沈 全，佟艷群，馬桂殿，魏麗花

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

1 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，鋼鐵的需求越來(lái)越大。由于鋼鐵本身易銹，需要進(jìn)行表面涂裝，而涂裝前需要用各種方式去除銹蝕，并使表面形成一定的粗糙度，所以為鋼鐵除銹和涂裝成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)。在除銹過(guò)程中，有一種新穎環(huán)保的除銹方式——激光除銹。此除銹方式與傳統(tǒng)的除銹方法相比有能量可調(diào)、不損傷材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、操作方便、無(wú)污染、無(wú)接觸、高清潔度、清洗效率高和低成本等優(yōu)點(diǎn)［1］。在涂裝過(guò)程中，基體表面的粗糙度是非常關(guān)鍵的，影響著基體表面與涂層之間的附著力。因?yàn)閷?duì)基材附著不好的涂層，其性質(zhì)幾乎都是不良的，而且因?yàn)橥繉臃浅１?，如果附著力不夠?qiáng)，則在應(yīng)用環(huán)境下很容易脫落，無(wú)法保證持續(xù)使用［2］。取得合適的粗糙度可以通過(guò)激光毛化技術(shù)［3］和激光熔覆技術(shù)［4－5］。但若在激光除銹過(guò)程中既能去除基體表面的銹蝕又能得到合適的粗糙度，則會(huì)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。因此本文主要研究激光參數(shù)在激光除銹后影響粗糙度的規(guī)律，并且嘗試尋找是否有適當(dāng)?shù)募す鈪?shù)使得激光除銹后表面還能生成阻止銹蝕的氧化物［6－7］。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1是激光除銹實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。實(shí)驗(yàn)中所用激光器為IPG公司的Nd∶YAG激光器(型號(hào)YLP－10)。該激光器的基本參數(shù):激光波長(zhǎng)1064 nm，脈沖頻率2～100 kHz，激光功率0.02～100 W，光斑直徑50 μm，脈寬100 ns。輸出的激光通過(guò)光束準(zhǔn)直后，由焦距為160 mm的聚焦透鏡進(jìn)行聚焦。銹蝕樣品放置在可以上下移動(dòng)的夾具上，確保銹蝕樣品的上平面可以調(diào)至焦點(diǎn)處。

圖1 激光除銹系統(tǒng)裝置Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

樣品為生銹程度為B級(jí)的Q235鋼。為了消除初始樣品上面的銹蝕坑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，把樣品表面先打磨后拋光，最后，在自然條件下靜放一個(gè)月，生成銹層。每次測(cè)試所選的樣品掃描區(qū)域?yàn)? mm×3 mm面積。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別選取不同功率、掃描次數(shù)和掃描速度等工藝參數(shù)進(jìn)行匹配性實(shí)驗(yàn)，用光斑直徑為50 μm、頻率為100 kHz的激光光束在每個(gè)樣品的X-Y平面上按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，用東京精密SURFCOM 130A粗糙度測(cè)量?jī)x在每個(gè)樣品的橫向測(cè)量三次，縱向測(cè)量三次，使計(jì)算表面粗糙度結(jié)果更加精確［8－9］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 激光脈沖功率對(duì)粗糙度的影響

如圖2 所示，A、B、C、D、E、F、G 分別表示激光以5000 mm/s掃描速度掃描的次數(shù)為1次、2次、4次、8次、16次、32次和64次。對(duì)比不同功率，相同掃描次數(shù)的豎形條高度可知:在相同掃描次數(shù)下，功率為15 W的樣品表面粗糙度比功率為60 W的樣品表面粗糙度要小，功率為100 W的樣品表面粗糙度最大。實(shí)驗(yàn)中，樣品在15 W時(shí)，隨著次數(shù)增加，樣品表面的顏色沒有太大變化，呈現(xiàn)的是銀色，接近樣品本身材質(zhì)的顏色;在60 W時(shí)，樣品表面呈現(xiàn)白色并逐漸變黑，但變黑的程度不大;在100 W時(shí)，樣品表面直接變黑，樣品表面出現(xiàn)損傷。圖3顯示表面有一層一層的波紋。這是因?yàn)楦邷厥贡砻嫒刍鲃?dòng)并且多次掃描形成的熔道會(huì)相互疊加。于是在一定范圍內(nèi)，在相同的掃描次數(shù)和速度的條件下，激光功率越高，樣品的表面粗糙度就越大，但大到某一閾值，表面出現(xiàn)損傷，形成一些凹坑，還會(huì)有一層熔凝層。

圖2 粗糙度隨脈沖功率變化的對(duì)比圖Fig.2 Roughness changes with laser power

圖3 SEM 樣品表面圖60 W，5000mm/s，4 timesFig.3 SEM sample surface 60 W，5000mm/s，4 times

3.2 激光掃描次數(shù)對(duì)粗糙度的影響

在圖4中，功率為15 W、速度分別為500 mm/s和5000 mm/s的激光產(chǎn)生的粗糙度。在掃描次數(shù)為8次后粗糙度值上升趨勢(shì)逐漸緩和;功率分別為60 W和100 W而速度同為5000 mm/s的激光所產(chǎn)生的粗糙度值隨著掃描次數(shù)的增多而增大，并且粗糙度值增大的趨勢(shì)比較明顯;功率為20 W，速度為3000 mm/s的激光所產(chǎn)生的粗糙度隨掃描速度有所增大，但趨勢(shì)也趨向緩和。因?yàn)閽呙璐螖?shù)越多可近似于單脈沖能量的累加值越大。并且掃描次數(shù)越多，激光在樣品表面掃描所形成的熔道越多，表面粗糙度也會(huì)隨著增大。

圖4 粗糙度隨掃描次數(shù)變化的對(duì)比圖Fig.4 Roughness changes with scanning times

圖5所示的是功率為20 W，掃描速度為3000 mm/s掃描4次的掃描電鏡圖。圖中可以看出表面的銹蝕基本清除干凈，出現(xiàn)熔凝現(xiàn)象。

圖5 SEM 樣品表面圖20 W，3000mm/s，4timesFig.5 SEM sample surface 20 W，3000mm/s，4times

3.3 激光掃描速度對(duì)粗糙度的影響

在圖6中，在相同掃描次數(shù)下，功率同為15 W的激光，掃描速度為500 mm/s比掃描速度為5000 mm/s所產(chǎn)生的樣品表面粗糙度要大。因?yàn)樵诩す獬P過(guò)程中，當(dāng)同種激光輸出功率和掃描次數(shù)相同時(shí)，激光光束與樣品表面的相互作用便由掃描速度的大小來(lái)反映。掃描速度越大，激光光束在樣品表面上作用的時(shí)間就越短，則樣品表面接受的能量比較少，使樣品表面發(fā)生熔凝的能力比較弱，影響表面粗糙度。所以說(shuō)同種激光在激光功率和掃描次數(shù)相同的條件下，掃描速度越高，樣品表面的粗糙度越低。

圖6 粗糙度隨掃描速度變化的對(duì)比圖Fig.6 Roughness changes with scanning speed

4 結(jié)論

(1)激光功率越高，樣品表面的粗糙度越大，達(dá)到一定的閾值，表面出現(xiàn)基體損傷;

(2)樣品表面的粗糙度在低功率時(shí)隨著掃描次數(shù)的增多而增大，但到了掃描次數(shù)為8次后，其增加趨勢(shì)比較緩和，不再明顯如激光功率為15 W速度分別為500 mm/s和5000 mm/s的條件下;在高功率時(shí)隨著掃描次數(shù)的增加而增大，增大的趨勢(shì)依舊比較明顯，如激光功率為60 W和100 W速度同為5000 mm/s的條件下;在功率為20 W掃描速度為3000 mm/s的條件下，生成的粗糙度的變化趨勢(shì)介于上述低功率和高功率之間，并且樣品表面還出現(xiàn)藍(lán)色的物質(zhì);

(3)樣品表面的粗糙度隨著掃描速度的增大而減小。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到粗糙度和表面顏色的變化規(guī)律，為以后優(yōu)化激光參數(shù)，能夠更好地符合涂層的需要做出比較好的嘗試。

［1］ ZHU Yufeng，TAN Rongqing.Graffiti removal-new applications of laser cleaning［J］.Laser ＆ Infrared，2011，41(8):840 －844.(in Chinese)朱玉峰，譚榮清.激光清洗應(yīng)用于清除城市涂鴉［J］.激光與紅外，2011，41(8):840 －844.

［2］ SU Xiuliang，ZHANG Xinyu.Interfacial bonding strength between surface coating and substrate and its measurement［J］.Electroplating ＆ Pollution Control，2004，24(2):6 －11.(in Chinese)蘇修梁，張欣宇.表面涂層與基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度及其測(cè)定［J］.電鍍與環(huán)保，2004，24(2):6 －11.

［3］ ZHONG Rutao，WANG Yutao，HUANG Zhijun.Laser texturing technology and equipment for roller surface［J］.Laser Journal，2010，31(6):54 －56.(in Chinese)鐘如濤，王玉濤，黃治軍.軋輥表面激光毛化技術(shù)及裝備［J］.激光雜志，2010，31(6):54－56.

［4］ WANG Dongsheng，TIAN Zhongjun，SHEN Lida，et al.Research development of nanostructured coatings prepared by laser cladding［J］.Chinese Journal of Lasers，2008，35(11):1698 －1708.(in Chinese)王東生，田宗軍，沈理達(dá)，等.激光表面熔覆制備納米結(jié)構(gòu)涂層的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)激光，2008，35(11):1698－1708.

［5］ WEN Xiangdong，CHEN Zhiyong，ZHU Weihua，et al.Insitu synthesized TiC/TiB ceramic particle composite coating by laser cladding on TC4 titanium alloy［J］.Laser ＆Infrared，2013，43(4):371 －375.(in Chinese)文向東，陳志勇，朱衛(wèi)華，等.激光原位熔覆制TiC/TiB硬質(zhì)陶瓷復(fù)合涂層［J］.激光與紅外，2013，43(4):371 －375.

［6］ TIAN Bin，ZOU Wangfang，LIU Shujing，et al.Introduction of rust removed by dry laser cleaning［J］.Cleaning World，2006，22(8):33 －38.(in Chinese)田彬，鄒萬(wàn)芳，劉淑靜，等.激光干式除銹［J］.清洗世界，2006，22(8):33 －38.

［7］ WANGZemin，ZENG Xiaoyan，HUANG Weiling，et al.Status and prospect of laser cleaning procedure［J］.Laser Technology，2000，24(2):68 －73.(in Chinese)王澤敏，曾曉雁，黃維玲.激光清洗工藝的發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.激光技術(shù)，2000，24(2):68 －73.

［8］ WU Chunyin，CAO Zexin，ZHANG Chunjie，et al.Simulation analysis on roughness of LD pumped Nd∶YAG laser texturing rolls［J］.Journal of Shenyang Normal University:Natural Science，2011，29(2):185 －188.(in Chinese)吳春穎，曹澤新，張春杰，等.LD泵浦Nd∶YAG激光毛化軋輥粗糙度的模擬分析［J］.沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，29(2):185 －188.

［9］ HUANG Wei，XU Xiaojie，ZHU Jianzhong，et al.Bond strength experiment of human dentin following pulsed Nd ∶YAG laser［J］.Chin J Laser Med Surg，2005，14(3):161 －165.(in Chinese)黃煒，許肖杰，朱建中，等.脈沖Nd∶YAG激光增加牙齒表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)激光醫(yī)學(xué)雜志，2005，14(3):161 －165.