激光清洗對(duì)碳鋼金屬材料影響的研究

劉文先 鄭軍 于天石 潘國祥

摘要：激光清洗與傳統(tǒng)方法相比，具有綠色環(huán)保、控制精度高等優(yōu)勢(shì)，不少企業(yè)已經(jīng)將其投入工業(yè)清洗中。然而，由于缺少深入的理論研究，該技術(shù)并沒有被廣泛推廣應(yīng)用起來。本研究引用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從化學(xué)成分、金相組織等方面，分析激光清洗碳鋼金屬材料的表面雜質(zhì)層后對(duì)材料的影響。結(jié)果表明，采用激光清洗碳鋼金屬獲得良好的清洗效果情況下，對(duì)金屬材料各項(xiàng)性能沒有損傷。

關(guān)鍵詞：激光清洗工藝;碳鋼金屬;清潔;高效;清洗參數(shù)

中圖分類號(hào)：TG142.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

金屬表面清洗工藝是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。廣泛應(yīng)用在焊接、加工制造等領(lǐng)域，激光清洗工藝與機(jī)械打磨清洗、化學(xué)清洗等傳統(tǒng)清洗工藝相比，具有精準(zhǔn)度高、母材低損傷等優(yōu)點(diǎn)[1]。本文對(duì)激光清洗工藝的原理進(jìn)行了簡述，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了激光清洗碳鋼金屬表面各類的雜質(zhì)適用性，為激光清洗的應(yīng)用提供參考。

1 激光清洗工藝的原理

激光清洗其原理為利用污染層吸收激光發(fā)射束的能量、急劇膨脹的等離子體產(chǎn)生沖擊波使污染層被沖擊成碎片或吸收能量燃燒從而被剔除[2]。

2 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

本項(xiàng)目采用激光清洗機(jī)（200W）型號(hào)：ML-MF-200H-LC-DBM-1，清洗的主要工藝參數(shù)分別為：激光功率[3]（功率越大輸出能量越大，清洗厚度越大）、激光頻率（單位時(shí)間的脈沖次數(shù)，頻率越小激光點(diǎn)越疏松，反之激光點(diǎn)越密集，清洗效果越平滑）、激光脈寬（壓縮的時(shí)間長短，脈寬越窄說明輸出的能量越小）、掃描頻率（激光的掃描振鏡的速度）、掃描幅度（掃描期間出光的寬度，與激光清洗頭匹配調(diào)節(jié)）。實(shí)驗(yàn)試件采用的是按RCC-M 2000及2002補(bǔ)充1級(jí)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的碳鋼P(yáng)280 GH，規(guī)格為：φ114.3×8.56 mm和按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700生產(chǎn)的Q235B，規(guī)格為：18#B槽鋼、鍍鋅板（e=10 mm）。

3 激光清洗碳鋼試件的實(shí)驗(yàn)

3.1 激光清洗碳鋼試件準(zhǔn)備條件

科研小組激光清洗實(shí)驗(yàn)使用的參數(shù)表1所示：

3.2 激光清洗后母材的性能檢測(cè)

按以上清洗參數(shù)，根據(jù)其制造的標(biāo)準(zhǔn)，科研小組進(jìn)行了拉伸、彎曲、沖擊、宏觀金相等理化實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)全部委托核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司檢測(cè)中心進(jìn)行），清洗完成后清洗表面質(zhì)量良好，目視檢測(cè)合格，無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)采用RCC-M 2000及2002補(bǔ)充1級(jí)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)采用GB/T 700和RCC-M 2000及2002補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)都在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，具體檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

3.4 激光清洗件的后期加工

激光清洗試件清洗后采用RCC-M 2000及2002補(bǔ)遺1級(jí)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無損探傷和液體滲透，檢測(cè)結(jié)果均合格。理化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比鋼材生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)全部合格，并匯總實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成研究報(bào)告3份。

后期科研小組對(duì)基層材質(zhì)為Q235B規(guī)格為φ60.3×5.54 mm（碳鋼管）、100×100 e=10 mm（鍍鋅板）、12#槽鋼（表面油漆層）每種雜質(zhì)層6個(gè)進(jìn)行清洗，經(jīng)清洗后表面效果良好，采用RCC-M 2000及2002補(bǔ)遺1級(jí)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無損探傷和液體滲透，檢測(cè)結(jié)果均為合格。且能夠達(dá)到涂裝作業(yè)、焊接作業(yè)表面清理的要求。后期將清洗的試件進(jìn)行TIG焊接和手工電弧焊焊接，后按RCC-M 2000及2002補(bǔ)遺1級(jí)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無損探傷和液體滲透，檢測(cè)結(jié)果均為合格。

4 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)證明激光清洗工藝對(duì)碳鋼金屬3種材料的力學(xué)性能，化學(xué)成分等沒有影響。在實(shí)驗(yàn)過程中激光清洗工藝還表現(xiàn)出以下一些優(yōu)點(diǎn)。

激光清洗不需使用任何化學(xué)藥劑和清洗液，清洗后的廢料為固體粉末，體積小易于回收。清洗完畢后母材表面光滑細(xì)膩，清洗精度高（激光清清洗作業(yè)前后母材厚度減小0.1～0.3 mm，磨光機(jī)清洗碳鋼試件清洗前后母材厚度減小0.8～1.3 mm且?guī)в芯植康陌伎樱＜す馇逑礄C(jī)使用的激光波長為1064 nm，當(dāng)激光短暫照射到裸露皮膚時(shí)，不會(huì)造成直接傷害，相對(duì)于常用打磨工機(jī)具具有較高的安全性。對(duì)傳統(tǒng)磨光機(jī)清洗過程和激光清洗過程對(duì)比，噪聲減少了25 dB，粉塵值降低了50 %，工作環(huán)境得到了改善。

科研小組統(tǒng)計(jì)當(dāng)雜質(zhì)清除率要求在90%以上試件材質(zhì)：Q235B，激光清洗類型為：清洗銹蝕層φ60.3*5.54 mm效率為811.466 mm2/min;清洗鍍鋅層規(guī)格為：熱鍍鋅板（e=10 mm），效率為285.7143 mm2/min;清洗油漆層規(guī)格為：12#槽鋼，效率為2940 mm2/min。其效率高于傳統(tǒng)磨光機(jī)清洗方式，相對(duì)于傳統(tǒng)清洗較困難的疑難位置和大規(guī)模雜質(zhì)清洗，激光清洗優(yōu)勢(shì)更加明顯。激光清洗隨著工件清洗面越平整，其清洗效率會(huì)越高，清洗質(zhì)量也會(huì)越好。相關(guān)數(shù)據(jù)采集能為下一步激光在更多領(lǐng)域清洗應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 邢宏楠，冉合利.激光清洗技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用[J].清洗世界，2018，34（5）：23.

[2] 陸思遠(yuǎn).激光清洗銹蝕鋼板的技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2017.

[3] 喬玉林，趙吉鑫.銹蝕表面的激光清洗及其元素組成分析[J].激光與紅外，2018，48（3）：299.