喬玉林,趙吉鑫,王思捷,蔡志海,張 晶,張國新

(1.裝甲兵工程學院機械產(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)生化學或電化學反應,使金屬發(fā)生腐蝕,造成零部件的使用性能顯著下降,嚴重時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械除銹(包括噴砂)法、高壓水射流除銹法、化學除銹法。機械除銹法存在強度大,固體廢棄物污染嚴重；化學除銹法在清洗過程中常常引入有毒的化學物質(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,同時造成水資源的大量浪費；另外,上述除銹法存在工藝比較復雜,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)表面銹蝕進行了激光清洗試驗,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)在銹蝕清洗領域的應用提供基礎。

2 實驗材料、儀器與方法

2.1 實驗材料與銹蝕樣品制備

實驗材料:實驗所用樣品基材為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)量百分數(shù)為3.5 wt%的NaCl水溶液,每10天將水量補充到2 L。3個月后取出45碳鋼樣品,即可獲得帶銹的試驗樣品。

2.2 激光清洗設備與除銹方法

高重頻高能量激光清洗設備由裝甲兵工程學院機械產(chǎn)品再制造國家工程研究中心與北京國科世紀激光技術(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,同時確定移動工作平臺的運動速度,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)閉激光器光源和計算機主機。

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時的低,說明200 W時的除銹效果不及500 W時的除銹效果。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。當激光峰值功率密度過大時,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；當激光峰值功率密度過小時,激光能量沒有達到激光清洗閾值,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。在上述試驗除銹試驗中,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,與重復頻率成反比。激光平均功率為200 W時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?？梢钥闯?原始銹層的Fe元素含量低,O元素的含量高。這是因為銹層中主要含有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。當激光掃描速度在3.0～6.0 cm2/s時,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；當激光掃描速度為6.0 mm/s時,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。

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。可以看出,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?？梢钥闯?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。可以看出,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)點元素分析。

圖7 激光清洗銹蝕表面的激光光斑內(nèi)點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會發(fā)生惰性反應,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,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)表面銹蝕進行了激光清洗試驗,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,生成新的氧化鐵膜。

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