激光參量對碳鋼表面清洗質量的影響

吳勇華，任曉晨， 劉皓賢，閆永君，康獻民

(1.五邑大學 智能制造學部 激光技術研究中心， 江門 529020；2.廣東省摩托車先進設計與制造工程技術研究中心，江門 529020)

引 言

激光清洗是一種新型、綠色、非接觸式的表面清洗技術，已應用于航空航天、汽車船舶、微電子及文物保護等領域，可用以去除材料表面的油漆、鐵銹、氧化膜、涂層、積碳等污染物[1]。碳鋼是工業中使用最廣泛的金屬結構件材料，碳鋼的強度、塑性和焊接工藝及綜合性能較好而用途廣泛。然而，Q235碳鋼在使用過程中極易發生銹蝕，銹蝕會加速其內部的腐蝕，帶來巨大的經濟損失和安全隱患。因此在使用過程中，必須清除其表面的銹蝕層，使其表面滿足一定的質量要求，確保延長碳鋼結構使用壽命的同時，為后續加工制造工藝(如焊接、噴漆等)做準備。目前，工業酸洗和超聲波清洗是清除碳鋼銹蝕層的一個常用方法。工業酸洗因其產生的強腐蝕性和對環境的嚴重污染而將受到限制, 超聲波清洗無法清洗強附著力污染物及亞微米級顆粒，對被清洗工件的尺寸、形狀適應性不強，因此激光清洗是一種有推廣價值的清洗替代技術。

近年來，激光清洗技術在國內外的研究越來越深，從理論研究、試驗室試驗逐步在工業上應用，如ZHANG等人[2]在2019年針對鋁合金表面氧化層對比了不同激光參量尤其是激光能量密度對清洗效果的影響，通過試驗獲得了最優激光工藝參量，并闡釋了激光清洗試驗的機理；JASIM等人[3]在2017年用納秒脈沖光纖激光器在20μm厚的白色高分子涂料和鋁合金基體上去除聚合物漆，評估了激光工藝參量對清洗效果的影響和分析激光燒蝕區的尺寸；YU等人[4]在2014年對碳鋼表面鐵銹進行激光清洗，并通過檢測表面粗糙度值、硬度、元素成分、顯微形貌等分析了激光清洗的效果；GAO等人[5]使用納秒紫外激光器對304不銹鋼進行激光表面除銹，通過試驗分析并優化了功率、掃描次數和清洗速率等激光工藝參量對除銹效果的影響；ZHOU等人[6]采用納秒脈沖激光器在不同狀態下對AH32鋼表面銹層進行激光清洗試驗，通過檢測材料表面形貌與粗糙度來表征激光除銹效果，最后獲得較好的清洗質量和較高的清洗效率；ZHANG等人[7]試驗了激光峰值功率、能量密度等參量對輪胎模具鋼表面殘余橡膠層的清洗效果的影響，獲得了一組最優激光清洗工藝參量，同時試驗對比表明，脈沖 YAG 激光比 CO2激光更高效；QI等人[8]研究了高速列車集電環激光除銹工藝，研究結果表明，激光除銹后試樣表面沒有發生重熔和相變現象，通過對未生銹試樣和激光除銹后試樣的表面硬度、電阻率對比測試，發現兩者沒有發生明顯變化。

本文中在激光清洗機理分析基礎上，通過對Q235鋼的激光除銹試驗，探討激光清洗工藝對金屬表面清洗的作用規律，研究激光清洗各工藝參量對清洗質量的影響規律。通過激光清洗工藝單因素、多因素正交試驗，優化Q235鋼的激光除銹參量。最后對激光清洗的試驗結果進行檢測，獲得表面性能和清洗質量較好的Q235鋼激光清洗工藝。

1 激光除銹清洗機理

與其它清洗方法相比，激光清洗過程更為復雜，清洗過程中有多種機理同時發生[9]，這是因為激光與材料之間的相互作用時，發生燒蝕、電離、熔化、汽化、膨脹、收縮、爆炸、剝離等復雜的物理化學現象[10-11]。目前國內外將激光清洗機理總結為三大類：光燒蝕清洗、光液膜輔助清洗和激光沖擊波清洗[12]。其中燒蝕清洗是較普遍認同的、占主導作用的激光清洗機理。

當激光直接作用于材料表面上，處于空氣、惰性氣體或真空環境中的材料本體和污染物均首先發生熱效應和變形[13]。激光輻照能被表層材料吸收后，表層材料的瞬時熱膨脹激發微振動，促發表面吸附的污染物粒子與本體脫離；同時表層污染物粒子本身熱膨脹和收縮也致使粒子脫離材料表層，從而使材料基體和污染物分離[14]。激光燒蝕清洗過程主要有熱變形、燒蝕、汽化、電離和相爆炸等[15]。

對于激光燒蝕清洗過程以哪一種機理起主導作用，取決于激光與材料相互作用形成的溫度、污染物燒蝕閾值與材料基體燒蝕閾值三者之間的關系[16]。

(1)如果激光產生的溫度低于污染物燒蝕閾值，則污染物僅發生熱變形變化，污染物與基材兩者熱膨脹系數之間差異將導致界面處產生壓應力和拉應力，污染物發生屈曲、脫離，形成機械斷裂、振動破碎并產生裂紋，從而污染物與基體的分離[17]。

(2)如果激光輻照溫度高于污染物燒蝕閾值、低于基材燒蝕閾值時，激光清洗過程主要體現為熔化、汽化、電離等物理化學現象[18]。這種情況所需的激光能量往往比較小，可行的方法是將激光能量密度調整到污染物燒蝕值與基材的燒蝕閾值之間合適的參量，既可以有效去除污染物，又不會對基材造成破壞，其工作機理如圖1所示。這是激光清洗實現材料表面清洗質量較佳的工況。如MARIMUTHU等人[19]用脈沖激光清洗WC刀頭表面TiN涂層時，把激光能量密度調至2J/cm2，高于TiN涂層的清洗閾值0.62J/cm2、低于基材WC的清洗閾值2.36J/cm2，獲得了基材表面無損傷的清洗效果；SUN[20]用不同功率、不同掃描速率的CO2激光器清洗子午線輪胎模具表面橡膠殘余物時，通過同樣的方式獲得了輪胎模具的最佳激光清洗工藝參量。

Fig.1 Mechanism of low laser power ablation cleaning

(3)如果污染物燒蝕閾值大于基體材料燒蝕閾值時，激光產生的溫度高于基體燒蝕閾值又小于污染物燒蝕閾值時，激光清洗過程主要體現為汽化、燒蝕、電離和相爆炸等物理化學變化。這一狀況下所需的激光能量往往比較大，這時需提高激光能量密度才能去除表層污染物，如YUE等人[21]在開展激光燒蝕去除鈦合金表面α相的試驗研究時，在鈦合金燒蝕閾值為0.7J/cm2、α相燒蝕閾值為1J/cm2的條件下，此時不論如何調節激光參量，均無法避免清洗最后一層污染物時造成對材料基體的損傷，或在清洗后的材料表面余留凹坑，如圖2所示。

Fig.2 Mechanism of high laser power ablation cleaning

因此，基于上述分析，可以把激光清洗分為3個狀態：(1)當激光能量低于銹蝕層燒蝕閾值時，激光清洗無法去除銹蝕污染物，達不到激光除銹目的,但對一些材料表面的油污垢、生物污染物等一般臟污，可以用小能量激光進行清除；(2)當激光能量高于銹蝕層燒蝕閾值、低于基材燒蝕閾值時，激光清洗可有效去除銹蝕污染物，而又不至于損傷基材；(3)當激光能量高于銹蝕層燒蝕閾值、又高于基材燒蝕閾值時，激光清洗可有效去除銹蝕污染物，同時也損傷基材。在這種情況下，需選擇合適的激光器和激光清洗工藝參量，利用銹蝕層和基材對激光吸收率的不同，使激光首先輻照表層銹蝕層后發生能量衰減，衰減之后的激光不足以再次燒蝕基材。否則也會損傷基材。

材料表層鐵銹污染物在脈沖激光輻照后發生熔化、汽化、電離和形成等離子體。盡管激光器的峰值功率會相對高，但輻照時間較短，熱累積在極短的時間內傳遞不到基材。由于Q235鋼銹蝕污染物具有疏松多孔結構，對激光吸收率較大，溫度能夠很快達到銹蝕物熔點1565℃，其燒蝕閾值為7.2J/cm2。不同材料對激光的吸收率不一樣的，材料對激光吸收主要受激光波長、溫度、表面粗糙度、表面涂層的影響，因此，針對特定的材料需要選擇合適波長的激光才能進行有效地清洗。Q235和金屬銹蝕層的激光吸收情況如圖3所示。對Q235表面銹蝕層，希望用理想波長和清洗閾值的激光來照射，使表面銹蝕層吸收大量能量被有效去除，而基體只吸收少量的能量甚至不吸收能量，使基體溫度達不到其熔點1495℃，也達不到Q235的燒蝕閾值6.6J/cm2，因而可以達到完全去除銹蝕層而不損傷基材的預期效果。所以采用激光清洗時，最佳效果是銹蝕污染層對激光吸收率大，而基材對激光吸收率小，銹蝕污染和基材層的吸收率差值應盡量大[22]。從圖3可以看出，為700nm～1100nm的紅光及近紅外波長時，兩者的吸收率差值明顯比其它波段要大，在1064nm處基材的吸收率為0.38，污染層的吸收率為0.78，適合Q235的清洗。

Fig.3 Laser absorption rate of Q235 metal and its surface rust layer

2 Q235鋼的激光除銹清洗試驗

2.1 試驗材料與設備

激光清洗對象為Q235鋼板。Q235的質量分數分別如下：w(C)=0.0120～0.0130，w(Mn)=0.0040～0.0060，w(Si)=0.0010～0.0070，w(P)≤0.0003，w(S)≤0.0003，w(Cr)=0.0475～0.0550，w(V)=0.0080～0.0140，w(Mo)=0.0090～0.0140，其余為Fe。

試驗中采用的Q235鋼板材規格為 60mm×40mm×1mm，用75%酒精清洗樣品，保證樣品表面無其它污染物，待表面干燥清潔后備用。試驗樣品如圖4所示。圖4b顯示樣品表面整體銹蝕，并出現大量斑點腐蝕，點蝕的深度往往較其它區域的腐蝕更深。

Fig.4 Test sample diagram

本試驗中所使用的激光清洗系統如圖5所示。該激光清洗系統采用IS-0604QCW 型Nd∶YAG準連續光纖輸出激光器，額定功率600W、波長1064nm，脈沖寬度0ns～100ns，掃描寬度10mm～100mm可調，掃描速率約5000mm/min可調。該系統可實現能量、脈沖寬度、掃描速率、掃描寬度等工藝參量調控，通過控制卡和軟件可實現自動清洗。本試驗時采用100mm場鏡，聚焦光斑直徑0.5mm。

Fig.5 Laser cleaning system

a—structural diagram b—cleaning sample

2.2 試驗方案

針對Q235鋼板的特性，影響激光清洗效果的工藝參量和因素較多，在現有條件下，只能針對主要參量和因素。激光能量密度影響激光清洗閾值，對清洗過程去除機理起決定的作用[23]。清洗速度和掃描寬度影響清洗效率，并且對搭接率也產生影響；離焦量影響聚焦表面激光能量的分布；脈沖重復頻率又影響到激光能量密度，該參量是影響激光清洗閾值的主要參量[24]。而激光脈寬影響材料表面的熱擴散，對短脈沖造成的細微影響[25]。因此,本試驗中分別對激光能量密度、清洗速度、掃描寬度、離焦量等進行單因素試驗。在單因素試驗基礎上進行多因素正交試驗。

在試驗時，針對Q235鋼板的物理特性和激光清洗設備參量，在合適的參量區間內對激光能量密度、清洗速率、離焦量、掃描寬度和脈沖重復頻率進行單因素試驗。(1)激光能量密度：在試驗時，根據銹蝕層和基材情況選擇激光能量密度為5.0J/cm2，7.5J/cm2，10.0J/cm2，結果表明，在5.0J/cm2時除銹效果不理想，在7.5J/cm2左右除銹效果良好，在10.0J/cm2左右除銹效果又較差，并出現二次氧化現象，說明能量密度過大，對基材產生了破壞，如圖6所示；(2)清洗速率：清洗速率在900mm/min～1500mm/min區間內選擇900mm/min，1200mm/min和1500mm/min，結果表明，隨著清洗速率的增加，清洗效果越來越差，最優清洗速率為900mm/min；(3)離焦量：離焦量在0mm～2mm區間內選擇0mm，1mm和2mm，結果表明，在1mm離焦附近時，除銹效果最好；(4)掃描寬度：掃描寬度在30mm～50mm區間內選擇30mm，40mm和50mm，試驗結果觀察顯示，最佳的掃描寬度為30mm～40mm之間；(5)激光脈沖頻率：脈沖重復頻率在15kHz～25kHz區間內選擇15kHz，20kHz和25kHz進行試驗，結果表明，在該脈沖重復頻率范圍內清洗效果相差不大。因此，本試驗中分別選取激光能量密度、清洗速率、離焦量和掃描寬度4個因素進行正交試驗，正交試驗因素水平如表1所示，選用L9(34)正交試驗。

Fig.6 Cleaning effect under different laser energy densities

a—5.0J/cm2b—7.5J/cm2c—10.0J/cm2

Table 1 Factor level of orthogonal experiment

根據表1中的激光工藝參量進行試驗。對正交試驗結果數據進行綜合評分。綜合評分以清洗后的表面粗糙度值、銹蝕去除程度、表面形貌評為依據。試驗后的9組試驗清洗效果在光學顯微鏡下觀察。根據正交試驗結果，確定因子的主次順序，通過對比綜合評分的大小，確定各因子主次順序依次為：清洗速率、離焦量、激光能量密度、掃描寬度。綜合評分以清洗后的表面粗糙度值、銹蝕去除程度、表面形貌評為依據，獲得Q235鋼最佳激光工藝參量，分別為清洗速率900mm/min、離焦量1mm、能量密度7.6J/cm2、掃描寬度30mm。

3 試驗結果與討論

目前，激光清洗尚未制定通用質量標準，對金屬材料表面污染物清洗質量的表征主要為油脂、污物、氧化皮、鐵銹、油漆涂層和雜質去除后，表面具有均勻的金屬色澤及殘留污染物。激光在去除材料表面污染層的同時，也會對材料表面性能產生影響。輸入激光能量過大，會造成基體材料的燒傷，輸入能量過小會影響污染層的去除效果，并且輸入的能量不同會對基體表面產生不同的熱影響。因此，需要對在最佳工藝參量下激光除銹后、未除銹、無銹的樣品進行檢測，研究激光清洗對Q235鋼清洗質量和表面性能的影響。清洗質量主要從材料表面銹蝕層清洗程度和表面的粗糙度來考察。

3.1 表面粗糙度

激光除銹能有效地去除生銹樣品表面的銹層，同樣會引起除銹后樣品表面粗糙度值的變化。利用NanoMap-D光學雙模式3維形貌儀，分別檢測了未生銹樣品、生銹樣品和最佳激光除銹工藝參量下的樣品粗糙度值。

圖7為試樣的3維形貌圖。生銹的樣品3維形貌圖存在大量銹蝕物，且銹蝕分布不均勻、銹蝕深度不均勻。未生銹的清潔樣品表面均勻度好，極少量的綠色和紅色是由于樣品表面存在微小的劃痕。而在最佳除銹工藝參量下除銹后樣品表面主要由黃色構成，還存在少量的綠色，說明激光基本上已經把銹蝕清除干凈，而且獲得了平整的表面。

從檢測結果可知，激光光斑重疊均勻，能量在基材表面均勻分布，使輻射后的基材表面平整；由于銹蝕在基材表面的銹蝕程度不均勻，銹蝕厚的位置被激光清除后會留下微小的凹坑；除銹后基材表面留下凹坑取決于銹層的分布。綜上所述，激光除銹能改善基材表面的總體粗糙度，但粗糙度的峰值取決于銹層的分布和銹蝕深度的一致性。

圖8為試樣的表面輪廓變化狀態。從圖8縱坐標值可以看出，銹蝕的樣品表面的峰值高度較大，整體曲線存在一個較大的波峰和波谷，說明銹蝕層存在較大的突起和凹陷。而比較未生銹樣品和最佳工藝參量下除銹的樣品，趨勢的起伏相對銹蝕樣品小，起伏的程度較為均勻，沒有出現較長的波峰，波谷段。對比未生銹的樣品和最佳工藝參量下除銹的樣品，發現在x方向上形貌的趨勢總體上一致，而且縱坐標可以看出，表面整體起伏也一致。

Fig.7 Surface topography

Fig.8 Surface profile

表2為生銹試件、未生銹試件和激光清洗試件三者表面粗糙度的檢測結果。表2中的數據可以說明，激光除銹之后，材料表面粗糙度Ra比生銹試件有明顯減小，表面整體粗糙度接近未生銹試件。由于生銹試

Table 2 Roughness test results

件的銹蝕層厚度不均勻，影響到激光清洗試件表面的波峰R1和R2波谷。

綜上所述，在最佳工藝參量下激光除銹可以改善基材的表面形貌，獲得接近于未生銹樣品的表面形貌。

3.2 表面清洗程度

對除銹前后的樣品做掃描電鏡檢測，如圖9所示。由對比結果可直觀分析表面微結構。其中，圖9a是銹蝕層的掃描電鏡圖，圖9b是激光除銹后的掃描電鏡圖。

Fig.9 Scanning electron microscope

由圖9可知，激光除銹能徹底清除金屬表面的銹蝕層。在掃描電鏡圖中，可以看到顯示材料表面凹坑的黑色區塊，這種凹坑的形成有兩種原因。其一，材料表面原始銹蝕層形成的凹坑。從銹蝕層的掃描電鏡圖中，可以看到銹層疏松的表面結構，也可以明顯看到銹蝕層表面存在疏松的微孔，黑色銹蝕區域厚度明顯小于疏松微孔區。這也是導致激光除銹后表面出現微小凹坑的原因，銹蝕層厚度的不一，銹蝕程度不均勻，當銹蝕層吸收均勻的激光能量情況下，就會導致激光去除銹蝕的厚度不一致，從而在銹蝕深度更深的微小區域留下凹坑。其二，激光掃描在燒蝕銹蝕薄層時形成的。由于激光光束為高斯光束，基材吸收的激光能量同樣也會呈高斯分布，光斑中心吸收的能量密度比周圍的能量密度高，導致光斑中心區域基材的燒蝕，從而形成凹坑。由圖可知，激光除銹能徹底清除金屬表面的銹蝕層，清洗質量受激光光束和銹蝕層的銹蝕程度影響。

最后，對試樣進行了能譜分析。采用X射線能量色散譜儀對樣品表面和斷面做能譜分析，分析結果如圖10所示。

由圖10能譜圖可以看出，除銹前后試件表面O，K，Fe，Si和Ca各元素的含量變化，其中激光除銹后材料表面的Fe元素的含量增多，O元素含量明顯減少，K元素的含量也有降低，Si和Ca元素的含量變化不明顯，說明Si元素和Ca元素并未發生氧化分解反應。Fe元素和O元素含量在清洗前后的相對變化，說明銹蝕層在激光的輻照下發生了脫氧的反應。所以可以得出結論：Q235鋼表面的氧化物銹蝕已經基本清除干凈；另外，從X射線能量色散譜儀所檢測的Q235鋼表面元素整體分布情況看，由于銹蝕試件表面銹蝕層度不均勻，盡管除銹后O元素明顯減少，但由于銹蝕層厚度分布不均勻，銹蝕層厚的地方會殘留微量的O元素，銹蝕層的厚度不均勻會影響激光清洗的效果。

Fig.10 X-ray energy dispersive spectroscopy diagram

4 結 論

在激光清洗機理分析和激光清洗工藝試驗的基礎上，分析激光對Q235鋼表面銹蝕層清洗效果的影響，獲得激光清洗工藝的最優工藝參量。

(1)研究了激光清洗與材料污染物及材料基體的相互作用過程，分析了激光清洗污染層的過程模型。提出了激光與材料相互作用產生的溫度與污染物燒蝕閾值、材料基體燒蝕閾值三者之間的關系，以及激光清洗各過程起主導作用的清洗機制。

(2)對Q235鋼表面銹蝕層激光清洗試驗結果進行了檢測和分析，得出激光除銹后材料表面粗糙度和3維形貌得到改善，激光清洗樣品的粗糙度值接近無銹樣品，激光清洗樣品的形貌與無銹樣品基本相同；掃描電鏡的分析結果表明，材料表面的銹蝕層基本去除，表面存在重熔的微結構，并在表面留下微小的凹坑；能譜分析結果表明，激光除銹后材料表面的O元素含量急劇減少，Fe元素含量的變化不大，說明材料表面的氧化物銹蝕基本清除干凈。

(3)通過對Q235鋼表面激光除銹清洗試驗，得出最優激光清洗工藝參量如下：清洗速率為900mm/min、離焦量為1mm、能量密度7.6J/cm2、掃描寬度為30mm。這一結果為碳鋼表面激光除銹工藝的推廣應用提供了依據。