激光清洗锈蚀机理及工艺影响因素分析

1 导言

随着在我国环境保护法规要求越来越严格、人们环保和安全意识日益增强，传统清洗工业的诸多缺点越来越明显。而激光清洗具有更清洁、非接触、高效灵活和适用于各种材质的物体等清洗特点，被认为是最可靠、最有效的解决办法。

各类金属表面与其周围介质发生化学或电化学反应，使金属遭到腐蚀破坏。金属腐蚀是一种资源浪费，其程度是非常惊人的。各种金属的腐蚀中，以铁的腐蚀最为严重，世界上每年因腐蚀造成的钢铁损失占钢铁总量的1／5～1／4。目前国内外对激光清洗锈蚀方面的研究较多。自激光器发明后，激光清洗设想就被提出，近年来，国内也陆续开展了有关激光除锈的研究工作，并取得了有益的进展。干式激光清洗的效率低于湿式清洗，但由于湿式清洗引入液膜，进而造成工艺的稳定性较低，工业应用不够灵活，如处理不当，会造成二次腐蚀等因素，干式激光清洗的研究对于工业化推广而言更为重要。

本文从材料与激光耦合作用角度出发，探讨激光清洗工艺对碳钢板锈蚀去除的影响，进而指导实践，同时为清洗用激光器的发展方向进行有益探索。

2 激光清洗锈蚀机理

从金属锈蚀清洗的角度考虑，修饰层与基体属于同质层，膜层材料中含有基底层元素、或者是基底层的派生物，即各种腐蚀产物或衰变产物。使用激光方式进行去除，其主要清洗机制为气化机制，在激光能量密度达到锈蚀层的烧蚀阈值后实现清洗作用。具体去除方式分为直接气化和反冲压力两种。

钢铁在大气环境中生成的铁锈属缝隙腐蚀，在钢铁基体表面形成一层疏松多孔的氧化皮，无法起到封闭保护作用。水、氧气及其它气体的渗入，使基体不断被锈蚀。然而基于钢铁锈层的这种特点，为激光去除锈蚀创造了便利。

本质上金属材料锈蚀激光清洗属于物理去除，主要是通过锈层汽化、锈层与基体存在温度梯度诱导界面处产生热应力、锈层间隙的气相或液相受热产生膨胀力[lasercleaning]等共同作用下，汽化分解和间隙相膨胀破裂交替进行，锈层厚度逐渐减小，最终实现清除锈蚀效果。

3 实验过程

3.1 样品准备

（1）激光500W脉冲光纤激光器3.2设备准备

（2）激光手持式激光清洗机

 

3.3光斑尺寸测试

参数：8000mm/s，100%功率，频率：65KHZ，填充间距2mm，光斑测试基材：镜面不锈钢，采用二次元设备进行测量。

3.4 实验方案

从激光与材料耦合作用的本质角度出发，可能影响锈蚀清洗效率及效果的因素有：功率密度（能量密度）、光斑大小、光强分布、光斑重叠率、脉冲宽度（单脉冲作用时间），脉冲波形。

针对上述激光清洗机，脉冲宽度、脉冲波形及光强分布均已固定，所以主要从功率密度（能量密度）、光斑大小，光斑重叠率方面进行实验测试，研究各种因素如何影响脉冲激光清洗锈蚀的清洗效率及清洗效果。

4 实验结果

4.1 功率密度对清洗的影响

固定参数

实验结果

峰值功率

—输出平均功率（W）；

—脉冲宽度（ns）；

—脉冲频率（KHz）；

根据光斑尺寸测试，F=254下聚焦光斑尺寸0.085mm，F=330下聚焦光斑尺寸0.1mm。

功率密度

总结：

清洗效率

1)随着功率密度提高，锈层清除所需清洗次数（时间）近乎成比例下降，当功率密度达到某一阀值（约1.4E+08 w/cm2）时，功率密度继续提高，清洗效率不再提升；

2)该测试表明，功率密度为4.5E+07 w/cm2，六次清洗不能使锈层清洗干净，继续清洗，对于该厚度锈层，可粗略认为该功率密度附近为锈层清洗阀值下限；

清洗效果

1) 场镜F=254下清洗条纹较场镜F=330明显，这是由于场镜F=254焦点大小为0.085mm，小于设定填充间隙0.1mm造成的；

2) 实验表明：在锈蚀清洗干净的基础上，不损伤基材的功率密度范围约为7.5E+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2。

光斑大小对清洗的影响

固定参数

实验结果

总结：

1) 排除光斑重叠率与功率密度影响，可见光斑尺寸与清洗次数无关；保持功率密度及光斑重叠率不变，光斑尺寸越大，即可提通过升扫描速度及填充间距，进而提升清洗效率；

2) 随着光斑尺寸变大，清洗效率线性提高，锈蚀残留量越来越少，基材氧化越来越轻。小光斑时，一方面可能是基材表面熔化，局部锈蚀层融入基材；另一方面慢速下基材温度上升较高，即基材与锈蚀层温度梯度减小，进而在基材与锈蚀层分界面处热膨胀应力减小，去除能力变弱。以上两方面综合导致清洗能力下降；

4.3 光斑重叠率对清洗的影响

固定参数

实验结果

总结：

1) 采用场镜F=163时，由于光斑直径为0.063mm，填充间距为0.1mm，所以底纹条纹状显著；场镜F=330时，光斑直径等于填充间距，故底纹条纹状不明显；

2) 光斑重叠率较低时，由于扫描区域存在小块未清洗区域（出现点状底纹），进而出现锈蚀层残留；重叠率较高时，由于光脉冲的累计热效应，基材出现氧化发黄；

3) 实验表明锈蚀清洗干净，且基材不出现明显氧化的重叠率范围约为：20%~50%(理论计算圆形光斑覆盖清洗区域的最小重叠率为25%)。在足够的功率密度时，综合清洗效果及效率，工艺设置时应使光斑重叠率＞20%即可。

5 结论

1)随着功率密度提高，锈层清除效率成比例提高，当功率密度达到某一阀值（约1.4E+08 w/cm2）时，功率密度继续提高，在锈蚀清洗干净的基础上，不损伤基材的功率密度范围约为7.5E+07 w/cm2~1.5E+08 w/cm2。；

3)在功率密度、光斑重叠率确定时，清洗光斑尺寸与清洗次数无关，即单次去除厚度不变；光斑尺寸越大，即可提通过升扫描速度及填充间距，一方面提升清洗效率，另一方面，清洗速度提升使基材热累积降低，基材表面氧化情况得到改善，去除能力变强；

4)实际进行清洗时，应根据清洗光斑大小，合理确定填充间距，避免清洗后底纹不平整情况出现；

5)光斑重叠率较低时，由于扫描区域存在小块未清洗区域（出现点状底纹），进而出现锈蚀层残留；重叠率较高时，由于光脉冲的累计热效应，基材出现氧化发黄；

实验表明锈蚀清洗干净，且基材不出现明显氧化的重叠率范围约为：20%~50%（理论计算圆形光斑覆盖清洗区域的最小重叠率为25%）。在功率密度合适时，综合清洗效果、效率因素，制定清洗工艺时，应使光斑重叠率＞20%即可。