喬玉林,趙吉鑫,王思捷,蔡志海,張 晶,張國新

(1.裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國家工程研究中心,北京 100072；2.北京國科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司,北京 100192)

1 引 言

鋼鐵零部件表面與其周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng),使金屬發(fā)生腐蝕,造成零部件的使用性能顯著下降,嚴(yán)重時(shí)會顯著降低零部件的使用壽命[1]。傳統(tǒng)的除銹方式多采用機(jī)械除銹(包括噴砂)法、高壓水射流除銹法、化學(xué)除銹法。機(jī)械除銹法存在強(qiáng)度大,固體廢棄物污染嚴(yán)重；化學(xué)除銹法在清洗過程中常常引入有毒的化學(xué)物質(zhì),易形成零部件的二次腐燭,并容易對環(huán)境造成二次污染；高壓水射流除銹法在清洗過程易造成表面損傷,同時(shí)造成水資源的大量浪費(fèi)；另外,上述除銹法存在工藝比較復(fù)雜,除銹效率不高,清洗質(zhì)量難以精確控制等不足[2-7]。

自激光器問世以來,激光技術(shù)已被應(yīng)用于清除金屬表面的銹蝕[8-11]。Wang等[12]研究了激光能量密度、脈沖重復(fù)頻率、掃描速度等激光參數(shù)對A3鋼表面銹燭去除的影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過激光清洗的A3鋼表面的抗腐蝕性能得到了改善。Kwok[13]和Conde[14]等分別使用千瓦級連續(xù)Nd∶YAG激光和CO2激光在氬氣環(huán)境下照射不銹鋼材料表面,發(fā)現(xiàn)激光照射引起了材料表面的熔化,在鋼鐵表面形成了一層均勻的、厚度非常小的、呈胞狀枝形結(jié)構(gòu)的薄膜,并具有良好的抗腐蝕性能。沈全等[15]研究了激光清洗銹蝕對基體表面粗糙度的影響,發(fā)現(xiàn)激光清洗表面的粗糙度值隨著激光功率、掃描次數(shù)的增大而增大,隨著掃描速度的增大而減小。邱兆飚等[16]采用波長為1.06 μm的脈沖激光進(jìn)行了除銹工藝研究,發(fā)現(xiàn)激光除銹后的船用鋼材的抗腐蝕性能是用砂紙打磨樣品的2～3倍。目前,激光清洗參數(shù)對除銹效果、除銹質(zhì)量的影響已有不少研究,但對激光清洗表面組成元素及其相對含量的研究很少,因此本文利用波長為1064 nm的高重頻高能量激光對鋼質(zhì)表面銹蝕進(jìn)行了激光清洗試驗(yàn),分析了激光清洗表面微區(qū)的形貌和組成變化,為激光清洗技術(shù)在銹蝕清洗領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)材料、儀器與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與銹蝕樣品制備

實(shí)驗(yàn)材料:實(shí)驗(yàn)所用樣品基材為45碳鋼,主要成分是Fe、C,還含有少量Mn、Si、S、P等雜質(zhì)元素。45碳鋼樣品尺寸為100 mm×100 mm。

銹蝕樣品制備:將100 mm×100 mm的45碳鋼樣品打磨,然后將其放入丙酮溶液內(nèi)超聲清洗5 min,然后在空氣中自然風(fēng)干。將清潔干燥的45碳鋼樣品懸掛于距離不銹鋼槽底部20 cm的正上方,然后在不銹鋼槽內(nèi)放入2 L質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3.5 wt%的NaCl水溶液,每10天將水量補(bǔ)充到2 L。3個(gè)月后取出45碳鋼樣品,即可獲得帶銹的試驗(yàn)樣品。

2.2 激光清洗設(shè)備與除銹方法

高重頻高能量激光清洗設(shè)備由裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國家工程研究中心與北京國科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司共同研制,主要由激光器單元組件、耦合準(zhǔn)直聚焦組件、電氣單元組件、控制單元組件、冷卻單元組件、除塵凈化組件組成。該設(shè)備的激光輸出波長為1064 nm、輸出功率≥600 W、功率穩(wěn)定性RMS≤3%@4h、重復(fù)頻率5 kHz～20 kHz、發(fā)散角≤2 mrad、聚焦后激光直徑≤1 mm、加工寬度≤70 mm、加工頭焦距200 mm、脈沖寬度50 nm～100 nm、光束近高斯分布、光纖長度≥20 m,可見光與主機(jī)激光指示精度≤1 mm、具有除塵凈化功能、激光整體密封。

激光清洗碳鋼銹蝕表面步驟如下:(1)將待清洗的樣品固定放置在二維(2D)工作臺中,并將激光清洗頭固定在樣品上方的固定位置；(2)打開激光清洗光源,選擇激光清洗參數(shù),本試驗(yàn)選擇的激光清洗參數(shù)為:其中波長1064 nm、激光功率為200 W～500 W、脈沖寬度為80 ns、脈沖重復(fù)頻率為5 kHz～15 kHz、掃描寬度為5 cm、激光清洗路徑為S型；(3)開啟激光光束開關(guān),通過調(diào)節(jié)離焦量,將激光光斑聚焦到待清洗的銹蝕樣品表面,同時(shí)確定移動工作平臺的運(yùn)動速度,開始清洗,并通過吸塵裝置吸除煙塵；(4)清洗完成后,先關(guān)閉激光光束開關(guān),然后分別關(guān)閉激光器光源和計(jì)算機(jī)主機(jī)。

2.3 激光清洗表面的微區(qū)分析

采用Nova NanoSEM50掃描電子顯微鏡分析激光清洗表面的SEM形貌以及表面元素組成及其相對含量。

3 工藝參數(shù)對激光清洗銹蝕表面質(zhì)量的影響

表1給出了主要清洗參數(shù)下激光除銹效果。從表1可以看到,所有銹蝕樣品表面銹蝕層均已被清洗掉,表面呈亮白金屬色,但激光功率為200 W時(shí)表面殘留銹斑痕跡,其清洗表面Fe元素的相對含量較500 W時(shí)的低,說明200 W時(shí)的除銹效果不及500 W時(shí)的除銹效果。這是由于銹蝕能否清洗干凈與激光清洗閾值有關(guān),而激光清洗閾值又與激光峰值功率密度有極大關(guān)系。當(dāng)激光峰值功率密度過大時(shí),激光能量超過了激光清洗閾值,激光清洗表面會出現(xiàn)燒傷；當(dāng)激光峰值功率密度過小時(shí),激光能量沒有達(dá)到激光清洗閾值,激光清洗表面清洗不干凈。激光峰值功率密度(F)=4P/·πD2·τ,其中為重復(fù)頻率,D為光斑直徑,P為激光平均功率,τ為脈沖寬度。在上述試驗(yàn)除銹試驗(yàn)中,光斑直徑D和脈沖寬度τ為固定的,因此激光峰值功率密度F與激光功率P呈正比,與重復(fù)頻率成反比。激光平均功率為200 W時(shí)激光峰值功率密度小,激光束不足以一次將其徹底清除。

表1 主要清洗參數(shù)下激光除銹效果

注:其他激光清洗參數(shù):波長1064 nm、掃描速度:5.0cm2/s、脈沖寬度:80 ns、搭接率5%。

表2給出了掃描速度對激光清洗前后表面元素含量的影響。可以看出,原始銹層的Fe元素含量低,O元素的含量高。這是因?yàn)殇P層中主要含有Fe2O3.nH2O(n≤3)成分,O元素的含量增加,從而Fe元素的相對含量降低。當(dāng)激光掃描速度在3.0～6.0 cm2/s時(shí),Fe元素的相對含量呈逐漸增大的趨勢,O元素的相對含量呈逐漸降低的趨勢,C元素的相對含量基本保持不變,這說明銹層在不同程度上被清除；當(dāng)激光掃描速度為6.0 mm/s時(shí),Fe元素的相對含量最高,O元素的含量最低,說明銹層去除效果最明顯。因此在相同激光參數(shù)下,激光清洗銹蝕時(shí)掃描速度為6.0 cm2/s,清洗效果最佳。

表2 掃描速度對激光清洗前后表面元素含量的影響

注:波長1064 nm、激光功率500 W、脈沖頻率10 kHz、脈沖寬度80 ns、搭接率5%。

4 激光清洗銹蝕表面的元素組成分析

圖1給出了碳鋼銹蝕表面激光清洗后不同放大倍數(shù)的SEM圖?？梢钥闯?激光清洗銹蝕表面出現(xiàn)非常明顯的激光光斑痕跡,其直徑為50 μm左右。在激光光斑內(nèi)清洗表面平整光滑,但在激光光斑痕跡處出現(xiàn)一些微坑,這可能是光斑搭接處受到2～3次脈沖激光照射,使搭接處溫度升高,發(fā)生熔融、急冷造成的。

圖1 碳鋼銹蝕表面激光清洗后的SEM圖

圖2給出了激光清洗銹蝕表面的元素組成及其相對含量?？梢钥闯?碳鋼表面銹蝕經(jīng)激光清洗后,清洗表面主要由Fe、C、Mn、Si元素組成,其中Fe、Mn、Si三種元素是碳鋼本身所含的元素。清洗表面還含有C元素,其相對百分含量大約是6.23 wt%,主要是清洗表面在空氣中吸附的污染碳。清洗表面沒有檢測出氧元素的存在,這表明碳鋼表面的銹蝕被完全清洗干凈,而且在激光清洗腐蝕表面過程中也沒有發(fā)生氧化反應(yīng)。

圖2 激光清洗碳鋼表面的元素組成和相對含量

圖3給出了激光清洗銹蝕表面激光光斑痕跡內(nèi)微區(qū)的元素組成及其相對含量?？梢钥闯?在激光光斑痕跡內(nèi),元素C的相對百分含量很少,大約是6.02 wt%,元素Fe的相對百分含量大約是92.4 wt%,沒有檢測出元素氧的存在。這表明在激光清洗銹蝕的光斑痕跡內(nèi),銹蝕被完全清洗干凈,而且在激光清洗表面沒有發(fā)生氧化過程,沒有氧化鐵的存在。

圖3 激光清洗銹蝕表面激光光斑痕跡內(nèi)的微區(qū)元素組成和相對含量

圖4給出了激光清洗銹蝕表面激光光斑痕跡內(nèi)不光滑微區(qū)的元素組成和相對含量。可以看出,不光滑的微區(qū)內(nèi)元素C的相對百分含量大約是7.81 wt%,元素Fe的相對百分含量大約是50.26 wt%,元素O的相對百分含量大約是39.63 wt%,元素O的大量存在,表明不光滑微區(qū)內(nèi)有金屬氧化物存在,這可能是激光清除下來的銹蝕顆粒沒有被吸塵系統(tǒng)即時(shí)吸除,而殘留在激光清洗表面的緣故。

圖5給出了激光清洗銹蝕表面激光光斑搭接處微區(qū)的元素組成和相對含量?？梢钥闯?激光光斑搭接處元素Fe的相對含量為92.48 wt%,與圖2比較,Fe的相對含量基本一致,說明在光斑搭接處銹蝕已被清洗干凈。與圖2～4比較,激光光斑搭接處的元素C的相對含量沒有明顯變化,其變化范圍在6.02～6.69 wt%之間,這很可能是激光清洗銹蝕后清潔表面在空氣中吸附的污染碳。

圖6 給出了激光清洗碳鋼表面的元素線掃描分析?？梢钥闯?元素Fe和O的線掃描曲線都比較平滑,沒有發(fā)現(xiàn)元素顯著變化區(qū)域,表明激光清洗銹蝕表面激光光斑痕跡內(nèi)以及激光光斑搭接處的元素相對含量相似,這與圖3和圖5的分析結(jié)果一致。

圖4 激光清洗銹蝕表面的激光光斑內(nèi)不光滑微區(qū)元素組成和相對含量

圖5 激光清洗銹蝕表面激光光斑搭接處的微區(qū)元素組成和相對含量

圖6 激光清洗碳鋼表面的元素組成和相對含量的線掃描圖

圖7～圖9分別給出了不同微區(qū)內(nèi)點(diǎn)元素分析。

圖7 激光清洗銹蝕表面的激光光斑內(nèi)點(diǎn)元素組成和相對含量

圖8 激光清洗銹蝕表面的激光光斑二次搭接處的點(diǎn)元素組成和相對含量

圖9 激光清洗銹蝕表面的激光光斑三次搭接處點(diǎn)的元素組成和相對含量

由圖7～圖9可以看出,激光光斑內(nèi)C元素的相對含量為12.93 wt%,略高于光斑二次搭接處C元素的相對含量(12.26 wt%),但要明顯高于光斑三次搭接處C元素的相對含量(7.22 wt%),這可能是由于高能激光掃描清洗表面時(shí)會發(fā)生惰性反應(yīng),掃描次數(shù)越多,表面惰性越高,清洗表面在空氣中吸附的污染碳越少。在激光光斑內(nèi)、光斑二次搭接處和光斑三次搭接處的點(diǎn)元素分析都沒有發(fā)現(xiàn)元素O的存在,這說明碳鋼表面的銹蝕能被激光清洗干凈,而且在激光清洗銹蝕過程中不會發(fā)生鐵元素與氧元素的氧化反應(yīng),生成氧化鐵膜。

5 結(jié) 論

采用波長為1064 nm的高重頻高能量激光對鋼質(zhì)表面銹蝕進(jìn)行了激光清洗試驗(yàn),研究了不同激光工藝參數(shù)下鋼質(zhì)表面銹蝕的激光清洗效果,分析了激光清洗后的不同類型表面的微區(qū)形貌及元素組成變化。主要結(jié)論如下:

1)脈沖激光能夠有效清洗碳鋼表面的銹蝕,在波長為1064 nm、激光功率為500 W、脈沖頻率為10 kHz、脈沖寬度為80 ns,清洗速度為6.0 cm2/s、搭接率為5%的清洗參數(shù)下激光清洗銹蝕效果最佳。

2)在激光光斑內(nèi)以及光斑搭接處,Fe元素的相對含量很高,但未檢測出氧元素的存在,說明碳鋼表面上的銹蝕能被激光清洗干凈,而且在激光清洗銹蝕過程中也沒有發(fā)生鐵元素與氧元素的氧化反應(yīng),生成新的氧化鐵膜。

[1] JI Xiaochao,ZHANG Wei,YU Helong,et al.Research progress of the green cleaning technologies in the remanufacturing of mechanical and electrical products[J].Materials Review,2012 26(s2):114-117.(in Chinese)

吉小超,張偉,于鶴龍,等.面向機(jī)電產(chǎn)品再制造的綠色清洗技術(shù)研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2012,26(s2):114-117.

[2] HU Bolin,SONG Shouxu,WANG Yulin.Study on the ultrasonic cleaning technology for remanufacturing[J].Mechanical Science & Technology for Aerospace Engineering,2014,33(1):88-92.(in Chinese)

胡柏林,宋守許,王玉琳.面向再制造的超聲波清洗技術(shù)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2014,33(1):88-92.

[3] LI Maosheng.The developments of metal cleaning[J].Lubrication Engineering,2009,34(3):105-108.(in Chinese)

李茂生.金屬加工行業(yè)清洗技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].潤滑與密封,2009,34(3):105-108.

[4] GUO Qi,LI Fangyi,LI Suo,et al.Research on decontamination effect and damage of high-pressure water Jet Cleaning to Matrix[J].China Mechanical Engineering,2014,25(6):817-820.(in Chinese)

郭琦,李方義,李碩,等.高壓水射流清洗對基體去污效果及損傷的研究[J].中國機(jī)械工程,2014,25(6):817-820.

[5] LIU Shiwei,CHEN Ming.Cleaning technology of remanufacturing automobile products:principle and methods[J].Machine Design & Research,2009,25(5):71-74.(in Chinese)

劉詩巍,陳銘.汽車產(chǎn)品再制造的清洗技術(shù):原理與方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2009,25(5):71-74.

[6] REN Gongchang,YU Fenghai,CHEN Hongliu.Present situation and development trend of green remanufacturing cleaning technology[J].Machine Tool & Hydraulics,2014,42(3):158-161.(in Chinese)

任工昌,于峰海,陳紅柳.綠色再制造清洗技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究[J].機(jī)床與液壓,2014,42(3):158-161.

[7] HOU Mei,ZHANG Chuanjun.A comparative research on several advanced way of removing rust in modern industry[J].Mechanical Research & Application,2007,20(4):19-20.(in Chinese)

侯玫,張傳俊.現(xiàn)代工業(yè)中幾種先進(jìn)除銹方法的對比研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2007,20(4):19-20.

[8] TONG Yanqun,ZHANG Yongkang,YAO Hongbing,et al.Real-Time monitoring system for laser derustingbased on plasma intensity[J].Chinese Journal of Lasers,2011,38(10):84-87.(in Chinese)

佟艷群,張永康,姚紅兵,等.基于等離子體光強(qiáng)信號的激光除銹實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)[J].中國激光,2011,38(10):84-87.

[9] XIE Yufei,LIU Hongwei,HU Yongxiang.Determining process parameters for laser derusting of ship steel plates[J].Chinese Journal of Lasers,2016,(4):103-110.(in Chinese)

解宇飛,劉洪偉,胡永祥.船舶板材激光除銹工藝參數(shù)確定方法研究[J].中國激光,2016,(4):103-110.

[10] GAO Wenwen,GUO Liang,XU Peiyin.Effects of process parameters on 304 stainless steel surface cleaning treated by 532 nm laser[J].Applied Laser,2016,(2):199-204.(in Chinese)

高雯雯,郭亮,許佩吟.532 nm激光工藝參數(shù)對304不銹鋼表面清洗的影響[J].應(yīng)用激光,2016,(2):199-204.

[11] Daurelio G,Chita G,Cinquepalmi M.Laser surface cleaning,de-rusting,de-painting and de-oxidizing[J].Applied Physics A,1999,69(1):S543-S546.

[12] Wang Z,Zeng X,Huang W.Parameters and surface performance of laser removal of rust layer on A3 steel[J].Surface & Coatings Technology,2003,166(1):10-16.

[13] Kwok C T,Man H C,Cheng F T.Cavitation erosion and pitting corrosion of laser surface melted stainless steels[J].Surface & Coatings Technology,1998,99(3):295-304.

[14] Conde A,Cola?o R,Vilar R,et al.Corrosion behaviour of steels after laser surface melting[J].Materials & Design,2000,21(5):441-445.

[15] SHEN Quan,TONG Yanqun,MA Guidian,et al.Study on surface roughness of the substrate after laser derusting[J].Laser & Infrared,2014,44(6):605-608.(in Chinese)

沈全,佟艷群,馬桂殿,等.激光除銹后基體表面粗糙度的研究[J].激光與紅外,2014,44(6):605-608.

[16] QIU Zhaobiao,ZHU Haihong.Process parameter study on the removing rust using pulsed laser[J].Applied Laser,2013,33(4):416-420.(in Chinese)

邱兆飚,朱海紅.脈沖激光除銹工藝研究[J].應(yīng)用激光,2013,33(4):416-420.