碳钢表面激光除锈研究

激光除锈作为一项新兴的清洗工艺,在碳钢表面除锈领域潜在巨大的发展前景。采用1 064 nm波长的连续光纤激光器,研究了激光功率、离焦量和扫描速度对激光除锈效果的影响,通过清洗前后碳钢表面元素含量的变化分析得到准确的优化工艺参数。由金相观察进一步论证了激光除锈的良好效果,并发现在激光作用下产生的硬化层有助于提高碳钢表面的硬度,达到理想的激光清洗效果。     

锈蚀表面的激光清洗及其元素组成分析

采用波长1064 nm高重频高能量激光清洗设备,研究了激光清洗碳钢表面锈蚀时工艺参数对除锈效果的影响,分析了激光清洗锈蚀表面、微区、线和点处的元素组成以及相对含量。结果发现:脉冲激光在优化参数下能将碳钢表面的锈蚀完全清洗干净,激光清洗锈蚀表面、微区、线和点处都没有发现氧元素的存在,表明脉冲激光不仅能将碳钢表面的锈蚀完全清洗干净,而且在激光清洗锈蚀过程中不会发生铁元素和氧元素的化学反应,生成氧化铁膜。     

激光清洗Q345钢表面氧化层的数值模拟

为了探索激光搭接率和激光平均功率等物理参数在激光清洗时对Q345钢表面氧化层温度场分布和烧蚀深度的影响。本文针对钢铁产业工程中常用材料Q345钢表面的氧化层开展激光清洗过程模拟研究。首先对Q345钢表面氧化层进行物理化学性质分析,从而建立氧化物和基体的激光清洗分层模型。接下来借助COMSOL Multiphysics软件,将Q345钢激光清洗模型进行网格划分和瞬态研究,并用实验来验证,从而得出激光参数对清洗温度场和清洗深度的影响。结果表明光斑搭接率对温度场影响不大,但随着搭接率的提高,烧蚀深度越深。而激光平均功率越大,温度场峰值越高,烧蚀深度也显著加深。该研究结果可为激光清洗氧化层的工艺研究提供理论参考。     

激光清洗技术评述

激光清洗在工业中的应用有清除半导体和光学器件表面附着的微粒,铜表面的氧化物,金属和其它材料表面的放射性污染,集成电路封装孔的清理。雷达、飞机、高压输电塔架、桥梁和舰艇等的脱漆和除锈,以及清洗珍贵历史文物等。已经成功地应用于清洗钢铁、镁、铜、铝、石雕、漆器、皮革、纸制品、玻璃、陶瓷、聚酰亚胺薄膜和硅片等材料。使用的激光器类型有大功率连续波CO_2激光器,便携式连续和脉冲CO_2激光器,脉冲Nd:YAG激光器和准分子激光器等。     

激光清洗技术

微电子工业中最严重的问题之一是表面残存的微粒，它甚至会使成品率下降50％。采用有效的清洗过程对各种高技术过程都有帮助，这些过程包括半导体生产、计算机驱动器、光存储装置和高能光学元件的加工。当这些小尺寸的技术要求提高时，要移去的最小粒子尺度逐步变小。例如，当今的亚微米集成电路技术，1μm大小的颗粒是形成线路失效的主要来源，在下一个十年，0．015um大小的粒子也会成为问题。目前工业中应用最广泛的技术是化学试剂，但试剂本身也包含微小颗粒。当然可采用含颗粒很少的溶剂和水，但是价格十分昂贵。清洗直径小于0．］pm的…     

脉冲激光表面强化数值模拟及热物性参量影响

建立了包含脉冲激光束时空分布、依赖于温度的材料参量、组织演化历史以及多次相变特征在内的脉冲激光表面强化三维有限元模型。针对常热物性和变热物性并考虑相变潜热两种情况，温度场及其演化分别得到了解析解和通用有限元软件的验证，强化区层深和宽度得到了实验验证。研究了材料热物性对强化区的影响，得到了一定范围内强化区层深随材料热物性参量的变化规律，即：热传导系数不变时，强化区层深随热扩散率的增加而增加；比热容不变时，强化区层深随热扩散率的增加而减小；热扩散率一定时，强化区层深随热传导系数和比热容的增加而降低。以球铁、共析钢和巾碳钢为例，分析了两种确定材料热物性常数方法，即一定温度范围内的平均值法和选取奥氏体化温度附近参量方法的可行性，研究表明平均值法可以得到较好的结果。     

高强钢表面海洋生物膜层纳秒脉冲激光清洗质量与脱附行为分析

金属材料在海洋环境下服役时表面会产生海洋生物污损,严重影响材料的服役寿命,必须对其进行定期清理。以30Cr3高强钢表面海洋生物膜层为清洗对象,采用纳秒脉冲激光清洗海洋生物膜层,对比分析海洋生物膜层激光清洗前后的宏观形貌、微观形貌、元素组成与表面粗糙度,通过高速摄像设备观察清洗过程中的脱附行为,探究不同激光能量密度对海洋生物膜层激光清洗质量与脱附行为的影响。结果表明：黄海海域中浸泡的高强钢表面海洋生物膜层包含主要由有机成分构成的胞外聚合物(EPS)层和主要由石灰质构成的表面硬质附着物两种组分,在不损伤基材的前提下,纳秒脉冲激光清洗高强钢表面海洋生物膜层的效果随激光能量密度的增大而增强,采用9.95 J/cm²的激光能量密度清洗效果最佳,清洗后表面无海洋生物膜层成分残留,表面粗糙度S_a=17.31μm,较清洗前下降约47.8%,其中,EPS层主要通过烧蚀分解去除,而表面硬质附着物主要通过热弹性振动从表面剥落去除。     

激光清洗工艺参数对TC4钛合金表面除漆的影响

采用脉冲光纤激光器对TC4钛合金表面的环氧锌黄漆层进行了激光清洗试验,研究了激光能量密度和激光清洗速度对清洗效果的影响规律,分析了试样清洗后的表面形貌、表面粗糙度以及物相组成,并测量了清洗后基材表面的维氏硬度。研究结果表明,清洗效果随着激光能量密度的增加或清洗速度的减小而逐渐变好;当激光能量密度为4.00 J/cm²、清洗速度为3 mm/s时,清洗后基材表面的物相成分只有Ti和Ti₆O,没有CaCO₃,说明在此工艺参数下漆层已经完全被去除。彻底去除漆层后的钛合金的表面粗糙度与原始基材表面粗糙度相近,粗糙度为S_a=2.082μm。清洗后TC4钛合金试样表面的维氏硬度平均值为368.74 HV,相比原始硬度约提高了7.4%。研究结果表明,通过合理选择工艺参数,可以有效去除钛合金表面漆层,并获得较好的表面形貌,同时能提升其表面平均硬度。     

光纤激光焊接工艺参量对底部驼峰的影响

为了研究高功率光纤激光焊接工艺参量对底部驼峰倾向的影响,采用单一变量方法研究了激光功率、焊接速度、离焦量、下表面保护气体流量及焊接方位的变化对底部驼峰的影响。结果表明,随激光功率的增加,底部驼峰倾向先加大后减小;焊接速率提高时,底部驼峰高度先增加后减小,驼峰间距明显减小;离焦量在0mm附近时,底部驼峰倾向较大;适当的下表面保护气体流量有助于减小底部驼峰倾向,最佳流量为15L/min;焊接方位为60时,一定程度上可减小底部驼峰倾向。优化后的工艺参量合理, 可有效地消除底部驼峰。     

纳秒脉冲激光清洗扫描速度对TC4钛合金表面氧化膜清洗质量的影响

采用纳秒脉冲激光器对TC4钛合金表面的氧化膜及油污进行激光清洗,研究了扫描速度对清洗后试样表面形貌、成分、元素含量及价态的影响规律,并分析了扫描速度对表面粗糙度、硬度和耐腐蚀性能的影响。结果表明：当扫描速度为500 mm/s时,激光对基体的损伤大且会发生热氧化,表面形成TiO,O含量较高。随着扫描速度由3000 mm/s增加至10000 mm/s,表面逐渐变得光滑平整,O含量先降低后升高,Ti含量则先升高后降低。当扫描速度为9000 mm/s时,表面Ti含量(质量分数)达到最大值84.24%,O含量(质量分数)降至最小值4.54%,且粗糙度(R_a)最低约为0.907μm,清洗效果最佳。扫描速度的增加使清洗后表面的粗糙度先升高后降低。此外,激光清洗可使TC4钛合金表面的硬度和耐腐蚀性能有所提高。     

EH36钢激光清洗参数优化与表面性能评估

针对船舶舱内复杂空间材料表面除锈需求,利用脉冲光纤激光清洗平台开展了EH36船用钢板激光清洗工艺参数优化与清洗后材料表面性能实验研究。通过宏观、微观形貌观测与表面化学成分分析,并结合船舶行业除锈标准规范,建立了船用钢激光除锈质量评价准则,以此确定了材料激光除锈最佳工艺参数。在此基础上开展激光除锈后材料表面质量、显微硬度、粗糙度及综合力学性能测试评估。研究结果表明：在最佳除锈工艺参数(平均功率210 W、重复频率250 kHz、脉冲宽度300 ns、扫描速度4 000 mm/s)下,船用钢板表面质量达到Sa2.5等级,力学性能基本保持不变,能够满足船舶舱内复杂空间材料表面除锈工艺要求,在船舶修造材料表面除锈领域具有优良的适用性。     

激光扫描速度对碳钢板表面锈蚀层去除质量的影响

采用光纤激光器开展了碳钢板表面锈蚀层激光清洗研究,通过白光干涉仪、光学显微镜、拉曼光谱仪等研究了激光扫描速度对锈蚀层去除质量的影响。研究表明,当激光扫描速度小于2 000 mm/s时,因光斑搭接率高,热累积效应强,试样表面出现基材熔化重凝现象,同时试样表面发生二次氧化,生成了复杂的铁的氧化物膜层,此时试样表面粗糙度最小。当激光扫描速度增加到3000 mm/s时,试样表面锈蚀层去除干净,露出金属基底本身色泽,基材表面二次氧化减弱。当线速度继续增加时,因光斑搭接率低,锈蚀层吸收的激光能量少,仅有部分锈蚀被去除,试样表面开始出现残留锈蚀层,且随着线速度的增加,残留锈蚀层和试样表面粗糙度增加。通过调节扫描速度可以获得较好的除锈效果,工艺优化后,激光功率为120 W时,除锈效率达到1.5 m2/h。     

碳钢表面激光熔覆WC-TiC-SiC-Co的研究

本文介绍了在20用表面利用大功率CO2激光束熔覆WC-TiC-SiC-Co的研究,对熔覆层进行了物相分析,用扫描电镜观察并分析了处理后样品的显微组织,对熔覆层的硬度分布和耐磨性能进行了测试,同时对熔覆层形成的机理作了初步的讨论,结果表明:利用大功率激光束可在低质钢材表面熔覆WC-TiC-SiC-Co,它是提高全属材料表面性能的优异方法。     

碳钢表面激光熔覆WC－TiC－SiC－Co的研究

本文介绍了在２０用表面利用大功率ＣＯ＿２激光束熔覆ＷＣ－ＴｉＣ－ＳｉＣ－Ｃｏ的研究，对熔覆层进行了物相分析，用扫描电镜观察并分析了处理后样品的显微组织，对熔覆层的硬度分布和耐磨性能进行了测试，同时对熔覆层形成的机理作了初步的讨论，结果表明：利用大功率激光束可在低质钢材表面熔覆ＷＣ－ＴｉＣ－ＳｉＣ－Ｃｏ，它是提高全属材料表面性能的优异方法。     

碳钢表面氮硼激光合金化的研究

本文介绍了用CO2激光束对45钢表面进行激光合金的处理,对合金层的相结构,元素分布,显微组织,硬度和耐磨性进行了测试和分析,结果表明,合金层的性能产生了多种强化效应。     

Influences on HCN laser frequency by the parameters of the laser

The influences on HCN laser frequency by the parameters of the laser have been discussed theoretically and experimentally. The frequency variations of the HCN laser versus discharge current and gas pressure have been measured to be 2.9 kHz/mA and 8.1 kHz/mtorr respectively. The experimental results have been explained theoretically.     

纳秒脉冲激光清洗石化设备对清洗表面的影响

采用纳秒脉冲激光对石化设备普遍使用的20钢表面锈蚀层以及油污进行了激光清洗试验,通过正交实验法得到优化后的激光清洗工艺参数,在激光功率18 W,激光脉冲重复频率75kHz,扫描速度3 000mm/s的清洗工艺参数下可有效去除20钢表面的锈蚀层;在激光功率20 W,激光脉冲重复频率75 kHz,扫描速度2 250 mm/s的清洗工艺参数下可有效去除20钢表面附着的油污。分析了激光清洗前后材料表面形貌的变化,研究了激光清洗前后表面的显微硬度以及耐腐蚀性,结果表明：激光清洗可以在不改变材料的耐腐蚀性能的同时提升材料表面的显微硬度,从而达到理想的激光清洗效果。     

激光加工参数对球形频率选择表面质量的影响

通过运用激光加工的方法在三维半球壳表面加工孔径十字环形频率选择单元,探讨激光加工相比其他加工手段的优势和不同激光加工工艺参数对十字环形频率选择单元加工质量的影响。对球形曲面频率选择单元加工工艺方法进行分析,介绍激光加工中出现的加工缺陷,并根据缺陷的特点提出参数化表征量;对实验件进行单因素参数试验,分析标刻单元加工质量变化规律并找到合理参数范围;最后,根据合理参数范围做参数化试验,探讨加工质量的改进效果。实验结果表明：振镜式激光加工速度相较于普通数控加工系统提高了15倍左右,加工缺陷占比可控制在5%以内。     

低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层的显微组织

本文研究了在低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层的显微组织,以探索纳米材料在表面工程领域中的应用。研究结果表明低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层熔区组织仍为钢基组织,但熔区的晶粒大小仅为0 .8μm～1.2 μm ,比不用纳米TiAl合金的熔区晶粒约小一个数量级;在熔区的最表层形成了一新的致密的薄层组织(约为1μm)。低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层中形成细小的晶粒组织和致密的氧化物可以显著地提高其力学性能(硬度)和耐腐蚀性能。     

溶胶-凝胶膜光学表面激光清洗工艺研究

为了解决光学元件表面的颗粒污染问题，在单发次激光干式清洗的基础上，提出了气流置换系统辅助的激光清洗方法，使用波长为355nm的Nd:YAG激光器，针对镀溶胶-凝胶SiO₂薄膜熔石英光学表面粒径为1μm~50μm的典型SiO₂颗粒污染物，进行了理论分析和清洗实验，取得了可用于激光清洗的工艺参量。结果表明，对于镀溶胶-凝胶膜熔石英样品的单发激光干式清洗，最佳激光能量密度为2.29J/cm2，与未镀膜石英的激光清洗工艺参量存在一定差异；在最佳工艺参量下，单发次激光清洗对于粒径1μm以上的SiO₂颗粒清洗效果明显，移除率可达82.96%；当污染密度过高时会导致清洗效果的减弱及对基底的损伤，而气流置换系统辅助的激光清洗方法可进一步增强对光学表面颗粒污染的去除效果。该研究对大型高功率固体激光装置中的光学元件在线清洗及清洗装备的设计具有重要的研究意义与实用价值。