金屬鋼板表面納秒脈沖激光除銹工藝研究

摘 要：本文研究了一種金屬鋼板表面納秒脈沖激光除銹工藝。首先，使用單因素分析法獲取納秒脈沖激光除銹工藝參數(shù)，得到激光掃描后金屬鋼板表面形貌特征。其次，基于傳熱學(xué)理論確定除銹邊界條件，判斷金屬鋼板的溫度場(chǎng)與輪廓變化。最后，生成除銹質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，判斷除銹工藝的除銹效果，完成金屬鋼板表面納秒脈沖激光除銹。研究結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的納秒脈沖激光除銹工藝能完成金屬鋼板表面除銹，當(dāng)除銹激光功率為600W～1000W時(shí)，除銹速度可達(dá)30mm/s，因此利用表面納秒脈沖能夠去除金屬鋼板表面除銹，可降低化學(xué)除銹污染。

關(guān)鍵詞：金屬鋼板；脈沖激光；除銹

中圖分類號(hào)：U 671" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

金屬鋼板是一種常見(jiàn)的材料，在建筑、船舶、電力等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。金屬鋼板受其化學(xué)成分、硬度、晶粒度、表面缺陷以及加工熱處理方式等因素影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，導(dǎo)致鋼板銹蝕、硬度降低，雜質(zhì)直接附著在鋼板表面上也容易引起鋼板生銹[2]。進(jìn)行金屬鋼板除銹處理具有以下3個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。首先，可保障金屬鋼板的質(zhì)量與安全性，消除潛在的缺陷。其次，將金屬鋼板表面的污物和異物清除干凈，使金屬表面光滑、平整，提高金屬表面的美觀度[3]。最后，為后續(xù)的涂裝和噴涂表面處理提供更好的條件。為此，本文對(duì)金屬鋼板表面除銹工藝進(jìn)行了研究。

金屬鋼板表面納秒脈沖激光除銹工藝主要利用高能激光束照射金屬表面，使銹蝕層迅速蒸發(fā)或剝落，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面的快速清理[4]。與傳統(tǒng)的機(jī)械除銹和化學(xué)除銹相比，激光除銹具有更高的處理速度和效率。在金屬鋼板表面納秒脈沖激光除銹的過(guò)程中，需要獲取LIPS參考光譜，進(jìn)行激光清洗預(yù)試驗(yàn)，劃分清洗單元，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)除銹控制。

1 試驗(yàn)材料和準(zhǔn)備

試驗(yàn)使用LD彭浦固體激光器搭建除銹平臺(tái)，為了滿足除銹的峰值功率要求，使用的1000W/500W固體激光器參數(shù)見(jiàn)表1。

由表1可知，為了降低連續(xù)除銹產(chǎn)生的微熔化作用，需要根據(jù)金屬鋼板表面的銹層厚度調(diào)整連續(xù)激光器功率[5]。

根據(jù)金屬鋼板的銹蝕程度，本文選取A、B、C、D共4個(gè)不同等級(jí)的EH36金屬鋼板作為試驗(yàn)材料，宏觀形貌如圖1所示。

由圖1可知，A金屬鋼板表面覆蓋了少許浮銹及氧化皮；B金屬鋼板銹蝕布滿鋼材表面；C金屬鋼板存在點(diǎn)蝕，部分氧化皮脫落；D金屬鋼板存在多處點(diǎn)蝕，氧化皮嚴(yán)重脫落[6]。試驗(yàn)金屬鋼板的厚度為8mm，其中C、Si、Mn、P、S、Al、Nb、Ti和Ni的占比分別為0.1%、0.37%、1.47%、0.02%、0.01%、0.023%、0.031%、0.012%和0.13%。為了降低污染物對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)開(kāi)始前需要選取400#砂紙進(jìn)行打磨，并進(jìn)行超聲波清洗[7]。

待金屬鋼板表面納秒脈沖激光除銹完成后進(jìn)行定量分析，利用電子顯微鏡對(duì)除銹處理后的鋼板進(jìn)行放大處理。試驗(yàn)需要放大50～200倍，因此，本文選取EPMA-8050G電子探針與GeminiSEM300掃描電子顯微鏡構(gòu)建性能表征實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，再使用自動(dòng)研磨機(jī)進(jìn)行研磨處理[8]。性能表征分析的內(nèi)容包括除銹處理后金屬鋼板表面的硬度、腐蝕性等。

2 試驗(yàn)方法與過(guò)程

使用單因素分析法處理納秒脈沖激光除銹工藝參數(shù)，處理后進(jìn)行單次激光掃描，其后判斷金屬鋼板表面的形貌特征。再基于傳熱學(xué)理論確定除銹邊界條件，判斷激光除銹后金屬鋼板的溫度場(chǎng)與輪廓變化。最后利用材料元素分步法生成除銹質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，判斷除銹工藝的除銹效果。具體步驟如下所示。

第一步，使用單因素分析法處理納秒脈沖激光除銹工藝參數(shù)，對(duì)生銹的金屬鋼板進(jìn)行激光掃描，調(diào)整各項(xiàng)掃描參數(shù)。此時(shí)設(shè)置的功率梯度分別為200W、400W、600W、800W和1000W，不同組別的掃描工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

根據(jù)表2可以判斷除銹清洗的效果。為了提高激光清洗面積，降低燒蝕作用對(duì)鋼板除銹造成的影響，本文將高斯光源作為激光光源，獲取了符合試驗(yàn)要求的參數(shù)范圍，此時(shí)可以得到除銹功率、速度變化下的試驗(yàn)結(jié)果。

第二步，基于傳熱學(xué)理論確定除銹邊界條件，判斷除銹后金屬鋼板的溫度場(chǎng)與輪廓變化。此時(shí)計(jì)算脈沖激光的徑向分布參數(shù)q（r）與發(fā)射激光的峰值功率p分別如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：代表激光平均功率；e代表高斯能量參數(shù)；R代表有效半徑；f代表脈沖寬度；Q代表除銹周期。

設(shè)置的鋼板溫度場(chǎng)熱物性參數(shù)見(jiàn)表3。

根據(jù)表3可以得到溫度變化下的金屬鋼板納秒脈沖激光除銹試驗(yàn)結(jié)果。

第三步，利用材料元素分步法生成除銹質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，將使用的納秒脈沖激光設(shè)置為連續(xù)脈沖與單一脈沖，計(jì)算金屬鋼板表面團(tuán)簇體除銹質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)g（l），如公式（3）所示。

（3）

式中：CA代表凝固的銹蝕質(zhì)量分?jǐn)?shù)；pa代表絮狀團(tuán)簇物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；frf代表銹蝕參量。

此時(shí)可以輸出不同類型脈沖激光對(duì)金屬鋼板表面納秒脈沖激光除銹的影響試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方法與過(guò)程，可以得到功率變化情況下的金屬鋼板表面納秒脈沖除銹結(jié)果，見(jiàn)表4。

由表4可知，在激光功率變化的情況下，金屬鋼板的納秒脈沖除銹速度與線寬未發(fā)生明顯改變，此時(shí)金屬鋼板的除銹微觀形貌如圖2所示。

由圖2可知，隨著激光功率增加，金屬鋼板除銹的徹底性越來(lái)越強(qiáng)，除銹效果越來(lái)越好。由此可見(jiàn)，金屬鋼板表面納秒脈沖激光除銹工藝的最佳激光功率為600W～1000W。

確定最佳激光除銹功率后，將原始激光功率調(diào)整至600W，此時(shí)改變除銹速度，調(diào)整樣品連續(xù)反應(yīng)參數(shù)范圍，所得工藝試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，當(dāng)激光除銹速度過(guò)慢時(shí)，金屬鋼板的燒灼比例明顯增加，能量輸入過(guò)高，除銹效果較差。當(dāng)速度為30mm/s時(shí)，能量輸入比例與除銹狀態(tài)最佳。當(dāng)速度超過(guò)40mm時(shí)，振速夾角變高，除銹比例下降，此時(shí)的除銹微觀形貌如圖3所示。

由圖3可知，30mm/s的納秒脈沖激光除銹效果最佳，金屬鋼板有明顯光澤。除銹溫度發(fā)生變化后，金屬鋼板的邊界條件與反應(yīng)速度也隨之發(fā)生改變，所得溫度變化下的納秒脈沖激光除銹試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知，隨著溫度增加，金屬鋼板的銹蝕層物性參數(shù)和表面完整除銹耗時(shí)下降，因此，在滿足金屬鋼板熔點(diǎn)需求的情況下，溫度越高，納秒脈沖激光除銹效果越好。

連續(xù)脈沖激光與單一脈沖激光不同，除銹后的形貌也不同，此時(shí)的除銹形貌試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，連續(xù)脈沖激光除銹后的形貌變化大，除銹效果較好，因此連續(xù)脈沖激光更能滿足納秒脈沖激光除銹工藝的除銹要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的金屬鋼板表面納秒脈沖激光除銹工藝能有效完成除銹處理，當(dāng)除銹溫度越高、除銹激光功率為600W～1000W且除銹速度為30mm/s時(shí)，使用連續(xù)脈沖激光除銹時(shí)的除銹效果越好。

綜上所述，在工業(yè)化發(fā)展背景下，金屬鋼板的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但在環(huán)境因素如氧氣、水蒸氣和腐蝕介質(zhì)等的作用下，金屬鋼板表面容易形成銹蝕層，不僅影響了金屬的美觀性，還降低了其力學(xué)性能和耐腐蝕性。因此，如何有效去除金屬鋼板表面的銹蝕層成為工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要問(wèn)題。作為一種新興的除銹方法，納秒脈沖激光除銹技術(shù)因其高效、精確和環(huán)保的特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，因此，本文研究了一種基于納秒脈沖激光的金屬鋼板除銹工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用納秒脈沖金屬鋼板除銹工藝的除銹效果較好，可提高金屬鋼板的除銹速率，降低除銹能耗并減少金屬基材的潛在損傷。

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