納秒脈沖激光除銹機理與工藝實驗研究

1、納秒脈沖激光除銹機理與工藝實驗研究船舶與海洋工程裝備長期服役于高鹽、富氧的腐蝕環(huán)境中,銹蝕問題一直是影響船舶壽命的重要因素,防護涂裝是阻止鋼材進一步腐蝕的重要保護措施。除銹是涂裝前的預(yù)處理工序,是保障漆層具有良好粘附的前提。傳統(tǒng)的除銹工藝主要有機械打磨、噴砂、高壓水射流清洗,由于存在污染環(huán)境、勞動強度大、自動化程度不高等諸多缺點已經(jīng)不能夠滿足綠色高效的工業(yè)發(fā)展模式。激光除銹作為一種非機械接觸、高效靈活、綠色環(huán)保的新型除銹工藝已經(jīng)得到了企業(yè)和國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究人員的廣泛關(guān)注,未來在尋求清潔的、能替代傳統(tǒng)清洗的過程中激光除銹無疑是有效、可靠的解決方案。本文首先對納秒脈沖激光與Q235ffi45鋼表

2、面銹蝕層的相互作用機理進行研究,通過研究不同能量密度下銹蝕層相變過程、多脈沖累積效應(yīng)下銹蝕層去除的動態(tài)特性以及化成成分的變化,揭示了納秒脈沖激光除銹機理;其次,借助燒蝕面積推算法得出了銹蝕層和基材的燒蝕閾值,利用等效脈沖數(shù)的方法分析了激光重復(fù)頻率和能量密度對燒蝕速率的影響;最后進行了高速面掃描激光除銹工藝實驗研究了激光能量密度、脈寬、脈沖重疊率、離焦量等工藝參數(shù)對除銹后基材表面色澤、粗糙度的影響,并采用除銹的國家標準和耐腐性檢測對激光除銹質(zhì)量進行評估,具體研究方法和結(jié)論如下:1.利用高速攝影觀察激光與銹蝕的相互作用過程,進行了不同激光能量密度下的銹蝕層的去除特征對比實驗,并借助微觀檢測分析了不

3、同能量密度下銹蝕層的相變過程,實驗結(jié)果表明燒蝕和熱作用是納秒脈沖激光除銹的主要機制,激光能量密度大小決定了銹蝕層的去除機理,當激光的能量密度小于銹蝕層燒蝕閾值時,銹蝕層的主要以熱彈性膨脹去除;當能量密度達到銹蝕的燒蝕閾值時,銹蝕層出現(xiàn)了熔化、氣化相變現(xiàn)象,此外燒蝕過程中產(chǎn)生;脈沖激光除銹過程中,重復(fù)頻率增加導致單位時間內(nèi)脈沖數(shù)增加,多脈沖累積效應(yīng)導致氣相爆炸產(chǎn)生的沖擊力增強,加速了銹蝕層的去除;在整個燒蝕過程中利用EDS、拉曼對激光作用前后區(qū)域內(nèi)的銹蝕層進行檢測分析，得到銹蝕層中的主要成分為丫-FeOOH脫水后形成了a_Fe2O3和Fe3O4,說明銹蝕層在激光燒蝕作用下發(fā)生了分解,而碳鋼中Fe

4、在燒蝕作用下與空氣中的O2/sub女生氧化反應(yīng)并在基材表面形成a-Fe2O3膜層。2.通過燒蝕面積推算法測得Q235鋼和45鋼銹蝕層在脈寬為200ns下燒蝕閾值分別為3.21J/cm2、2.51J/cm2,基材的燒蝕閾值為1.76J/cm2、2.32J/cm2;由于銹蝕層的去除閾值大于基材的損傷閾值,表明脈沖激光除銹過程難以避免表面不會被燒損的現(xiàn)象,只能通過工藝參數(shù)的控制來減少表面的燒損。其次,通過分別研究重復(fù)頻率和激光能量密度對燒蝕速率的影響,得到能量密度是影響燒蝕速率主要因素,重復(fù)頻率只是影響燒蝕速率的次要因素。利用等效脈沖數(shù)的方式,測定了脈寬為200ns,脈沖能量為20.7J/cm2,重

5、復(fù)頻率為2.5kHz、10kHz、20kHz下燒蝕速率分別為9.56仙m/pulse、9.48以m/pulse、11.25仙m/pulse;而脈寬為200ns，重復(fù)頻率為10kHz,能量密度為20.7J/cm2、42.7J/cm2、64.5J/cm2下燒蝕速率為9.56am/pulse、15.49am/pulse、17.54am/pulse。3.在面掃描除銹過程中,通過單因素實驗研究得出:（1）隨著激光能量密度的增加,銹蝕層的去除量和基材表面粗糙度增加。當激光能量密度在53J/cm2時，銹蝕層被徹底去除且基材表面呈現(xiàn)金屬色澤，粗糙度Ra值約為1.6nm;（2）脈寬決定了激光與材料的熱作用時間,脈寬增加后基材表面會出現(xiàn)局部區(qū)域發(fā)藍現(xiàn)象并不影響材料的性能和粗糙度。當脈寬為200ns,重復(fù)頻率為10kHz時所能調(diào)節(jié)的脈沖能量更廣,能夠達到其他脈寬模式下極限脈沖能量,因此實驗中優(yōu)先選擇脈寬200ns;（3）重復(fù)頻率為10kHz時，隨著重疊率的增加,粗糙度出現(xiàn)減?。划斨丿B率為40%（掃描速度為240mm/s,掃描線間距為0.024mm）時表面堆疊的重凝物分布均勻且不易出現(xiàn)熱累積嚴重的問題。（4）當正離焦量為0.2mm時，能夠減少了產(chǎn)生的熱累積，從而能夠獲得良好的除銹質(zhì)量。（5）對激光除銹后表面