duì)樣品進(jìn)行激光干式清洗，該系統(tǒng)主要由納秒脈沖激光器、二維掃描振鏡、場(chǎng)鏡、控制系統(tǒng)及煙霧凈化器組成，激光由激光器產(chǎn)生，其經(jīng)過光纖傳至掃描振鏡X、Y，掃描振鏡X、Y擺動(dòng)從而使得激光通過振鏡反射照射在預(yù)定區(qū)域。所用激光波長為1 064 nm，脈沖寬度為270 ns，最大平均功率為200 W，激光經(jīng)場(chǎng)鏡聚焦后光斑直徑為115 μm。設(shè)備示意圖如圖1a所示，激光與材料作用示意圖如圖1b所示。

采用掃描電子顯微鏡（德國ZEISS EVO18型）對(duì)清洗前后的材料表面進(jìn)行觀察，并利用能譜分析（德國BRUKER X Flash 6130型）對(duì)材料表面的元素進(jìn)行測(cè)定。采用電導(dǎo)率儀測(cè)量設(shè)備線夾表面清洗前后的電導(dǎo)率，采用超景深三維顯微鏡觀察激光清洗前后鋁板的表面形貌。

圖1 激光清洗設(shè)備示意圖（a），激光與材料作用示意圖（b）

1.2 材料及前處理

本試驗(yàn)以1060鋁作為試驗(yàn)材料，材料成分如表1所示。為模擬輸電線路設(shè)備線夾的氧化腐蝕狀態(tài)，激光清洗前對(duì)材料進(jìn)行表面預(yù)處理：將鋁板浸泡在稀鹽酸溶液中，直到其表面均勻變色，并將腐蝕后的試樣做隔夜處理，以使試樣表面進(jìn)一步氧化變色。腐蝕前后的鋁板試樣如圖2所示，其尺寸為5 mm× 50 mm×50 mm。

表1 1060鋁成分含量

Tab.1 Chemical composition of 1060 aluminum wt.%

1.3 方法

納秒脈沖激光清洗過程中，激光掃描速度、光斑直徑、脈沖頻率和填充線間距共同決定光斑疊加程度。在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用表2所示工藝參數(shù)進(jìn)行激光清洗試驗(yàn)，激光功率以20 W為一個(gè)梯度，研究不同激光功率對(duì)激光清洗效果的影響。

激光清洗在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，其清洗的效率是一個(gè)重要指標(biāo)。在清洗固定面積的表面時(shí)，掃描速度和填充線間距共同決定清洗效率。采用表3的工藝參數(shù)，在具有較高的激光清洗效率前提下，進(jìn)一步研究不同重復(fù)頻率對(duì)清洗效果的影響。

圖2 腐蝕前后鋁板

表2 不同功率下的試驗(yàn)參數(shù)

Tab.2 Experimental parameters under different power

表3 不同重復(fù)頻率下的試驗(yàn)參數(shù)

Tab.3 Experimental parameters under different repetitive frequency

2 結(jié)果與討論

2.1 光學(xué)觀察結(jié)果與分析

在掃描電鏡下觀察到未清洗區(qū)和激光清洗區(qū)如圖3和圖4所示，圖中上半部分為未清洗區(qū)，下半部分為激光清洗區(qū)。

相同光斑搭接率下，不同激光功率具有不同的清洗效果。A1—A4清洗后具有明顯的宏觀效果，未清洗區(qū)和激光清洗區(qū)具有分界線，清洗區(qū)表面大部分呈現(xiàn)出細(xì)致的凹坑。A5則效果較差，未清洗區(qū)和激光清洗區(qū)未見明顯分界線，清洗區(qū)仍殘留鋁的氧化物。脈沖激光清洗鋁板的過程中，激光在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到其峰值功率，鋁板表面的氧化物吸收熱量，當(dāng)激光照射區(qū)域的溫度達(dá)到材料的汽化閾值時(shí)，材料便會(huì)發(fā)生汽化。此外，隨著激光能量的進(jìn)一步提升，材料表面會(huì)發(fā)生劇烈汽化進(jìn)而產(chǎn)生等離子體。純鋁的線膨脹系數(shù)為22×10?6℃?1[27]，氧化鋁的線膨脹系數(shù)為(7.85± 0.02)×10?6℃?1[28]，由于熱膨脹系數(shù)不同且溫度梯度較大，氧化物與基體產(chǎn)生不同的應(yīng)變量，導(dǎo)致氧化物與基體間形成較大的分離應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力足以克服氧化物與基體的結(jié)合力時(shí)，氧化物就會(huì)從基體表面剝離。試驗(yàn)說明納秒脈沖激光可以去除鋁板表面的氧化物，且其功率在40 W以上時(shí)才具有一定的清洗效果。

更高的脈沖激光頻率意味著單位時(shí)間內(nèi)更多的激光脈沖。如圖4所示，由B1至B5，所用頻率由20 kHz提高至100 kHz，隨著頻率的提高，未清洗區(qū)和激光清洗區(qū)的界限愈加明顯，激光清洗的深度愈深，而B1至B5清洗所用時(shí)間均為2.295 s。在掃描速度、光斑直徑和填充線間距不變的前提下，單脈沖能量不變，頻率提高，則意味著在相同作用時(shí)間內(nèi)有更明顯的材料去除效果。

圖3 A1—A5掃描電鏡圖像

圖4 B1—B5掃描電鏡圖像

2.2 不同工藝參數(shù)對(duì)鋁板表面元素及電導(dǎo)率的影響

2.2.1 不同工藝參數(shù)對(duì)鋁板表面元素的影響

清洗前的鋁板表面Al、O和Cl元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為37.36%、59.55%、3.09%，鋁板表面分布大量的氧元素。如圖5所示，當(dāng)頻率由20 kHz提高到60 kHz時(shí)，激光清洗效果明顯改善，O和Cl元素所占比重明顯下降，Al元素所占比重明顯上升，Al、O和Cl元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別由77.33%、22.15%和0.52%變?yōu)?4.02%、5.95%和0.03%；當(dāng)頻率大于60 kHz時(shí)，頻率的提高對(duì)于清洗效果的改善影響不明顯；而當(dāng)頻率為60 kHz時(shí)，Al元素所占比重相較于基板提高了151.66%，O和Cl元素所占比重相較于基板降低了90.01%和99.03%。

圖5 B1—B5元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線

如圖6所示，激光清洗區(qū)以Al元素為主，O和Cl元素均明顯減少，相較于未清洗區(qū)具有明顯的清洗效果，能譜分析顯示清洗區(qū)Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.02%。

2.2.2 不同工藝參數(shù)對(duì)鋁板表面電導(dǎo)率的影響

經(jīng)過測(cè)量，基板電導(dǎo)率為32.00 MS/m。如圖7所示，不同激光參數(shù)清洗后其電導(dǎo)率均大于32.00 MS/m，這說明激光清洗對(duì)電導(dǎo)率有提升效果。如圖7a所示，當(dāng)功率為20～60 W時(shí)，提高功率可明顯改善電導(dǎo)率；當(dāng)功率大于60 W時(shí)，功率提高時(shí)電導(dǎo)率并沒有繼續(xù)上升，反而低于60 W清洗后的電導(dǎo)率；功率為60 W時(shí)，電導(dǎo)率為34.58 MS/m，相較于基板提高了8.06%。如圖7b所示，當(dāng)頻率為20～60 kHz時(shí)，提高頻率可明顯改善電導(dǎo)率；頻率為60 kHz時(shí)，電導(dǎo)率為34.88 MS/m，相較于基板提高了9.00%；當(dāng)頻率大于60 kHz時(shí)，提高頻率對(duì)電導(dǎo)率并無明顯改善。這是因?yàn)楫?dāng)頻率大于60 kHz時(shí)，O和Cl元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化并不明顯，導(dǎo)致電導(dǎo)率仍停留在34.88 MS/m左右。

2.3 激光清洗前后的表面形貌變化

如圖8超景深形貌所示，激光清洗區(qū)域的高度小于未清洗區(qū)，清洗區(qū)表面的氧化層得到了一定程度的去除。在清洗區(qū)邊緣處，鋁板表面有一些凸起，而距離邊緣較遠(yuǎn)的清洗區(qū)域則深度進(jìn)一步降低，其原因在于：在清洗區(qū)的邊緣處，激光產(chǎn)生的一部分熱量傳導(dǎo)至未清洗區(qū)，導(dǎo)致清洗區(qū)邊緣處氧化物用于揮發(fā)的能量低于清洗區(qū)遠(yuǎn)離邊緣處氧化物用于揮發(fā)的能量，從而導(dǎo)致清洗區(qū)邊緣處的材料去除效果略遜于清洗區(qū)遠(yuǎn)離邊緣處的材料去除效果。把頻率由40 kHz提升至60 kHz，并同時(shí)分別把功率由80 W提升至120 W，激光的能量輸入增加，清洗區(qū)邊緣處的凸起高度變低，數(shù)量變少，材料去除效果提升。

圖6 B3參數(shù)清洗后的鋁板表面元素分布

圖7 清洗后的鋁板表面電導(dǎo)率變化曲線

圖8 清洗前后的鋁板表面超景深形貌

圖9b為采用B3參數(shù)清洗后的鋁板表面，其參數(shù)為：功率120 W，頻率60 kHz，掃描速度2 875 mm/s，填充線間距0.058 mm，掃描次數(shù)3次。相比于激光清洗前的表面，清洗后的鋁板表面平整，無氧化污染物。

圖9 激光清洗前后表面宏觀形貌

3 結(jié)論

1）固定單脈沖能量不變，提高頻率，清洗效果更顯著，但是當(dāng)頻率超過某一值時(shí)，頻率的提高不會(huì)對(duì)鋁板表面元素含量造成明顯的影響，Al元素所占比重不會(huì)明顯上升。

2）激光清洗可以有效去除表面的O和Cl元素，Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)可由基板的37.36%提高至94.02%，激光清洗的最佳工藝參數(shù)是：功率120 W，頻率60 kHz，掃描速度2 875 mm/s，填充線間距0.058 mm，掃描次數(shù)3次。

3）激光清洗可以提升基板表面電導(dǎo)率，采用最佳清洗工藝清洗后，電導(dǎo)率為34.88 MS/m，相較于基板提高了9.00%，過高的功率和頻率則會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。

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Laser Cleaning Process of Wire Clamp of Pure Aluminum and Its Effect on Electrical Conductivity

1,1,1,1,1,2

(1. Jinhua Power Transmission Engineering Co., Ltd., Zhejiang Jinhua 321016, China; 2. Hangzhou Yingmin Technology Co., Ltd., Hangzhou 310000, China)

Laser dry cleaning method was used to clean the oxidized surface of assumed pure aluminum wire clamp. Nanosecond pulsed laser was used to clean the oxidized surface of pure aluminum plate, the surface morphology before and after laser dry cleaning was observed under Scanning Electron Microscope (SEM), and the mass percentages of elements were tested and then analyzed by X-ray Energy Dispersive Spectrometer (EDS). Then the surface conductivity was measured by conductivity tester (SIGMATEST 2.069). The surface morphology of aluminum plate before and after laser dry cleaning was observed by ultra depth of field three-dimensional microscope. The influence of laser dry cleaning on the surface morphology, element content and conductivity was studied, and the best laser dry cleaning process parameters were determined. Results show that O and Cl elements on the oxidized surface could be effectively removed by laser dry cleaning. After cleaning, the mass percentages of Al, O, and Cl on the surface could reach 94.02%, 5.95% and 0.03% respectively. The mass percentage of Al increased at most 151.66% compared with the 37.36% of the oxidized surface, while the O and Cl elements decreased at most 90.01% and 99.03% respectively compared with the 59.55% and 3.09% of the surface without cleaning. The surface conductivity after cleaning could reach 34.88 MS/m, 9% higher than 32.00 MS/m of the oxidized aluminum plate surface. When the laser energy density is too low, it is not enough to vaporize the oxide on the surface of aluminum plate; When the laser energy density is too high, the oxide on the surface of aluminum plate vaporizes, but at the same time, it also leads to a higher heat input, and due to the active chemical properties of aluminum, the surface of aluminum plate would be oxidized again. Finally, the optimal laser dry cleaning process parameters was determined as follows: laser power 120 W, repetition rate 60 kHz, scanning speed 2 875 mm/s, hatching space 0.058 mm, scanning times 3 times. Laser dry cleaning can effectively remove the impurity elements on the surface of oxidized aluminum plate, which greatly increases the mass percentage of aluminum element, and therefore improves the surface conductivity of aluminum plate.

laser dry cleaning; wire clamp; surface morphology, mass percentage of elements; conductivity

2021-06-20；

2021-11-04

FENG Yong-bing (1978-), Male, Senior engineer, Research focus: power system and its automation.

林俊岑（1992—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。

LIN Jun-cen (1992-), Male, Master, Engineer, Research focus: relay protection of power system.

馮勇兵, 毛水強(qiáng), 陳益坪, 等. 激光清洗純鋁設(shè)備線夾工藝及其對(duì)電導(dǎo)率的影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(9): 387-394.

V261.8

A

1001-3660(2022)09-0387-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–06–20；

2021–11–04

馮勇兵（1978—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

FENG Yong-bing, MAO Shui-qiang, CHEN Yi-ping, et al. Laser Cleaning Process of Wire Clamp of Pure Aluminum and Its Effect on Electrical Conductivity[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 387-394.

責(zé)任編輯：萬長清