激光除锈后基体表面粗糙度的研究

沈 全，佟艳群，马桂殿，魏丽花

(江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013)

1 引言

随着工业技术的发展，钢铁的需求越来越大。由于钢铁本身易锈，需要进行表面涂装，而涂装前需要用各种方式去除锈蚀，并使表面形成一定的粗糙度，所以为钢铁除锈和涂装成为工业生产中不可缺少的环节。在除锈过程中，有一种新颖环保的除锈方式——激光除锈。此除锈方式与传统的除锈方法相比有能量可调、不损伤材料内部结构、操作方便、无污染、无接触、高清洁度、清洗效率高和低成本等优点［1］。在涂装过程中，基体表面的粗糙度是非常关键的，影响着基体表面与涂层之间的附着力。因为对基材附着不好的涂层，其性质几乎都是不良的，而且因为涂层非常薄，如果附着力不够强，则在应用环境下很容易脱落，无法保证持续使用［2］。取得合适的粗糙度可以通过激光毛化技术［3］和激光熔覆技术［4－5］。但若在激光除锈过程中既能去除基体表面的锈蚀又能得到合适的粗糙度，则会带来一定的经济效益。因此本文主要研究激光参数在激光除锈后影响粗糙度的规律，并且尝试寻找是否有适当的激光参数使得激光除锈后表面还能生成阻止锈蚀的氧化物［6－7］。

2 实验装置

图1是激光除锈实验装置示意图。实验中所用激光器为IPG公司的Nd∶YAG激光器(型号YLP－10)。该激光器的基本参数:激光波长1064 nm，脉冲频率2～100 kHz，激光功率0.02～100 W，光斑直径50 μm，脉宽100 ns。输出的激光通过光束准直后，由焦距为160 mm的聚焦透镜进行聚焦。锈蚀样品放置在可以上下移动的夹具上，确保锈蚀样品的上平面可以调至焦点处。

图1 激光除锈系统装置Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

样品为生锈程度为B级的Q235钢。为了消除初始样品上面的锈蚀坑对实验结果的干扰，把样品表面先打磨后抛光，最后，在自然条件下静放一个月，生成锈层。每次测试所选的样品扫描区域为3 mm×3 mm面积。在实验过程中，分别选取不同功率、扫描次数和扫描速度等工艺参数进行匹配性实验，用光斑直径为50 μm、频率为100 kHz的激光光束在每个样品的X-Y平面上按照设定的参数进行扫描运动。实验结束，用东京精密SURFCOM 130A粗糙度测量仪在每个样品的横向测量三次，纵向测量三次，使计算表面粗糙度结果更加精确［8－9］。

3 实验结果与分析

3.1 激光脉冲功率对粗糙度的影响

如图2 所示，A、B、C、D、E、F、G 分别表示激光以5000 mm/s扫描速度扫描的次数为1次、2次、4次、8次、16次、32次和64次。对比不同功率，相同扫描次数的竖形条高度可知:在相同扫描次数下，功率为15 W的样品表面粗糙度比功率为60 W的样品表面粗糙度要小，功率为100 W的样品表面粗糙度最大。实验中，样品在15 W时，随着次数增加，样品表面的颜色没有太大变化，呈现的是银色，接近样品本身材质的颜色;在60 W时，样品表面呈现白色并逐渐变黑，但变黑的程度不大;在100 W时，样品表面直接变黑，样品表面出现损伤。图3显示表面有一层一层的波纹。这是因为高温使表面熔化流动并且多次扫描形成的熔道会相互叠加。于是在一定范围内，在相同的扫描次数和速度的条件下，激光功率越高，样品的表面粗糙度就越大，但大到某一阈值，表面出现损伤，形成一些凹坑，还会有一层熔凝层。

图2 粗糙度随脉冲功率变化的对比图Fig.2 Roughness changes with laser power

图3 SEM 样品表面图60 W，5000mm/s，4 timesFig.3 SEM sample surface 60 W，5000mm/s，4 times

3.2 激光扫描次数对粗糙度的影响

在图4中，功率为15 W、速度分别为500 mm/s和5000 mm/s的激光产生的粗糙度。在扫描次数为8次后粗糙度值上升趋势逐渐缓和;功率分别为60 W和100 W而速度同为5000 mm/s的激光所产生的粗糙度值随着扫描次数的增多而增大，并且粗糙度值增大的趋势比较明显;功率为20 W，速度为3000 mm/s的激光所产生的粗糙度随扫描速度有所增大，但趋势也趋向缓和。因为扫描次数越多可近似于单脉冲能量的累加值越大。并且扫描次数越多，激光在样品表面扫描所形成的熔道越多，表面粗糙度也会随着增大。

图4 粗糙度随扫描次数变化的对比图Fig.4 Roughness changes with scanning times

图5所示的是功率为20 W，扫描速度为3000 mm/s扫描4次的扫描电镜图。图中可以看出表面的锈蚀基本清除干净，出现熔凝现象。

图5 SEM 样品表面图20 W，3000mm/s，4timesFig.5 SEM sample surface 20 W，3000mm/s，4times

3.3 激光扫描速度对粗糙度的影响

在图6中，在相同扫描次数下，功率同为15 W的激光，扫描速度为500 mm/s比扫描速度为5000 mm/s所产生的样品表面粗糙度要大。因为在激光除锈过程中，当同种激光输出功率和扫描次数相同时，激光光束与样品表面的相互作用便由扫描速度的大小来反映。扫描速度越大，激光光束在样品表面上作用的时间就越短，则样品表面接受的能量比较少，使样品表面发生熔凝的能力比较弱，影响表面粗糙度。所以说同种激光在激光功率和扫描次数相同的条件下，扫描速度越高，样品表面的粗糙度越低。

图6 粗糙度随扫描速度变化的对比图Fig.6 Roughness changes with scanning speed

4 结论

(1)激光功率越高，样品表面的粗糙度越大，达到一定的阈值，表面出现基体损伤;

(2)样品表面的粗糙度在低功率时随着扫描次数的增多而增大，但到了扫描次数为8次后，其增加趋势比较缓和，不再明显如激光功率为15 W速度分别为500 mm/s和5000 mm/s的条件下;在高功率时随着扫描次数的增加而增大，增大的趋势依旧比较明显，如激光功率为60 W和100 W速度同为5000 mm/s的条件下;在功率为20 W扫描速度为3000 mm/s的条件下，生成的粗糙度的变化趋势介于上述低功率和高功率之间，并且样品表面还出现蓝色的物质;

(3)样品表面的粗糙度随着扫描速度的增大而减小。

通过实验得到粗糙度和表面颜色的变化规律，为以后优化激光参数，能够更好地符合涂层的需要做出比较好的尝试。

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