激光清洗銹蝕的機(jī)制研究和設(shè)備開(kāi)發(fā).pdf

1、激光清洗作為一種新型的表面清洗技術(shù)，具有無(wú)機(jī)械接觸、無(wú)基底損傷、選擇性清洗、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在文物保護(hù)、光電子元器件制備、輪胎模具清洗等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其清洗機(jī)制的研究和成品設(shè)備的開(kāi)發(fā)受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。
　　本文介紹了激光清洗技術(shù)在鋼鐵銹蝕去除方面的應(yīng)用，主要進(jìn)行了三個(gè)方面的工作:實(shí)驗(yàn)方面，依托實(shí)驗(yàn)室已有條件，開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，提出了浮銹層的同步清洗鈍化條件和雙光束濕洗除銹鈍化方法;理論方面，使用ANSYS有限元方

2、法對(duì)激光與銹蝕相互作用的過(guò)程進(jìn)行仿真，提出了低于材料氣化閡值下的銹層清洗的分層模型;設(shè)備開(kāi)發(fā)方面，通過(guò)小組成員合作組裝了兩臺(tái)不同類(lèi)型的低功率激光清洗設(shè)備，并進(jìn)行了工業(yè)除漆、除銹方面的應(yīng)用嘗試。具體如下:
　　(1)通過(guò)對(duì)以往已有文獻(xiàn)的閱讀和總結(jié)，整理、匯總了激光清洗的物理機(jī)制。激光清洗的對(duì)象可分為微粒和膜層兩種，對(duì)于微粒的去除有三種作用在里面，一是熱彈性膨脹，二是激光燒蝕，三是間隙液膜爆發(fā)性沸騰等，其中以熱彈性膨脹機(jī)制為主。有多種

3、具體的實(shí)施方式，從入射的角度考慮，可分為正入射、角度入射、掠入射和背入射等四種，通過(guò)分析激光加熱引起的溫度分布和位移分布，建立激光引起的脫離應(yīng)力與粘附力之間的比較關(guān)系，或熱彈性能與粘附勢(shì)能之間的比較關(guān)系，進(jìn)而確定清洗條件，最終得到激光參數(shù)、材料參數(shù)和環(huán)境參數(shù)與清洗效果、效率之間的決定關(guān)系。
　　(2)提出了一種雙光束濕式清洗除銹的清洗方法和清洗裝置。雙光束中，一束為脈沖CO2激光，一束為準(zhǔn)連續(xù)Nd∶YAG激光。脈沖CO2激光在液膜

4、輔助條件下能夠使激光除銹的清洗效率得到提高，準(zhǔn)連續(xù)Nd∶YAG激光通過(guò)加熱鋼鐵基底首先去除殘余的液膜，避免二次腐蝕，然后通過(guò)調(diào)控脈沖個(gè)數(shù)控制基底的表面溫升，實(shí)現(xiàn)鋼鐵的主動(dòng)氧化鈍化。
　　(3)使用準(zhǔn)連續(xù)激光器線(xiàn)掃描方式去除浮銹，同步實(shí)現(xiàn)清洗鈍化。準(zhǔn)連續(xù)激光的脈沖寬度在固定重復(fù)頻率為3kHz、泵浦電流為20A時(shí)為150ns，處于中等脈沖寬度范疇，具有有別于短脈沖激光的清洗特性。使用該中等脈沖寬度激光對(duì)浮銹層進(jìn)行激光去除，在激光能量密

5、度選擇合適的情況下，通過(guò)激光加熱使基底達(dá)到熔點(diǎn)，利用金屬熔池對(duì)溫度和氧含量的均勻作用，能夠使得活化的鋼鐵基底的氧化作用較為均勻，從而在清洗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)鈍化。當(dāng)激光能量密度只是達(dá)到去除表面銹層時(shí)，清洗后的鋼鐵表面的抗腐蝕性只是得到部分提高，無(wú)法提供鈍化效果;而激光能量密度過(guò)高，使得銹層表層的溫度超過(guò)其分解溫度，則銹層將發(fā)生分解，同時(shí)過(guò)深的熔池導(dǎo)致氧含量的深度擴(kuò)散，形成多層結(jié)構(gòu)，也喪失了鈍化效果;通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與ANSYS仿真結(jié)果的對(duì)比，最終確

6、定了清洗鈍化實(shí)現(xiàn)的條件。
　　(4)提出了低于氣化閾值下的激光除銹的分層模型。激光照射到銹蝕樣品表面，由于激光在銹層表面的吸收衰減作用，表層的溫度能夠達(dá)到氧化鐵的分解溫度，通過(guò)熔化分解作用實(shí)現(xiàn)去除，而較深層的激光能量雖然不能直接使銹層發(fā)生分解，但是通過(guò)加熱銹層疏松多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空氣，利用膨脹空氣的氣壓也能夠?qū)︿P層起到破碎的作用，即相爆炸機(jī)制。熔化分解和相爆炸作用通過(guò)多脈沖的積累，逐漸的減小銹層的厚度，當(dāng)銹層厚度降低到小于熱擴(kuò)散深度

7、時(shí)，部分激光能量能夠穿透剩余的薄銹層而直接被基底吸收，通過(guò)基底的熱彈性膨脹能夠?qū)⑹Ｓ嗟谋′P層一次性去除。使用ANSYS仿真方法對(duì)三種清洗機(jī)制的作用過(guò)程進(jìn)行了模擬，在三種作用中，次層的相爆炸機(jī)制是銹層低于氣化閾值下的主要去除機(jī)制。
　　(5)提出了一種光聲譜的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法;結(jié)合LIBS光譜檢測(cè)的成分分析，與飛行時(shí)間檢測(cè)的膜層界面分析，光聲譜監(jiān)測(cè)相比于單一的LIBS光譜檢測(cè)和飛行時(shí)間檢測(cè)具有更廣的適用范圍。主要應(yīng)用在多層材料的激光清洗

8、過(guò)程中，如鋼鐵基底-鐵銹-油漆、鋼鐵基底-底漆-面漆、新出土文物的金屬基底-腐蝕產(chǎn)物-土壤結(jié)塊等的三層甚至多層結(jié)構(gòu)中。利用LIBS光譜的定性成分檢測(cè)分析能夠區(qū)分不同的物質(zhì)層（原子光譜變化），而通過(guò)飛行時(shí)間檢測(cè)能夠區(qū)分不同的物理結(jié)合層（界面反射、吸收變化），從而能夠完全的掌握在多層材料的清洗過(guò)程中的清洗狀態(tài)。
　　(6)介紹了組裝的兩臺(tái)激光清洗設(shè)備的情況。第一臺(tái)是電光調(diào)Q激光清洗機(jī)，主要針對(duì)漆層的清洗，輸出激光脈沖通過(guò)導(dǎo)光臂進(jìn)行中短