脈沖激光清洗的作用機理及清洗表面性能提升研究

史冊

摘要：在將激光清洗技術(shù)應(yīng)用在金屬表面處理過程中，可從根本上提升金屬表面處理水平，保障工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與效率。在應(yīng)用激光清洗技術(shù)過程中，清洗工藝的使用需要細致研究相關(guān)工作機理以及金屬基層表面性能，通過動態(tài)調(diào)整激光脈沖清洗過程中的參數(shù)數(shù)據(jù)，確保脈沖激光清洗工作高質(zhì)高效開展。本文就針對此，對脈沖激光清洗作用機理以及清洗表面性能進行分析，提出能夠提升清洗表面性能的具體措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：脈沖激光清洗;作用機理;清洗表面性能;提升對策

前言

在工業(yè)基礎(chǔ)生產(chǎn)過程中，金屬表面清理工作占據(jù)了重要地位。傳統(tǒng)金屬表面清洗工作主要為化學(xué)性質(zhì)，通過大量使用，可對周圍生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞。隨著激光技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，借助激光原理研發(fā)出的激光清洗技術(shù)具有清洗效果好、清洗工藝簡單、環(huán)保等優(yōu)勢。為從根本上發(fā)揮出脈沖激光清洗技術(shù)的積極作用，相關(guān)工作人員需要細致分析脈沖激光清洗作用機理，結(jié)合清洗對象基層特征，找尋出更加合理的手段，提升清洗表面性能，為從根本上保障基礎(chǔ)工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率奠定堅實技術(shù)基礎(chǔ)。

1、 激光清洗工作機理研究

在使用激光清洗技術(shù)過程中，會產(chǎn)生光、聲、熱等耦合作用，在清洗過程中會釋放出復(fù)雜的氣體或固體物質(zhì)。金屬表面清洗期間的化學(xué)價態(tài)以及分子結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致在研究激光鍵合、界面破壞的難度較大，難以對其進行定量定性描述。就目前來看，激光清洗工作機理主要分為以下幾個部分：

第一， 激光軟燒灼工作機理。激光軟燒灼主要就是在低激光功率密度下，將激光照射到金屬表面，在各種工作機理作用下，金屬表面物質(zhì)將會發(fā)生質(zhì)量互相遷移或者散失情況。在將激光照射到金屬表面污染物時，污染物內(nèi)特定分子將會吸收激光能量，加快原子震動情況，增強污染物吸收能量。在污染物內(nèi)部電子達到一定數(shù)量情況下，原子掙脫束縛，呈現(xiàn)出分解情況，使得污染物被清除干凈。由于激光軟燒灼技術(shù)對于高分子有機物較為敏感，因此更加適用于有機無機物混合物的表面處理。

第二， 激光燒灼工作機理。在基層表面污染層受到激光脈沖輻射的情況下，激光會與污染層發(fā)生相互作用，迫使污染物吸收光能并轉(zhuǎn)化，切實提升污染物層溫度。經(jīng)過分析可得，高能量激光束經(jīng)過聚焦之后，聚焦附近的溫度可以瞬間達到幾千攝氏度，污染物會發(fā)生融化、蒸發(fā)、燃燒分解、等離子化等變化，致使污染物出現(xiàn)流失或者剝削情況，從物體表面消除。就目前來看，激光燒灼工作機理被廣泛應(yīng)用在金屬焊前表面處理等方面。

相關(guān)研究人員對鋁合金焊前未預(yù)處理和焊前經(jīng)激光清洗的焊縫橫截面形貌進行了對比，結(jié)果表明焊前進行激光清洗的焊縫質(zhì)量明顯優(yōu)于焊前未經(jīng)處理的焊縫，具體如下圖。

第三， 激光清洗冷剝離工作機理。激光清洗過程中的激光冷剝離主要就是利用高負荷能量光子，打斷被清洗物質(zhì)的化學(xué)鍵，確保基體表面不會在激光作用下發(fā)生破壞。相關(guān)研究部門對激光清洗冷剝離工作記錄展開了細致研究，在非相干光束發(fā)生等離子體作用時的波長較短，因此會產(chǎn)生激光冷剝離情況。由于冷剝離是利用打破化學(xué)鍵的方式清除污染物，在清除過程中需要使用的能量較少，不會產(chǎn)生較為顯著的熱影響。與其他激光清洗工作相比，激光清洗冷剝離工作的清洗效果好，但是清洗效率不高，清洗設(shè)備主要為紫外激光。

對于金屬材料而言，可以直接吸收光子能量，增大晶格振動，確保金屬表面溫度快速提升。材料對光子的吸收時間較短，吸收以及轉(zhuǎn)化熱過程速度極快，因此在建立激光吸收模型過程中，激光可以完全作為一個表面熱源，在激光作用下用極短時間照射金屬表面，克服金屬表面污染物吸附力作用，確保污染物能夠脫離基體。相關(guān)工作人員在研究低功率激光清洗技術(shù)過程中，發(fā)現(xiàn)激光清洗作用機理主要為金屬燒灼以及因溫度升高，導(dǎo)致金屬床的加熱與膨脹。

與傳統(tǒng)清洗技術(shù)相比，激光清洗技術(shù)擁有更加突出的優(yōu)勢，可以不機械接觸金屬表面的情況下完成清洗工作，防止在激光清洗過程中出現(xiàn)表面損傷問題。同時，激光清洗技術(shù)的運營成本較低，雖然前期投資過大，但過程中的支付量較少。不僅如此，激光清洗技術(shù)能夠更好保護周圍生態(tài)環(huán)境，不會在清洗過程中釋放出帶有污染物的化學(xué)試劑，產(chǎn)生的廢棄物也較少，因此需要在當(dāng)前背景下加大激光清洗技術(shù)研究力度，切實提升激光清洗質(zhì)量與效率。

2、脈沖激光清洗表面性能提升對策

經(jīng)過實際研究脈沖激光清洗技術(shù)下清洗表面性能，能夠細致分析不同脈沖激光清洗技術(shù)應(yīng)用特征，從根本上提升材料表面性能，控制由于激光清洗對金屬材料表面造成的損傷，對發(fā)展并推廣激光清洗技術(shù)具有重要意義。

2.1分析激光清洗對表面粗糙度的影響

在使用激光清洗技術(shù)過程中，激光功率過高會導(dǎo)致金屬表面受到損傷，嚴重影響到金屬結(jié)構(gòu)的使用性能。同時，高功率激光清洗技術(shù)會形成燒灼坑或燒灼溝，在具有特定生產(chǎn)要求的情況下可以使用。通過研究不同激光清洗技術(shù)對激光除銹后基層表面的影響發(fā)現(xiàn)， 基層的表面粗糙都會隨激光功率增大而隨之增大，隨著激光掃描總次數(shù)的增多而增多。因此在選擇激光清洗技術(shù)期間，相關(guān)工作人員需根據(jù)清洗工作要求，控制激光功率，從根本上保證激光清洗效果。

2.2激光清洗對表面性能的影響

在使用激光清洗技術(shù)去除表面油漆時，可通過控制激光工藝參數(shù)，增強污染物去除力度，從根本上提高激光清洗后工件的疲勞性能，保障清洗后表面硬度提升，從根本上保障材料的耐磨性能。使用激光清洗技術(shù)有可能會導(dǎo)致金屬表面發(fā)生鈍化反應(yīng)，由于金屬表面原子分子在激光作用下被激活，形成密氧化層，對延長金屬材料使用壽命意義深遠。

3、結(jié)束語

總而言之，現(xiàn)階段激光清洗技術(shù)應(yīng)用范圍日漸擴大，但對于激光清洗技術(shù)的研究機理卻還不成熟。現(xiàn)階段技術(shù)方面生產(chǎn)要求不斷增強，為從根本上提升激光清洗技術(shù)的應(yīng)用效果，相關(guān)管理人員需細致分析脈沖激光清洗作用機理，分析清洗表面性能。注重研發(fā)激光清洗系統(tǒng)，控制激光清洗運營成本，確保激光清洗工作能夠在增強實際生產(chǎn)效率，保障基礎(chǔ)工業(yè)生產(chǎn)高效有序開展中發(fā)揮出重要作用。

參考文獻：

[1]趙瑪利. 基于激光3D加工處理系統(tǒng)的含Cu材料表面處理技術(shù)研究[D].天津大學(xué)，2015.

[2]劉暢. CFRP結(jié)構(gòu)紅外激光表面處理多參數(shù)耦合優(yōu)化研究[D].中國民用航空飛行學(xué)院，2019.

[3]牛文哲. 氧化亞銅的制備及其異質(zhì)結(jié)光電、光電化學(xué)器件的研究[D].浙江大學(xué)，2017.

（作者單位：沈陽慧遠自動化設(shè)備有限公司）