金属表面腐蚀层及涂层的激光干式清洗研究进展

激光干式清洗方法,因操作简单、清洗过程易于控制等优点,目前应用最为广泛。重点介绍了激光干式清洗在各种金属材质表面不同腐蚀层和涂层清除中的应用,包括有多种钢材表面的锈层,钢材表面的ZrO2、Cr2O3、Al2O3变性层,热轧钢表面高温氧化层,Ti合金表面富氧α相层,合金钢在H2S环境中腐蚀而形成的硫化层,钢、铝合金、钛合金表面漆层,热压成型钢板表面Al-Si涂层以及航空压缩机Ti合金叶片TiAlN涂层等。分类对比了不同清洗对象所需选用的合适激光清洗工艺参数,如波长、脉宽、频率、功率、扫描速率等。金属材料激光干式清洗多选用波长为1064 nm的纳秒激光器,清洗后表面粗糙度可达1μm,且随着能量输入的升高而增大。锈层的去除主要依靠高温烧蚀作用,变性层是由于产生的热弹性应力而剥离,而漆层和涂层则是由于烧蚀气化、热振动、热冲击等机制实现清洗。最后,对激光清洗技术在国内不同工业领域中的应用前景进行了展望。     

脉冲激光对6106铝合金表面形貌及氧含量的影响

研究了脉冲激光清洗在不同的清洗速度以及不同的脉冲重复频率下铝合金表面形貌以及表面氧元素含量的影响。试验结果表明,在清洗速度较低时(0.1~0.6 m/min),铝合金激光清洗过的表面呈溅射重叠的状态,当清洗速度大于0.8 m/min时,脉冲激光在铝合金表面的形成的冲击坑逐渐变得分散、独立;铝合金表面氧元素整体的含量随清洗速度的增减呈先下降后增加的趋势,在清洗速度较小或者较大时,氧元素含量均接近母材表面氧元素含量水平,氧元素含量分布具有明显的区域性,脉冲激光冲击坑的位置氧元素含量明显高于周围未冲击位置。随脉冲重复频率的增加,铝合金表面形貌由独立冲击坑逐渐过渡为溅射重叠的状态,表面氧元素整体含量明显下降,约为母材氧含量的1/2,氧元素的分布也逐渐变为弥散。     

脉冲激光对6106铝合金表面形貌及氧含量的影响

研究了脉冲激光清洗在不同的清洗速度以及不同的脉冲重复频率下铝合金表面形貌以及表面氧元素含量的影响。试验结果表明,在清洗速度较低时(0.1～0.6 m/min),铝合金激光清洗过的表面呈溅射重叠的状态,当清洗速度大于0.8 m/min时,脉冲激光在铝合金表面的形成的冲击坑逐渐变得分散、独立;铝合金表面氧元素整体的含量随清洗速度的增减呈先下降后增加的趋势,在清洗速度较小或者较大时,氧元素含量均接近母材表面氧元素含量水平,氧元素含量分布具有明显的区域性,脉冲激光冲击坑的位置氧元素含量明显高于周围未冲击位置。随脉冲重复频率的增加,铝合金表面形貌由独立冲击坑逐渐过渡为溅射重叠的状态,表面氧元素整体含量明显下降,约为母材氧含量的1/2,氧元素的分布也逐渐变为弥散。     

能量输入对TC4钛合金纳秒脉冲激光清洗质量的影响

采用不同功率和脉宽的纳秒脉冲激光,对TC4钛合金表面氧化层(厚度约25μm)进行了激光清洗试验研究,分析了激光能量输入对清洗后表面形貌、粗糙度以及氧化层去除厚度的影响。结果表明:在激光功率300 W、脉宽60 ns条件下能获得较好的清洗效果,且基材未受到明显损伤。相同脉宽下氧化层去除厚度随激光功率的增大而增加,相同激光功率下去除厚度随脉宽的增大先增大后减小。相同脉宽下表面粗糙度随激光功率的增大先减小后增大,在脉宽60 ns、功率300 W条件下粗糙度最小。清洗后的TC4钛合金表面存在纳米级微裂纹,增加脉宽可以有效抑制微裂纹产生。     

激光清洗纯铝设备线夹工艺及其对电导率的影响

目的 采用激光干式清洗法对模拟纯铝设备线夹的氧化污染表面进行清洗。方法 采用纳秒脉冲激光清洗纯铝板的氧化污染表面。在扫描电镜(SEM)下观察激光清洗前后表面,并采用X射线能谱分析(EDS)测试并分析其元素质量分数。利用电导率测量仪(SIGMATEST 2.069)检测其表面电导率。采用超景深三维显微镜观察激光清洗前后铝板表面形貌,研究激光清洗对其表面形貌、元素含量及电导率的影响规律,从而确定最佳的激光清洗工艺参数。结果 激光干式清洗可有效去除氧化污染表面的O元素和Cl元素,清洗后表面Al、O、Cl元素的质量分数分别达94.02%、5.95%和0.03%,Al元素质量分数较氧化污染表面的37.36%最高提升了151.66%,O和Cl元素则较未清洗表面的59.55%和3.09%最多分别降低了90.01%和99.03%。清洗后的表面电导率可达34.88 MS/m,较氧化污染铝板表面的32.00 MS/m提升9%。最终确定最佳激光清洗工艺为:激光功率120 W,重复频率60 kHz,扫描速度2 875 mm/s,填充线间距0.058 mm,扫描次数3次。结论 激光干式清洗可有效去除铝板氧化污染表面的杂质元素,使得铝元素质量分数大幅提高,并因此提高铝板表面的电导率。     

飞机蒙皮纳秒脉冲激光除漆工艺与机理研究

目的 寻求2024航空铝合金基体表面环氧漆层纳秒脉冲激光去除的最佳工艺参数。方法 运用正交试验方法,通过改变激光功率、脉冲频率和扫描速度等参数,结合三维轮廓仪和扫描电子显微镜分析试样表面除漆后的微观形貌和残漆率。同时,为了研究激光除漆机理,采用能谱仪和拉曼光谱仪分析除漆前后环氧漆层成分的变化情况。结果 工艺参数对试样除漆后残漆率的影响的主次顺序为扫描速度、激光功率、脉冲频率。当扫描速度较小时,随着激光功率的提高,激光烧蚀效应占据主导地位。在增加脉冲频率时,单脉冲激光能量密度随之减小,激光烧蚀效应减弱,除漆效果变差。实验以残漆率为优化指标,获得的最佳除漆工艺参数组合为扫描速度60 mm/s、激光功率7 W、脉冲频率20 kHz。使用此工艺参数测得试样表面的残漆率平均值为0.02。结论 通过选择合适的工艺参数,采用纳秒脉冲激光可以有效去除铝合金基体表面的环氧漆层,并且不会损伤基体。除漆机理以激光烧蚀效应和热振动效应为主,漆层被激光烧蚀后形成碳化物,经过二次激光清洗,碳化物受到热振动效应作用可被基本去除,该研究可为今后飞机蒙皮除漆工艺参数的确定提供参考。     

工艺参数对激光清洗GFRP脱模剂层影响研究

目的 有效去除GFRP表面的脱模剂,保证对玻璃纤维损害降到最低,并提高表面粗糙度。方法 运用正交试验法,采用红外脉冲激光对玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)表面喷覆黑漆层的脱模剂层进行去除试验,研究激光的平均功率(15、20、25、30 W)、激光扫描速度(240、250、255、260 mm/s)和激光脉冲频率(70、80、90、100 kHz)对清洗后试件表面形貌和微观组织的影响规律,分别探讨不同激光参数下对GFRP材料表面粗糙度及胶接强度的影响规律。结果 在激光参数为平均功率P=25 W、激光扫描速度v=255 mm/s、激光脉冲频率f=100 kHz下,可将脱模剂有效去除,且保留了玻璃纤维的完整性,同时表面粗糙度值Sa由原来的0.684 μm增加到稳定值(4.5±0.3)μm。随着平均功率的增大,试件表面粗糙度值Sa逐渐增大,其胶接强度高于未表面处理的胶接强度。随着扫描速度的增大,试件表面粗糙度值Sa先减小、后增大。随着脉冲频率的增大,试件表面粗糙度值Sa逐渐减小。结论 最佳试验制备激光清洗工艺参数为平均功率P=25 W、激光扫描速度v=255 mm/s、激光脉冲频率f =100 kHz,在此参数下能有效去除脱模剂,玻璃纤维损害降到最低,并提高表面粗糙度,有效保证GFRP板材表面质量,同时还有利于提高复合材料之间的胶接强度。该研究结果可为航空领域复合材料脱模剂的激光清洗提供工艺参数参考。     

热输入参量对激光清洗TA15表面氧化层的影响

探索使用1064 nm准连续激光清洗TA15钛合金表面氧化层,验证了激光清洗TA15表面氧化层的可行性,使用SEM、XPS及三维形貌仪等仪器,分析了激光功率、离焦量、清洗速度等热输入量相关工艺参数变化对激光清洗表面质量的影响,并通过表面组分测试,分析了激光清洗TA15表面氧化层的效果。结果表明,TA15钛合金粗糙度随着激光功率的增大而降低、随着离焦量的增大而增大,而清洗速度的提高会导致粗糙度先降低后增加;激光清洗TA15最优工艺参数为功率400 W、离焦量0 mm、清洗速度5 mm/s,清洗后表面形貌良好,粗糙度Ra约为0.18μm。使用最优工艺获得的清洗件经XPS图谱分析,其激光清洗前钛合金表面成分为主要TiO_2,激光清洗后表面成分为Ti,受到清洗残渣干扰,存在微量Ti=O键。     

ZnO薄膜的脉冲激光沉积及性能研究

利用脉冲激光沉积技术在氧的活性气氛下烧蚀锌靶,在石英玻璃衬底上沉积获得ZnO薄膜,分析并研究了薄膜的微观组织及表面形态及激光能量密度、基体温度、氧压等工艺参数对沉积ZnO膜的影响.结果表明,在基体温度为450～550 ℃、氧压为31 Pa、激光能量密度为31 J/cm2条件下,膜表面完全氧化,ZnO沿(002)晶面生长;当基体温度为500 ℃时,ZnO薄膜光学性能优异.     

激光除漆对铝合金基材表面质量的影响

目的 研究激光除漆后对铝合金基材表面阳极氧化膜的损伤情况。方法 采用纳秒脉冲激光器对涂覆复合漆层的2A12铝合金表面进行激光清洗试验。采用超景深显微镜对清洗后表面形貌与横截面进行观察,利用扫描电子显微镜与能谱仪观察清洗后的微观形貌,并利用维氏硬度计对表面显微硬度进行检测。结果 选择合适的激光参数能够完全除去复合漆层,当激光功率过高或激光扫描速度较低时,会发生过度清洗现象,清洗后表面的阳极氧化膜层发生损伤,甚至被去除的情况。在激光功率为450、400 W,扫描速度为4.5 mm/s时,清洗后表面的阳极氧化膜层发生破损;在激光功率为450、400 W,扫描速度为4 mm/s时,清洗后表面的阳极氧化膜层已经被去除。在激光功率为500 W,扫描速度为5.5 mm/s,与激光功率为450 W,扫描速度为5 mm/s时,完全去除复合漆层后的阳极氧化膜层表面的平均维氏硬度分别约为211HV与242HV,在工艺参数为450 W、4.5 mm/s时,表面平均维氏硬度约为168HV。结论 在激光除漆的过程中,采用合适的激光工艺参数彻底去除漆层后,铝合金表面阳极氧化膜层的显微硬度并未受到影响。在发生过度清洗时,铝合金表面的阳极氧化膜层会发生烧蚀损伤以及弹性振动剥离。     

Laser surface preparation of vitrified grinding wheels

A new method for surface cleaning loaded grinding wheels is introduced by applying CO₂ laser irradiation onto the grinding wheel surface. It was demonstrated that effective cleaning can be achieved by selection of the laser power flux and the duration of the irradiation. Fusion and evaporation of clogged metal chips play important roles in the laser cleaning process. It is suggested that high laser power irradiance and short irradiation duration are essential for effective grinding wheel cleaning. This paper was presented at the fourth International Surface Engineering Congress and Exposition held August 1–3, 2005 in St. Paul, MN.     

激光清洗技术的应用及展望

对传统清洗技术进行了概述,指出传统清洗技术的局限性。介绍了激光清洗技术的机制及方法;举例说明了激光清洗在实际应用中的优势,并指出了其存在的问题。虽然目前激光清洗还无法取代传统清洗技术,但未来激光清洗一定会在各领域成为一种高效清洗的技术手段。     

Laser removal of lubricating oils from metal surfaces

This work analyzes the laser cleaning process used to remove lubricating oil from metal surfaces. In an experiment, mineral oil is removed from carbon steel, stainless steel, or copper surfaces using near-infrared (Nd:YAG) laser pulses that are weakly absorbed by the oil. The results are compared with those from a strongly absorbing case in which a commercial lubricant is removed from carbon steel surfaces using ultraviolet (excimer) laser pulses that are relatively strongly absorbed by the lubricant. The removal process is visualized using laser flash shadowgraphy. Numerical computations are conducted to estimate the temperatures of the oil and substrate, and the results are discussed in comparison with the experimental data. The removal mechanism has been found to depend critically on the optical properties of the oil. In the case of Nd:YAG laser cleaning where the oil is almost transparent to the incident laser beam, it is effectively removed by the laser pulses. The removal efficiency is independent of the oil film thickness up to 150 μm, revealing that the removal occurs by explosive vaporization of the oil at the oil–substrate interface followed by bulk hydrodynamic flow. On the other hand, removal of an opaque oil film is well explained using a surface ablation of organic ingredients in which the removal rate is substantially lower than the removal rate under the explosive vaporization mechanism. The optimal conditions for oil removal are discussed based on the experimental results.     

激光除漆对Ti17合金表面组织性能的影响

目的研究激光除漆对Ti17合金表面组织性能的影响机理,探讨激光清洗在去除污染物的同时是否可以改善基材的组织性能。方法在预处理的试样表面均匀喷涂一层厚度约为50μm的丙烯酸树脂哑光黑色油漆,采用脉冲光纤激光器在不同功率(10、15、20W)下对试样进行脱漆处理。采用白光干涉表面轮廓仪观测试样表面的三维形貌,采用金相显微镜观察试样表面的微观组织,采用显微硬度测试仪测量试样的表面显微硬度,采用表面粗糙度仪测量试样的表面粗糙度。结果经过激光除漆处理后的试样表面均出现了大量凹坑和白色褶皱硬化层,表面显微硬度均得到提高,平均增幅在5%左右,表面粗糙度变化不大,在亚微米级。激光功率为15 W时,白色硬化层分布均匀,厚度约为10μm,表面显微硬度增幅最大,为6.9%,表面粗糙度下降了0.07μm,清洗效果较优。结论激光清洗处理通过选取合适的激光参数,可以在去除污染物的同时,一定程度上改善基材的表面性能。     

纳秒激光对金属清洗着色机理及质量的研究

目的 分析激光清洗着色工艺对有锈蚀层的304不锈钢着色质量的影响规律,探讨呈色原理,为实现清洗与着色的一次性成形提供理论及工艺支持.方法 采用COMSOL Multiphysics建立了激光加工有锈蚀层304不锈钢的有限元模型,分析了过程中温度场的分布和参数对材料烧蚀深度的影响,指导着色参数的选择.调整参数进行实验获得质量较好的着色样本,用扫描电子显微镜和X射线能谱仪对样本的微观结构及能谱分布进行测量,分析清洗质量、呈色原理.对粗糙度有差异的304不锈钢进行着色试验,分析粗糙度对颜色显示的影响.结果 仿真结果表明,温度场的分布与材料的导热系数相关,P=20 W、h=0.01 mm时,v减小,烧蚀深度加深.实验获得的黄、蓝、绿、红4色样本,能量密度最低的蓝色样本中氧的质量分数由19.87％到0％的改变,表明各色样本均已实现清洗,同时能够进行着色,且获得平整的高质量表面.粗糙度高的着色样本,在观测角为90°时依然可以保证样本颜色不失真.结论 通过优化参数可以实现清洗与着色的一次性成形.纳秒激光着色304不锈钢,其呈色原理与能量密度相关.对表面粗糙度Ra>1.6μm的304不锈钢着色,可获得不失真的着色样本.     

超滤膜化学清洗技术的探讨与改进

针对邯钢冷轧脱盐水站超滤系统的膜材料清洗能力下降问题,对脱盐水站超滤系统的化学清洗进行分析,对配方工艺进行试验对比,提出一套适合超滤系统的化学清洗技术方案,经过清洗后的超滤膜水通量明显提高,过膜压差大大降低,清洗周期延长到2个月。