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激光清洗銹蝕機理及工藝影響因素分析

摘要:在分析鋼鐵在自然環境銹蝕機理及特點的基礎上,研究脈沖激光清洗工藝對銹蝕的影響。本文并沒有從傳統的激光工藝參數(頻率、功率、單脈沖能力等)出發進行分析,而是從激光與材料耦合作用角度研究激光工藝對清洗銹蝕的影響,其結論更具普適性,并不局限于特定的某種激光器。

關鍵詞:激光清洗 激光與材料耦合作用

1.導言

隨著在我國環境保護法規要求越來越嚴格、人們環保和安全意識日益增強,傳統清洗工業的諸多缺點越來越明顯。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的物體等清洗特點,被認為是最可靠、最有效的解決辦法。

各類金屬表面與其周圍介質發生化學或電化學反應,使金屬遭到腐蝕破壞。金屬腐蝕是一種資源浪費,其程度是非常驚人的。各種金屬的腐蝕中,以鐵的腐蝕最為嚴重,世界上每年因腐蝕造成的鋼鐵損失占鋼鐵總量的1514。目前國內外對激光清洗銹蝕方面的研究較多。自激光器發明后,激光清洗設想就被提出,近年來,國內也陸續開展了有關激光除銹的研究工作,并取得了有益的進展。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,進而造成工藝的穩定性較低,工業應用不夠靈活,如處理不當,會造成二次腐蝕等因素,干式激光清洗的研究對于工業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,探討激光清洗工藝對碳鋼板銹蝕去除的影響,進而指導實踐,同時為清洗用激光器的發展方向進行有益探索。

2. 激光清洗銹蝕機理

從金屬銹蝕清洗的角度考慮,修飾層與基體屬于同質層,膜層材料中含有基底層元素、或者是基底層的派生物,即各種腐蝕產物或衰變產物。使用激光方式進行去除,其主要清洗機制為氣化機制,在激光能量密度達到銹蝕層的燒蝕閾值后實現清洗作用。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,為激光去除銹蝕創造了便利。

本質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界面處產生熱應力、銹層間隙的氣相或液相受熱產生膨脹力[lasercleaning]等共同作用下,汽化分解和間隙相膨脹破裂交替進行,銹層厚度逐漸減小,最終實現清除銹蝕效果。

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3. 實驗過程

3.1樣品準備

1-表格.jpg

3.2設備準備

創鑫激光100W脈沖激光清洗激光器                  

 2.產品圖片000.jpg

2.產品參數000.jpg

3.3光斑尺寸測試

參數:8000mm/s100%功率;

頻率:65KHZ,填充間距2mm;

光斑測試基材:鏡面不銹鋼,采用二次元設備進行測量。

3.3測量參數.jpg

3.4實驗方案

從激光與材料耦合作用的本質角度出發,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、光強分布、光斑重疊率、脈沖寬度(單脈沖作用時間),脈沖波形。

針對上述激光清洗機,脈沖寬度、脈沖波形及光強分布均已固定,所以主要從功率密度(能量密度)、光斑大小,光斑重疊率方面進行實驗測試,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. 實驗結果

4.1功率密度對清洗的影響

4.1-1固定參數.jpg

實驗結果

4.1-2-實驗結果.jpg

峰值功率

4.1-3-公式.png

4.1-4公式意義.png

 

根據光斑尺寸測試,F=254下聚焦光斑尺寸0.085mmF=330下聚焦光斑尺寸0.1mm

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4.1-6-功率密度對清洗效果影響.jpg

4.1-7-功率密度對清洗效果影響.jpg

總結:

清洗效率

(1)隨著功率密度提高,銹層清除所需清洗次數(時間)近乎成比例下降,當功率密度達到某一閥值(約1.4E+08 w/cm2)時,功率密度繼續提高,清洗效率不再提升;

(2)該測試表明,功率密度為4.5E+07 w/cm2,六次清洗不能使銹層清洗干凈,繼續清洗,對于該厚度銹層,可粗略認為該功率密度附近為銹層清洗閥值下限;

清洗效果

(1)場鏡F=254下清洗條紋較場鏡F=330明顯,這是由于場鏡F=254焦點大小為0.085mm,小于設定填充間隙0.1mm造成的;

(2)實驗表明:在銹蝕清洗干凈的基礎上,不損傷基材的功率密度范圍約為7.5E+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2

4.2光斑大小對清洗的影響

固定參數

4.2-1固定參數.jpg

4.2-2-實驗結果.jpg 

總結:

(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無關;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,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,進而在基材與銹蝕層分界面處熱膨脹應力減小,去除能力變弱。以上兩方面綜合導致清洗能力下降。

4.3光斑重疊率對清洗的影響

固定參數

4.3-1固定參數.png

實驗結果

4.3-2實驗結果.jpg

總結:

(1)采用場鏡F=163時,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;場鏡F=330時,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,由于掃描區域存在小塊未清洗區域(出現點狀底紋),進而出現銹蝕層殘留;重疊率較高時,由于光脈沖的累計熱效應,基材出現氧化發黃;

(3)實驗表明銹蝕清洗干凈,且基材不出現明顯氧化的重疊率范圍約為:20%~50%(理論計算圓形光斑覆蓋清洗區域的最小重疊率為25%)。在足夠的功率密度時,綜合清洗效果及效率,工藝設置時應使光斑重疊率>20%即可。

5. 結論

(1)隨著功率密度提高,銹層清除效率成比例提高,當功率密度達到某一閥值(約1.4E+08 w/cm2)時,功率密度繼續提高,在銹蝕清洗干凈的基礎上,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,清洗光斑尺寸與清洗次數無關,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;

(3)實際進行清洗時,應根據清洗光斑大小,合理確定填充間距,避免清洗后底紋不平整情況出現;

(4)光斑重疊率較低時,由于掃描區域存在小塊未清洗區域(出現點狀底紋),進而出現銹蝕層殘留;重疊率較高時,由于光脈沖的累計熱效應,基材出現氧化發黃;

(5)實驗表明銹蝕清洗干凈,且基材不出現明顯氧化的重疊率范圍約為:20%~50%(理論計算圓形光斑覆蓋清洗區域的最小重疊率為25%)。在功率密度合適時,綜合清洗效果、效率因素,制定清洗工藝時,應使光斑重疊率>20%即可。

 

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