干式激光清洁加工工艺实验研究

2018-09-14崔陆军王成银于计划

中原工学院学报 2018年4期

崔陆军，郭强，王成银，于计划

(中原工学院机电学院，河南郑州 450007)

激光清洁技术具有操作简便、高效、绿色、安全等特点，它是在不损伤基件的前提下，通过化学反应以物理方式去除表面废弃物的清洗技术。激光器发射具有连续脉冲的激光束，照射到工件表面，通过控制激光器的阈值及其运动速度，以燃烧、汽化等方式去除表面废弃物[1]，可以达到清洗工件表面的目的。

近年来，人们对激光清洁的认识有了很大进步，开拓了广泛的应用领域，对激光清洁控制系统的研究也实现了很大的突破。运用激光的物理特性清除污染物，在船舶的板材除锈[2]以及弹药修理的除锈除漆[3]等实践中实现了资源的二次利用。通过阈值控制，能够实现对电子元器件和文物的清洁养护[4]。除了对常见粗糙基体进行激光清洁外，也可在精密器械领域使用激光清洁技术，包括光学玻璃的镜面油渍去除[5]、柴油机活塞上残留碳化物的处理[6]等。随着激光清洁设备自动化程度的提高，基体表面染污物激光清洁的效率也在不断提高。

干式激光清洁具有无化学污染、非接触以及清洁速度快等特点，可将工件表面的杂质以固体颗粒形式直接分离。其工作机制分为两种：烧蚀效应(Ablation Effect)机制[7]和振动效应(Vibration Effect)机制[8]。前者通过激光的“充能”，工件表面废弃物自身温度升高，以燃烧或分解等方式脱落，并以物质汽化或升华的形式离开基体表面，达到清洁表面的效果；后者所需能量相对较少，远低于烧蚀所需能量，故不会直接烧蚀表面废弃物。它是通过加热使废弃物在基体表面产生热膨胀，以克服废弃物与基体表面的结合力，使得废弃物脱落。这两种工作机制对基体和表面废弃物的物理特性有着不同的要求：烧蚀机制要求废弃物的汽化温度明显低于基体，或者基体对设定波长的激光吸收较差而基体表面废弃物吸收较好；振动机制则要求基体和其表面废弃物吸收相同能量后膨胀系数不同，且表面废弃物的膨胀系数较高。

1 激光除锈

工业的发展带动着钢铁的不断生产，随之而来的是钢铁的处理问题，每年因腐蚀损失的钢铁占全球钢铁产量的1/4。若不去除其表面的铁锈进行二次利用，就会浪费更多钢铁资源。随着我国资源节约型和环境友好型社会的建设，化学处理铁锈的方式受到了一定约束，而以物理方式对钢铁表面除锈，为资源的二次利用提供了合理的手段。

1.1 除锈原理

铁锈是铁在空气中的氧化物，主要成分为Fe2O3，铁锈中也含有部分H2O分子。激光除锈的实质就是用激光对表面铁锈充能，克服铁锈与铁板基体表面薄层之间的黏附力，从而达到除锈目的。激光器清除未与实体直接粘连的铁锈时，需要的能量远小于与基体接触的铁锈清理时所需的能量。图1所示为锈层在基体表面的结构分布情况。图2所示为激光除锈工作示意图。

图1 锈层结构分布情况

图2 激光除锈工作示意图

1.1.1 锈层黏附力的计算

铁锈中间存在空隙，但是铁锈距基体接触面的距离越近，其空隙就越小。根据所需克服黏附力的大小，可找到合适的除锈阈值区间。

锈层与基体表面的黏附力为：

(1)

式中：B为基体的体变模量；G为基体的切变模量；γ为基体的膨胀系数；z为分子间空隙；t为作用时间；u(z,t)、T(z,t)分别为基体的位移函数和温度函数。

在激光清洁过程中，只有激光给予铁锈的能量大于其克服黏附力所需能量，才能去除基体表面的铁锈。

1.1.2 阈值的确定

这里，阈值指干式激光清洁中可以去除杂质的激光的初始能量密度的临界值[8]，亦称为激光器的功率密度。当激光器的功率密度实际值小于除锈初始阈值时，无论用多长时间，铁锈均不能从基体表面被去除。但该阈值也不应过大，否则在除去铁锈的同时，基体也会受到损伤。实际阈值需满足以下关系：

Umin≤U0≤Umax

(2)

式中：Umin为初始阈值；U0为实际阈值；Umax为最大阈值。当U0处于Umin与Umax之间时，激光器可以进行正常除锈工作。

假设波长为1 064 nm，光束半径为r(单位：nm)，激光功率为P(单位：W)，则激光器的激光阈值为：

(3)

在激光除锈实验中，对工件在线温度进行测量，并在线观察除锈效果，可间接估算出特定基体表面除锈激光器的激光阈值。

1.2 除锈标准

在激光除锈实验过程中，阈值设定不同，激光除锈效果也会不同。当所选阈值小于除锈阈值初始值时，除锈效果不好；当其大于或等于除锈阈值初始值时，激光除锈效果较好。除锈结果是否满足下道工序要求，应根据ISO 8501-1中规定的除锈标准来判断。基体除锈后通常会在其外表涂一层油漆，用于隔离空气，防止基体的快速生锈。国际除锈标准等级及要求如表1所示。

表1 国际除锈标准等级及要求

2 激光除漆

干式激光清洁技术在除漆方面应用也较为广泛。如设备更换标识及维修时，应除漆之后再涂漆。干式激光清洁除漆工艺比手工摩擦除漆法效率高，比喷砂除漆工艺成本低，比化学试剂法、高压水射流法及其他除漆方法更安全、环保[9]。

2.1 除漆原理

不同于铁锈成分，油漆的主要成分为高分子化合物，涂在工件或物体表面起保护、装饰、标识或其他用途。油漆附着在物品上，黏附牢固，为一定强度和连续性的固态薄膜[9]。激光作用于漆层时，利用基体与漆层存在的物理性质差异，激光清洁器的大功率照射使得漆层表面温度升高，分子间的范德华力在高温下被破坏，油漆的分子与分子相互分离，从而达到激光除漆的效果[10-11]。图3所示为激光除漆时表面漆层发生较大形变示意图。漆层最终以汽化的方式脱离基体表面(见图4)。

图3 激光照射工件表面时漆层发生较大形变示意图

图4 激光照射工件表面后漆层汽化示意图

2.2 漆层黏附力的计算

油漆可看作是一层层的油漆分子叠加而成，油漆分子与分子间的范德华力较为均匀，且作用力较大。底层油漆分子与基体表面之间单位面积的黏附力为[8]：

(4)

式中：z为两层分子间的空隙厚度，一般情况下z=4×10-10m；h12为底层油漆分子与基体表面的分子间范德华常量。

激光除漆工艺中阈值也可根据式(2)、式(3)进行确定，需要保证实际阈值在油漆的初始阈值和基体的受损阈值之间。

3 损伤阈值实验

根据基材表面的生锈情况，按照ISO 8501标准鉴定其级别，通过式(1)算得铁锈的表面黏附力。激光清洁器从初始阈值到高阈值渐变。基材洁净面有损坏时的阈值即为受损阈值。基材表面的清洁程度达到下道工序要求后，方可停止清洗加工。通过实验，可得到不同铁锈等级的初始阈值与基体表面黏附力之间的关系。

实验设备为光纤高功率激光清洗机，其功率范围为0～300 W，脉宽为100 ns，扫描频率为80 Hz。清洗激光器移动设备为ABB公司IRB4600机器人。在实验温度为室温，移动速度为5 mm/s时，对实验样块进行表面激光清洗阈值探究。实验样块材料为27硅锰钢，生锈等级为Sa2，样块尺寸为100 mm×50 mm×20 mm。对打磨后的样块表面进行激光清洗，根据表面损伤情况找到基体的损伤功率。打磨前后实验样块表面对比情况如图5所示。