王昌琪，汪俊奇，楊少坤，楊 強，楊 晨，婁德元

(湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北 武漢 430068)

水垢的傳統(tǒng)清除方法主要有化學藥劑除垢、熱脹冷縮除垢、震動除垢等。而最常用的化學藥劑除垢存在著環(huán)境污染的隱患。激光清洗技術在國外已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，首次出現(xiàn)是S.M.Beadair等在1969年用調Q激光清洗鎳表面的氧和硫的污染。1975年，前蘇聯(lián)科研人員使用激光清洗海面的漂浮石油。1982年前蘇聯(lián)科學家采用20 W連續(xù)CO2激光清洗柏油路面的燃料斑和油斑。1995年之后，美國、德國和日本等國陸續(xù)開展了用激光清洗對飛機脫漆的研究[1]，針對微粒的激光清洗技術也得到了快速發(fā)展。

國內(nèi)近些年激光清洗也應用到很多領域。比如：對需要焊接的鋁合金材料表面進行激光清洗[2]；利用脈沖YAG激光對輪胎模具進行清洗[3]；清洗城市涂鴉[4]等。激光清洗主要有無接觸、可以準確定位、可以實時控制和反饋、對欲清洗對象具有可選擇性、對環(huán)境無污染對人安全、能有效清除微米級及更小尺寸的污染微粒、多用途和可靠性等優(yōu)點[5]。激光清洗技術在我國現(xiàn)已形成工藝、實時監(jiān)測表征過程模擬、設備自主研發(fā)等較為全面的研究體系。

為探索激光清洗金屬表面水垢的可行性并對比其相較于化學清洗的優(yōu)勢，本文研究金屬表面水垢形成機制，分別用激光和檸檬酸作清洗處理，并用顯微鏡、掃描電鏡和表面輪廓儀等進行形貌表征和成分檢測?？深A見的是，激光清洗以其超強的適應性，將不斷被擴展至新的領域，為清洗業(yè)帶來一場綠色革命[6]。

1 水垢的成分與形成

1.1 水垢的成分

水垢的主要成分是CaCO3，其比例80%左右，其余主要是MgCO3和Mg(OH)2，大概占了20%。

1.2 水垢的形成過程

硬水中含有大量的Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2等鹽類物質，這些鹽類以離子形式存在。燒水時，由于溫度和濃度的效應，基體的傳熱面總是首先形成鹽類的沉積，即水垢[7]。而鍋爐管內(nèi)表面相對粗糙，給鹽類的結晶提供了一個良好的基面，沉積的水垢致使表面粗糙度進一步加重，對污垢的形成及粘附起到了促進作用，所以基體表面?zhèn)鳠釓姸扔蟮牟课?，結垢愈嚴重。

1.3 污垢與基體表面的附著力

物體之間接觸時，根據(jù)物體的不同狀態(tài)，其之間的力的表現(xiàn)形式有很多種。而固體與固體之間主要是Van Der Waals力[8]和雙靜電層力。表層水垢和下層基體之間的力van der waals力和雙靜電層力是氣體分子凝聚成液態(tài)和固態(tài)的重要條件，也是決定物質熔點、沸點、溶解度、表面張力等性質的主要因素。激光清洗就是利用激光照射使基材表面所凝結的水垢成分或蒸發(fā)或融化，破壞了水垢和基材間的附著力，而基材本身則因將激光反射而不受影響，由此達到清洗的目的。

2 激光除垢

2.1 清洗裝置構成

激光清洗機構主要包括激光器、計算機、放置工件的X-Y平臺和用來控制X-Y平臺的X-Y控制器及一些輔助設備(圖1)[9]。

圖 1 激光清洗機構

2.2 除垢原理

激光清洗主要有: 激光直接輻照法(也稱激光干洗法)[10-13]、激光濕洗法[14]、激光等離子體沖擊波法[15-17]等。本實驗采用激光干洗法。

2.3 清洗機理

物體表面污染物吸收激光能量，受熱膨脹，從而克服表面吸附力，脫離物體表面。高能量的激光束在焦點處產(chǎn)生幾萬攝氏度的高溫，使污染物瞬間氣化、蒸發(fā)或分解。高頻率的脈沖激光沖擊物體表面，在固體表面產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使表面污染物破碎脫落[18]。

激光清洗過程中的基體動力學過程是：物體吸收入射光能量—產(chǎn)生瞬態(tài)超熱—溫度驟然升高—基體表面的熱膨脹對表層附著水垢產(chǎn)生一個很大的加速度—水垢脫落—達到清洗目的。

設基體表面是自由表面，則表面的溫升

ΔT=(1-R)F/(μ×ρ×c)

(1)

式中：R為表面的激光反光率，ρ為基體密度，c為比熱容，μ為激光持續(xù)時間內(nèi)基體中的熱擴散長度，F(xiàn)為單位面積入射的激光能量。

由溫升ΔT導致的基體膨脹

H≈α×μ×ΔT=(1-R)F×α/(ρ×c)

(2)

其中α為熱膨脹系數(shù)。

在強吸收的條件下，取F=1 J/cm2，α=10-5/K，ρ=3 g/cm3，c=0.4 J/(g×K)，那么，H約為10-6cm量級。取照射時間t=10 ns，就有α′≈H/t2≈1010cm/s2(α′為膨脹率，可理解為膨脹加速度)，大約是重力加速度的106量級。該量級的膨脹加速度足以使水垢剝落[19]。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗設備與參數(shù)

本次實驗采用功率為74 W的納秒激光器。在將功率固定在70 W、掃描頻率為50 kHz，光斑直徑為42 μm而改變掃描速度的條件下進行。掃描速度分別為200 mm/s、500 mm/s、1000 mm/s、2000 mm/s、4000 mm/s、0 mm/s(即不做任何處理)的條件下對基體進行清洗。

3.2 不同速度激光處理后鋁合金表面顯微結構與輪廓

實驗的基體是覆滿水垢的1A99鋁制熱水壺底樣品。實驗除了用激光對基體進行清洗，還進行了純水垢的顯微照片與粗糙度檢測，以此作為激光清洗可行性的對比實驗。

表1為 200 mm/s、500 mm/s、1000 mm/s、2000 mm/s、4000 mm/s、0 mm/s(即不做任何處理)激光掃描后基體在顯微鏡下的表面形貌。

表1 不同掃描速度下實驗基體的表面形貌

基體在200 mm/s、500 mm/s、1000 mm/s、2000 mm/s、4000 mm/s、0 mm/s激光清洗后輪廓儀測得的粗糙度值如表2所示。4000 mm/s激光處理過后可以得到表2所示參數(shù)最優(yōu)化的表面，其對應的處理后表面粗糙度為7.264，而水垢本身的表面粗糙度為6.875。這是因為水垢的主要成分為CaCO3，對所用波長為1064 nm 激光的吸收率較高，高溫作用下存在如下吸熱反應[20]:

CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)

ΔH= +175.6 kJ/mol

(3)

式中，s,g分別表示固體和氣體。

而在水垢成分對波長1064 nm 激光吸收率一定的情況下，受激光器設定功率和掃描速度的影響，單位時間內(nèi)單位體積水垢吸收的能量不同，其中一部分能量優(yōu)先被CaCO3吸收，用于光分解反應，空氣、反應生成的CO2等氣體的崩離。若激光器參數(shù)設定不合理導致單位時間內(nèi)照射到水垢表面能量過多，則能量會有剩余，從而傷及基體表面，導致粗糙度略微提升。由表2可知，試驗所選參數(shù)并非激光清洗的最佳參數(shù)，但已足夠說明激光清洗的可行性。

表2 不同掃描速度下清洗后輪廓儀測得粗糙度值

3.3 不同速度激光及檸檬酸處理后304不銹鋼表面結構與輪廓

為了比較激光和化學清洗的效果差異，分別做了激光清洗和化學清洗實驗，并對清洗后的304不銹鋼樣品進行檢測，記錄其光學和表面輪廓(表3)。

表3 不同處理方式對應的清洗效果

從表3可以看出，激光清洗后的基體表面有很強的金屬光澤。在燒水時，304不銹鋼會與水或者水中物質發(fā)生化學反應而留下凸凹不平的痕跡，經(jīng)過激光清洗后，可以很清晰地將基底顯現(xiàn)出來。檸檬酸洗(檸檬酸清洗是將檸檬酸滴在基體表面，并保持2 h)樣品從圖片中無法看出金屬光澤，且清洗時間較久，表面還有水垢殘留?；w在3000 mm/s、3500 mm/s、4000 mm/s、4500 mm/s、5000 mm/s激光清洗后輪廓儀測得粗糙度值如表4所示。檸檬酸清洗后的表面粗糙度Ra為20.38 μm，因未能清洗干凈，其表面凹凸感不明顯，其粗糙度值較小。

表4 不同掃描速度下清洗后輪廓儀測得粗糙度值

由表4中的粗糙度值來看，掃描速度為4500 mm/s時可以得到最好的清洗效果。

3.4 檢測及結論分析

為了顯示清洗效果，對部分樣品做了SEM檢測，測出樣品表面元素含量，以定量說明清洗質量。檢測樣品共4份，其中樣品1是掃描速度為5000 mm/s的激光清洗樣品，樣品2是檸檬酸洗的樣品，樣品3是未清洗的樣品，樣品4是304不銹鋼。

表5是通過掃描電鏡所得的4個樣品的表面元素平均值和標準304不銹鋼的質量分數(shù)表，表中空格表示未檢測到該元素。為了更加直觀的對比實驗結果，將樣品各點元素含量質量分數(shù)取平均值(圖2)，對照304不銹鋼元素含量表，樣品1中除了氧元素，其他的元素都是304不銹鋼中含有的，而未經(jīng)處理的樣品3中含有大量的鎂、鋅、氯、鋁、鈣、銅、鉀等304不銹鋼中不含有的元素，說明激光已將含有這些元素的物質(即水垢)去除。

表5 SEM檢測樣品表面的元素含量 %

圖2 掃描電鏡表面元素含量平均質量分數(shù)統(tǒng)計

化學法清洗的樣品2，雖然相對樣品3元素較少，但鎂、鋅、氯、鋁等水垢成分元素含量分別為1.06%，0.73%，0.09%和0.23%，則說明有污垢物質殘留。而激光清洗的檢測結果中這類元素的含量均為0。通過直觀對比圖3、圖4中部分樣品掃描電鏡照片，能更清楚地說明結論。

圖 3 未清洗的樣品表面

從圖3a中可見樣品表面污垢密集。圖3b為樣品局部掃描電鏡圖片，從檢測數(shù)據(jù)來看，該點Ca元素質量分數(shù)達3.12%，其中還有Mg，Zn等304不銹鋼中不含有的元素，而Fe元素質量分數(shù)只有37.02%，可以看出表面沉積有很多污垢。

圖 4 清洗后的電鏡照片

圖4是酸洗和激光清洗后基體表面的電鏡照片。從中可以明顯看出，激光清洗后的樣品表面紋理更加明顯，而檸檬酸洗后的表面依然很模糊，無法看到金屬表面。所以，激光清洗污垢更加徹底。綜上所述，激光清洗相較于化學清洗具優(yōu)越性和穩(wěn)定性。

4 結論

1)金屬表面水垢激光清洗的粗糙度Ra為7.264 μm，遠小于檸檬酸洗的20.38 μm，但都高于水垢表面的6.875 μm。

2)通過分析激光清洗后樣品的掃描電鏡能譜知，其僅含304不銹鋼中的元素，即水垢已經(jīng)除凈；而酸洗樣品表面有水垢殘留，且殘留質量分數(shù)最高為1.06%。

3)激光清洗的高速、表面平整、穩(wěn)定、無殘留、環(huán)保等特點，符合綠色生產(chǎn)的要求，清洗速度可達130 cm2/min，且清洗效果優(yōu)于傳統(tǒng)化學方法，可應用于水箱和和熱工鍋爐等水垢清洗。