激光清洗對碳鋼金屬材料影響的研究

劉文先 鄭軍 于天石 潘國祥

摘要：激光清洗與傳統方法相比，具有綠色環保、控制精度高等優勢，不少企業已經將其投入工業清洗中。然而，由于缺少深入的理論研究，該技術并沒有被廣泛推廣應用起來。本研究引用相關標準，從化學成分、金相組織等方面，分析激光清洗碳鋼金屬材料的表面雜質層后對材料的影響。結果表明，采用激光清洗碳鋼金屬獲得良好的清洗效果情況下，對金屬材料各項性能沒有損傷。

關鍵詞：激光清洗工藝;碳鋼金屬;清潔;高效;清洗參數

中圖分類號：TG142.2 文獻標識碼：A

金屬表面清洗工藝是現代工業生產中的重要環節。廣泛應用在焊接、加工制造等領域，激光清洗工藝與機械打磨清洗、化學清洗等傳統清洗工藝相比，具有精準度高、母材低損傷等優點[1]。本文對激光清洗工藝的原理進行了簡述，用實驗驗證了激光清洗碳鋼金屬表面各類的雜質適用性，為激光清洗的應用提供參考。

1 激光清洗工藝的原理

激光清洗其原理為利用污染層吸收激光發射束的能量、急劇膨脹的等離子體產生沖擊波使污染層被沖擊成碎片或吸收能量燃燒從而被剔除[2]。

2 實驗方法與設備

本項目采用激光清洗機（200W）型號：ML-MF-200H-LC-DBM-1，清洗的主要工藝參數分別為：激光功率[3]（功率越大輸出能量越大，清洗厚度越大）、激光頻率（單位時間的脈沖次數，頻率越小激光點越疏松，反之激光點越密集，清洗效果越平滑）、激光脈寬（壓縮的時間長短，脈寬越窄說明輸出的能量越小）、掃描頻率（激光的掃描振鏡的速度）、掃描幅度（掃描期間出光的寬度，與激光清洗頭匹配調節）。實驗試件采用的是按RCC-M 2000及2002補充1級檢測標準生產的碳鋼P280 GH，規格為：φ114.3×8.56 mm和按國家標準GB/T 700生產的Q235B，規格為：18#B槽鋼、鍍鋅板（e=10 mm）。

3 激光清洗碳鋼試件的實驗

3.1 激光清洗碳鋼試件準備條件

科研小組激光清洗實驗使用的參數表1所示：

3.2 激光清洗后母材的性能檢測

按以上清洗參數，根據其制造的標準，科研小組進行了拉伸、彎曲、沖擊、宏觀金相等理化實驗（實驗全部委托核工業工程研究設計有限公司檢測中心進行），清洗完成后清洗表面質量良好，目視檢測合格，無損檢測標準采用RCC-M 2000及2002補充1級檢測標準，實驗采用GB/T 700和RCC-M 2000及2002補充標準，各項試驗數據都在標準范圍之內，具體檢測結果如表2所示。

3.4 激光清洗件的后期加工

激光清洗試件清洗后采用RCC-M 2000及2002補遺1級檢測標準進行無損探傷和液體滲透，檢測結果均合格。理化實驗數據對比鋼材生產標準，實驗全部合格，并匯總實驗數據形成研究報告3份。

后期科研小組對基層材質為Q235B規格為φ60.3×5.54 mm（碳鋼管）、100×100 e=10 mm（鍍鋅板）、12#槽鋼（表面油漆層）每種雜質層6個進行清洗，經清洗后表面效果良好，采用RCC-M 2000及2002補遺1級檢測標準進行無損探傷和液體滲透，檢測結果均為合格。且能夠達到涂裝作業、焊接作業表面清理的要求。后期將清洗的試件進行TIG焊接和手工電弧焊焊接，后按RCC-M 2000及2002補遺1級檢測標準進行無損探傷和液體滲透，檢測結果均為合格。

4 結語

通過實驗證明激光清洗工藝對碳鋼金屬3種材料的力學性能，化學成分等沒有影響。在實驗過程中激光清洗工藝還表現出以下一些優點。

激光清洗不需使用任何化學藥劑和清洗液，清洗后的廢料為固體粉末，體積小易于回收。清洗完畢后母材表面光滑細膩，清洗精度高（激光清清洗作業前后母材厚度減小0.1～0.3 mm，磨光機清洗碳鋼試件清洗前后母材厚度減小0.8～1.3 mm且帶有局部的凹坑）。激光清洗機使用的激光波長為1064 nm，當激光短暫照射到裸露皮膚時，不會造成直接傷害，相對于常用打磨工機具具有較高的安全性。對傳統磨光機清洗過程和激光清洗過程對比，噪聲減少了25 dB，粉塵值降低了50 %，工作環境得到了改善。

科研小組統計當雜質清除率要求在90%以上試件材質：Q235B，激光清洗類型為：清洗銹蝕層φ60.3*5.54 mm效率為811.466 mm2/min;清洗鍍鋅層規格為：熱鍍鋅板（e=10 mm），效率為285.7143 mm2/min;清洗油漆層規格為：12#槽鋼，效率為2940 mm2/min。其效率高于傳統磨光機清洗方式，相對于傳統清洗較困難的疑難位置和大規模雜質清洗，激光清洗優勢更加明顯。激光清洗隨著工件清洗面越平整，其清洗效率會越高，清洗質量也會越好。相關數據采集能為下一步激光在更多領域清洗應用打下堅實的基礎。

參考文獻

[1] 邢宏楠，冉合利.激光清洗技術發展及應用[J].清洗世界，2018，34（5）：23.

[2] 陸思遠.激光清洗銹蝕鋼板的技術研究[D].武漢：華中科技大學，2017.

[3] 喬玉林，趙吉鑫.銹蝕表面的激光清洗及其元素組成分析[J].激光與紅外，2018，48（3）：299.