不锈钢表面激光清洗技术研究

本文介绍了激光清洗技术的概念和基本原理，并用试验方法研究了不锈钢表面激光清理效果，试验表明，激光表面清理技术能快速清除不锈钢焊缝及热影响区的氧化色以及不锈钢表面的油漆和锈蚀，并能形成新的钝化层。

激光清洗技术基本原理

激光清洗技术是指采用高能激光束照射工作表面，使表面的污物，锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，高速有效地清除清洁对象表面附着物或表面涂层，从而达到洁净的工艺过程。

激光同电子束和离子束统称为高能束，共同特点是束流携带着很高的能量在空间传输，通过聚焦，在焦点附近可得到104～1015W／cm²功率密度的照射，是强度最高的热源。激光具有高亮度，高方向性、高单色性和高相干性的特点，这是普通光源所无法比拟的。利用激光的高亮度，经过透镜聚焦后，能在焦点附近产生上千度甚至上万度的温度。激光的高方向性使得激光能有效进行长距离传输。激光的单色性极高，波长单一，有利于聚焦和波长选择。激光器发出的激光从光纤中传输到聚焦镜头，聚焦后从喷嘴内孔抵达需清洗工件表面。通常使用喷嘴，借助于与激光同轴的小孔喷嘴将具有一定压力的气体吹到清洗区。气体由辅助气源提供，其主要作用为防止镜头被飞溅物和烟尘污染，并起到净化工件表面，强化激光与材料的热作用。

如图1所示，物体表面污染物吸收激光能量后，或汽化挥发，或瞬间受热膨胀而克服表面对粒子的吸附力，使其脱离物体表面，进而达到清洗的目的。目前对激光清洗的机理存在着一些分歧，但大多数机理都能对激光清洗实验中的一些现象进行合理的解释，归纳起来大致包括激光汽化分解、激光剥离、污物粒子热膨胀、基体表面振动和粒子振动四个方面；而且，激光清洗常常是多种机理同时作用的结果。

图1 激光清洗原理

激光清洗机理根据表面附着物和基体热物理参数差别大小而有所不同。当表面附着物与基体材料的热物理参数差别较大时，激光清洗机理包括：烧蚀汽化、热振动与热冲击机理和声波振碎机理，如激光清洗漆层和橡胶层。当表面附着物与基体材料的热物理参数差别不大时，主要是烧蚀汽化机理在起作用，如激光除锈。

不锈钢焊缝表面清理试验研究

我公司长期大批量生产T4003不锈钢车体的车辆，且大部分为不锈钢车体，不锈钢材料在焊接时，局部部位由于装配间隙超差，导致热输入较大，特别是使用3mm左右的薄板时，会导致不锈钢焊缝附近和焊缝背部发生表面氧化，破坏了材料原有的钝化层，使材料耐腐蚀性能降低甚至失效，部分产品的不锈钢外表不要求涂刷油漆或者涂刷透明色清漆，过度氧化造成的色差会严重影响车辆的整体美观。不锈钢焊缝过度氧化主要发生在车体外表面，如侧墙、下部侧墙板等部位，特别是侧墙与端墙板（端墙横带）连接部位，如图2所示。

图2 不锈钢车体外表面焊缝热影响区过度氧化

按照AWS D18.2标准和AS 1554.6标准的推荐，焊缝和热影响区的表面允许有淡稻草色氧化物，及图3中的样品1~3，蓝色、褐色和黑色的氧化物不合要求。除焊缝氧化外，不锈钢车体在生产中还会存在局部锈蚀或其他污染物等问题，本项目拟通过试验方法验证利用激光表面清理技术祛除不锈钢表面的过度氧化及锈蚀等其他杂质的能力，和处理后表面的耐腐蚀能力。

图3 不锈钢焊缝和热影响区氧化变色样本（AWS D18.2:2009）

（1）试验过程选用65W手持式激光清理装置，通过参数调节，可得到不同的效果，不同参数下的不同处理效果如图4所示，通过多次试验，为达到理想的表面状态，合理的参数设置如下：①激光功率：65W。②光斑重合度：1.2。③脉宽：30~240ns。④脉冲能量：0.1~0.8mJ，最优能量0.1~0.2mJ。

图4 不锈钢样品表面清理测试

（2）试验结果在上述参数下，通过激光清理装置处理后，能够将焊缝及热影响区的氧化层全部去除，如图5~图7所示。

图5 对接焊缝清理前后对比

图6 角焊缝正面清理前后对比

图7 角焊缝背面清理前后对比

根据受处理表面状态对光吸收率的差异，通过调整波长等参数，激光不仅能清理金属表面氧化层，还能快速清理不锈钢表面的锈蚀和油漆（见图8~图9）。

图8 上侧梁锈蚀清理

图9 清漆清理

激光表面清理不仅能彻底清除焊缝及热影响区的氧化层，还能形成新的钝化层，防止再次生锈，为验证新钝化层的耐腐蚀性，进行了自然环境和模拟环境下的耐腐蚀对比试验。试验内容为将2块试板进行局部激光清理，分别存放于不同的环境中一段时间后观察其锈蚀情况。其锈蚀情况见图10：试板1放置于室外露天环境6个月，观察发现，未清理表面有大量锈蚀痕迹，激光清理后表面仅有点状锈蚀。试板2置于室内常温环境下6个月，观察发现，未清理表面出现自然氧化色，激光清理后表面未观察到变色、锈蚀情况，仍呈金属本色。