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來自：傅運香 郭文亮等 金屬加工
激光天地導讀
本文介紹了激光清洗技術的概念和基本原理，並用試驗方法研究了不鏽鋼表面激光清理效果，試驗表明，激光表面清理技術能快速清除不鏽鋼焊縫及熱影響區的氧化色以及不鏽鋼表面的油漆和鏽蝕，並能形成新的鈍化層。
激光清洗技術基本原理
激光清洗技術是指採用高能激光束照射工作表面，使表面的汙物，鏽斑或塗層發生瞬間蒸發或剝離，高速有效地清除清潔對象表面附著物或表面塗層，從而達到潔淨的工藝過程。
激光同電子束和離子束統稱為高能束，共同特點是束流攜帶著很高的能量在空間傳輸，通過聚焦，在焦點附近可得到104～1015W／cm²功率密度的照射，是強度最高的熱源。激光具有高亮度，高方向性、高單色性和高相干性的特點，這是普通光源所無法比擬的。利用激光的高亮度，經過透鏡聚焦後，能在焦點附近產生上千度甚至上萬度的溫度。激光的高方向性使得激光能有效進行長距離傳輸。激光的單色性極高，波長單一，有利於聚焦和波長選擇。激光器發出的激光從光纖中傳輸到聚焦鏡頭，聚焦後從噴嘴內孔抵達需清洗工件表面。通常使用噴嘴，藉助於與激光同軸的小孔噴嘴將具有一定壓力的氣體吹到清洗區。氣體由輔助氣源提供，其主要作用為防止鏡頭被飛濺物和煙塵汙染，並起到淨化工件表面，強化激光與材料的熱作用。
如圖1所示，物體表面汙染物吸收激光能量後，或汽化揮發，或瞬間受熱膨脹而克服表面對粒子的吸附力，使其脫離物體表面，進而達到清洗的目的。目前對激光清洗的機理存在著一些分歧，但大多數機理都能對激光清洗實驗中的一些現象進行合理的解釋，歸納起來大致包括激光汽化分解、激光剝離、汙物粒子熱膨脹、基體表面振動和粒子振動四個方面；而且，激光清洗常常是多種機理同時作用的結果。
圖1 激光清洗原理
激光清洗機理根據表面附著物和基體熱物理參數差別大小而有所不同。當表面附著物與基體材料的熱物理參數差別較大時，激光清洗機理包括：燒蝕汽化、熱振動與熱衝擊機理和聲波振碎機理，如激光清洗漆層和橡膠層。當表面附著物與基體材料的熱物理參數差別不大時，主要是燒蝕汽化機理在起作用，如激光除鏽。
不鏽鋼焊縫表面清理試驗研究
我公司長期大批量生產T4003不鏽鋼車體的車輛，且大部分為不鏽鋼車體，不鏽鋼材料在焊接時，局部部位由於裝配間隙超差，導致熱輸入較大，特別是使用3mm左右的薄板時，會導致不鏽鋼焊縫附近和焊縫背部發生表面氧化，破壞了材料原有的鈍化層，使材料耐腐蝕性能降低甚至失效，部分產品的不鏽鋼外表不要求塗刷油漆或者塗刷透明色清漆，過度氧化造成的色差會嚴重影響車輛的整體美觀。不鏽鋼焊縫過度氧化主要發生在車體外表面，如側牆、下部側牆板等部位，特別是側牆與端牆板（端牆橫帶）連接部位，如圖2所示。
圖2 不鏽鋼車體外表面焊縫熱影響區過度氧化
按照AWS D18.2標準和AS 1554.6標準的推薦，焊縫和熱影響區的表面允許有淡稻草色氧化物，及圖3中的樣品1~3，藍色、褐色和黑色的氧化物不合要求。除焊縫氧化外，不鏽鋼車體在生產中還會存在局部鏽蝕或其他汙染物等問題，本項目擬通過試驗方法驗證利用激光表面清理技術祛除不鏽鋼表面的過度氧化及鏽蝕等其他雜質的能力，和處理後表面的耐腐蝕能力。
圖3 不鏽鋼焊縫和熱影響區氧化變色樣本（AWS D18.2:2009）
（1）試驗過程選用65W手持式激光清理裝置，通過參數調節，可得到不同的效果，不同參數下的不同處理效果如圖4所示，通過多次試驗，為達到理想的表面狀態，合理的參數設置如下：①激光功率：65W。②光斑重合度：1.2。③脈寬：30~240ns。④脈衝能量：0.1~0.8mJ，最優能量0.1~0.2mJ。
圖4 不鏽鋼樣品表面清理測試
（2）試驗結果在上述參數下，通過激光清理裝置處理後，能夠將焊縫及熱影響區的氧化層全部去除，如圖5~圖7所示。
圖5 對接焊縫清理前後對比
圖6 角焊縫正面清理前後對比
圖7 角焊縫背面清理前後對比
根據受處理表面狀態對光吸收率的差異，通過調整波長等參數，激光不僅能清理金屬表面氧化層，還能快速清理不鏽鋼表面的鏽蝕和油漆（見圖8~圖9）。
圖8 上側梁鏽蝕清理
圖9 清漆清理
激光表面清理不僅能徹底清除焊縫及熱影響區的氧化層，還能形成新的鈍化層，防止再次生鏽，為驗證新鈍化層的耐腐蝕性，進行了自然環境和模擬環境下的耐腐蝕對比試驗。試驗內容為將2塊試板進行局部激光清理，分別存放於不同的環境中一段時間後觀察其鏽蝕情況。其鏽蝕情況見圖10：試板1放置於室外露天環境6個月，觀察發現，未清理表面有大量鏽蝕痕跡，激光清理後表面僅有點狀鏽蝕。試板2置於室內常溫環境下6個月，觀察發現，未清理表面出現自然氧化色，激光清理後表面未觀察到變色、鏽蝕情況，仍呈金屬本色。
圖10 不鏽鋼板樣品清理後6個月的圖片
結語
激光表面清理技術能快速清除不鏽鋼焊縫及熱影響區的氧化色以及不鏽鋼表面的油漆和鏽蝕；激光表面清理技術能形成新的鈍化層，具有良好的耐腐蝕性能；激光清理後的不鏽鋼表面與原表面無較大色差。
本文發表於《金屬加工（熱加工）》2019年第9期14-16頁，作者： 中車長江集團長江車輛有限公司 傅運香、郭文亮、馮治乾、張帆，原標題：《不鏽鋼表面激光清洗技術研究》。
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