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發(fā)布時(shí)間:2018-06-21 來源:元祿光電
在分析鋼鐵在自然環(huán)境銹蝕機(jī)理及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,研究脈沖激光清洗工藝對(duì)銹蝕的影響。本文并沒有從傳統(tǒng)的激光工藝參數(shù)(頻率、功率、單脈沖能力等)出發(fā)進(jìn)行分析,而是從激光與材料耦合作用角度研究激光工藝對(duì)清洗銹蝕的影響,其結(jié)論更具普適性,并不局限于特定的某種激光器。
1 導(dǎo)言
隨著在我國(guó)環(huán)境保護(hù)法規(guī)要求越來越嚴(yán)格、人們環(huán)保和安全意識(shí)日益增強(qiáng),傳統(tǒng)清洗工業(yè)的諸多缺點(diǎn)越來越明顯。而激光清洗具有更清潔、非接觸、高效靈活和適用于各種材質(zhì)的物體等清洗特點(diǎn),被認(rèn)為是最可靠、最有效的解決辦法。
各類金屬表面與其周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng),使金屬遭到腐蝕破壞。金屬腐蝕是一種資源浪費(fèi),其程度是非常驚人的。各種金屬的腐蝕中,以鐵的腐蝕最為嚴(yán)重,世界上每年因腐蝕造成的鋼鐵損失占鋼鐵總量的1/5~1/4。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)激光清洗銹蝕方面的研究較多。自激光器發(fā)明后,激光清洗設(shè)想就被提出,近年來,國(guó)內(nèi)也陸續(xù)開展了有關(guān)激光除銹的研究工作,并取得了有益的進(jìn)展。干式激光清洗的效率低于濕式清洗,但由于濕式清洗引入液膜,進(jìn)而造成工藝的穩(wěn)定性較低,工業(yè)應(yīng)用不夠靈活,如處理不當(dāng),會(huì)造成二次腐蝕等因素,干式激光清洗的研究對(duì)于工業(yè)化推廣而言更為重要。
本文從材料與激光耦合作用角度出發(fā),探討激光清洗工藝對(duì)碳鋼板銹蝕去除的影響,進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)踐,同時(shí)為清洗用激光器的發(fā)展方向進(jìn)行有益探索。
2 激光清洗銹蝕機(jī)原理
從金屬銹蝕清洗的角度考慮,修飾層與基體屬于同質(zhì)層,膜層材料中含有基底層元素、或者是基底層的派生物,即各種腐蝕產(chǎn)物或衰變產(chǎn)物。使用激光方式進(jìn)行去除,其主要清洗機(jī)制為氣化機(jī)制,在激光能量密度達(dá)到銹蝕層的燒蝕閾值后實(shí)現(xiàn)清洗作用。具體去除方式分為直接氣化和反沖壓力兩種。
鋼鐵在大氣環(huán)境中生成的鐵銹屬縫隙腐蝕,在鋼鐵基體表面形成一層疏松多孔的氧化皮,無法起到封閉保護(hù)作用。水、氧氣及其它氣體的滲入,使基體不斷被銹蝕。然而基于鋼鐵銹層的這種特點(diǎn),為激光去除銹蝕創(chuàng)造了便利。
本質(zhì)上金屬材料銹蝕激光清洗屬于物理去除,主要是通過銹層汽化、銹層與基體存在溫度梯度誘導(dǎo)界面處產(chǎn)生熱應(yīng)力、銹層間隙的氣相或液相受熱產(chǎn)生膨脹力[lasercleaning]等共同作用下,汽化分解和間隙相膨脹破裂交替進(jìn)行,銹層厚度逐漸減小,最終實(shí)現(xiàn)清除銹蝕效果。
3 實(shí)驗(yàn)過程
3.1 樣品準(zhǔn)備
3.2設(shè)備準(zhǔn)備
(1)100W脈沖光纖激光器
(2)移動(dòng)式激光清洗機(jī)
3.3光斑尺寸測(cè)試
參數(shù):8000mm/s,100%功率,頻率:65KHZ,填充間距2mm,光斑測(cè)試基材:鏡面不銹鋼,采用二次元設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。
3.4 實(shí)驗(yàn)方案
從激光與材料耦合作用的本質(zhì)角度出發(fā),可能影響銹蝕清洗效率及效果的因素有:功率密度(能量密度)、光斑大小、光強(qiáng)分布、光斑重疊率、脈沖寬度(單脈沖作用時(shí)間),脈沖波形。
針對(duì)上述激光清洗機(jī),脈沖寬度、脈沖波形及光強(qiáng)分布均已固定,所以主要從功率密度(能量密度)、光斑大小,光斑重疊率方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,研究各種因素如何影響脈沖激光清洗銹蝕的清洗效率及清洗效果。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.1 功率密度對(duì)清洗的影響
峰值功率
—輸出平均功率(W);
—脈沖寬度(ns);
—脈沖頻率(KHz);
根據(jù)光斑尺寸測(cè)試,F=254下聚焦光斑尺寸0.085mm,F=330下聚焦光斑尺寸0.1mm。
總結(jié):
清洗效率
1)隨著功率密度提高,銹層清除所需清洗次數(shù)(時(shí)間)近乎成比例下降,當(dāng)功率密度達(dá)到某一閥值(約1.4E+08 w/cm2)時(shí),功率密度繼續(xù)提高,清洗效率不再提升;
2)該測(cè)試表明,功率密度為4.5E+07 w/cm2,六次清洗不能使銹層清洗干凈,繼續(xù)清洗,對(duì)于該厚度銹層,可粗略認(rèn)為該功率密度附近為銹層清洗閥值下限;
清洗效果
1) 場(chǎng)鏡F=254下清洗條紋較場(chǎng)鏡F=330明顯,這是由于場(chǎng)鏡F=254焦點(diǎn)大小為0.085mm,小于設(shè)定填充間隙0.1mm造成的;
2) 實(shí)驗(yàn)表明:在銹蝕清洗干凈的基礎(chǔ)上,不損傷基材的功率密度范圍約為7.5E+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2。
光斑大小對(duì)清洗的影響
總結(jié):
1) 排除光斑重疊率與功率密度影響,可見光斑尺寸與清洗次數(shù)無關(guān);保持功率密度及光斑重疊率不變,光斑尺寸越大,即可提通過升掃描速度及填充間距,進(jìn)而提升清洗效率;
2) 隨著光斑尺寸變大,清洗效率線性提高,銹蝕殘留量越來越少,基材氧化越來越輕。小光斑時(shí),一方面可能是基材表面熔化,局部銹蝕層融入基材;另一方面慢速下基材溫度上升較高,即基材與銹蝕層溫度梯度減小,進(jìn)而在基材與銹蝕層分界面處熱膨脹應(yīng)力減小,去除能力變?nèi)酢R陨蟽煞矫婢C合導(dǎo)致清洗能力下降;
4.3 光斑重疊率對(duì)清洗的影響
總結(jié):
1) 采用場(chǎng)鏡F=163時(shí),由于光斑直徑為0.063mm,填充間距為0.1mm,所以底紋條紋狀顯著;場(chǎng)鏡F=330時(shí),光斑直徑等于填充間距,故底紋條紋狀不明顯;
2) 光斑重疊率較低時(shí),由于掃描區(qū)域存在小塊未清洗區(qū)域(出現(xiàn)點(diǎn)狀底紋),進(jìn)而出現(xiàn)銹蝕層殘留;重疊率較高時(shí),由于光脈沖的累計(jì)熱效應(yīng),基材出現(xiàn)氧化發(fā)黃;
3) 實(shí)驗(yàn)表明銹蝕清洗干凈,且基材不出現(xiàn)明顯氧化的重疊率范圍約為:20%~50%(理論計(jì)算圓形光斑覆蓋清洗區(qū)域的最小重疊率為25%)。在足夠的功率密度時(shí),綜合清洗效果及效率,工藝設(shè)置時(shí)應(yīng)使光斑重疊率>20%即可。
5 結(jié)論
1)隨著功率密度提高,銹層清除效率成比例提高,當(dāng)功率密度達(dá)到某一閥值(約1.4E+08 w/cm2)時(shí),功率密度繼續(xù)提高,在銹蝕清洗干凈的基礎(chǔ)上,不損傷基材的功率密度范圍約為7.5E+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2。;
2)在功率密度、光斑重疊率確定時(shí),清洗光斑尺寸與清洗次數(shù)無關(guān),即單次去除厚度不變;光斑尺寸越大,即可提通過升掃描速度及填充間距,一方面提升清洗效率,另一方面,清洗速度提升使基材熱累積降低,基材表面氧化情況得到改善,去除能力變強(qiáng);
3)實(shí)際進(jìn)行清洗時(shí),應(yīng)根據(jù)清洗光斑大小,合理確定填充間距,避免清洗后底紋不平整情況出現(xiàn);
4)光斑重疊率較低時(shí),由于掃描區(qū)域存在小塊未清洗區(qū)域(出現(xiàn)點(diǎn)狀底紋),進(jìn)而出現(xiàn)銹蝕層殘留;重疊率較高時(shí),由于光脈沖的累計(jì)熱效應(yīng),基材出現(xiàn)氧化發(fā)黃;
實(shí)驗(yàn)表明銹蝕清洗干凈,且基材不出現(xiàn)明顯氧化的重疊率范圍約為:20%~50%(理論計(jì)算圓形光斑覆蓋清洗區(qū)域的最小重疊率為25%)。在功率密度合適時(shí),綜合清洗效果、效率因素,制定清洗工藝時(shí),應(yīng)使光斑重疊率>20%即可。
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