激光清洗对碳钢金属材料影响的研究

刘文先 郑军 于天石 潘国祥

摘要：激光清洗与传统方法相比，具有绿色环保、控制精度高等优势，不少企业已经将其投入工业清洗中。然而，由于缺少深入的理论研究，该技术并没有被广泛推广应用起来。本研究引用相关标准，从化学成分、金相组织等方面，分析激光清洗碳钢金属材料的表面杂质层后对材料的影响。结果表明，采用激光清洗碳钢金属获得良好的清洗效果情况下，对金属材料各项性能没有损伤。

关键词：激光清洗工艺;碳钢金属;清洁;高效;清洗参数

中图分类号：TG142.2 文献标识码：A

金属表面清洗工艺是现代工业生产中的重要环节。广泛应用在焊接、加工制造等领域，激光清洗工艺与机械打磨清洗、化学清洗等传统清洗工艺相比，具有精准度高、母材低损伤等优点[1]。本文对激光清洗工艺的原理进行了简述，用实验验证了激光清洗碳钢金属表面各类的杂质适用性，为激光清洗的应用提供参考。

1 激光清洗工艺的原理

激光清洗其原理为利用污染层吸收激光发射束的能量、急剧膨胀的等离子体产生冲击波使污染层被冲击成碎片或吸收能量燃烧从而被剔除[2]。

2 实验方法与设备

本项目采用激光清洗机（200W）型号：ML-MF-200H-LC-DBM-1，清洗的主要工艺参数分别为：激光功率[3]（功率越大输出能量越大，清洗厚度越大）、激光频率（单位时间的脉冲次数，频率越小激光点越疏松，反之激光点越密集，清洗效果越平滑）、激光脉宽（压缩的时间长短，脉宽越窄说明输出的能量越小）、扫描频率（激光的扫描振镜的速度）、扫描幅度（扫描期间出光的宽度，与激光清洗头匹配调节）。实验试件采用的是按RCC-M 2000及2002补充1级检测标准生产的碳钢P280 GH，规格为：φ114.3×8.56 mm和按国家标准GB/T 700生产的Q235B，规格为：18#B槽钢、镀锌板（e=10 mm）。

3 激光清洗碳钢试件的实验

3.1 激光清洗碳钢试件准备条件

科研小组激光清洗实验使用的参数表1所示：

3.2 激光清洗后母材的性能检测

按以上清洗参数，根据其制造的标准，科研小组进行了拉伸、弯曲、冲击、宏观金相等理化实验（实验全部委托核工业工程研究设计有限公司检测中心进行），清洗完成后清洗表面质量良好，目视检测合格，无损检测标准采用RCC-M 2000及2002补充1级检测标准，实验采用GB/T 700和RCC-M 2000及2002补充标准，各项试验数据都在标准范围之内，具体检测结果如表2所示。

3.4 激光清洗件的后期加工

激光清洗试件清洗后采用RCC-M 2000及2002补遗1级检测标准进行无损探伤和液体渗透，检测结果均合格。理化实验数据对比钢材生产标准，实验全部合格，并汇总实验数据形成研究报告3份。

后期科研小组对基层材质为Q235B规格为φ60.3×5.54 mm（碳钢管）、100×100 e=10 mm（镀锌板）、12#槽钢（表面油漆层）每种杂质层6个进行清洗，经清洗后表面效果良好，采用RCC-M 2000及2002补遗1级检测标准进行无损探伤和液体渗透，检测结果均为合格。且能够达到涂装作业、焊接作业表面清理的要求。后期将清洗的试件进行TIG焊接和手工电弧焊焊接，后按RCC-M 2000及2002补遗1级检测标准进行无损探伤和液体渗透，检测结果均为合格。

4 结语

通过实验证明激光清洗工艺对碳钢金属3种材料的力学性能，化学成分等没有影响。在实验过程中激光清洗工艺还表现出以下一些优点。

激光清洗不需使用任何化学药剂和清洗液，清洗后的废料为固体粉末，体积小易于回收。清洗完毕后母材表面光滑细腻，清洗精度高（激光清清洗作业前后母材厚度减小0.1～0.3 mm，磨光机清洗碳钢试件清洗前后母材厚度减小0.8～1.3 mm且带有局部的凹坑）。激光清洗机使用的激光波长为1064 nm，当激光短暂照射到裸露皮肤时，不会造成直接伤害，相对于常用打磨工机具具有较高的安全性。对传统磨光机清洗过程和激光清洗过程对比，噪声减少了25 dB，粉尘值降低了50 %，工作环境得到了改善。

科研小组统计当杂质清除率要求在90%以上试件材质：Q235B，激光清洗类型为：清洗锈蚀层φ60.3*5.54 mm效率为811.466 mm2/min;清洗镀锌层规格为：热镀锌板（e=10 mm），效率为285.7143 mm2/min;清洗油漆层规格为：12#槽钢，效率为2940 mm2/min。其效率高于传统磨光机清洗方式，相对于传统清洗较困难的疑难位置和大规模杂质清洗，激光清洗优势更加明显。激光清洗随着工件清洗面越平整，其清洗效率会越高，清洗质量也会越好。相关数据采集能为下一步激光在更多领域清洗应用打下坚实的基础。

参考文献

[1] 邢宏楠，冉合利.激光清洗技術发展及应用[J].清洗世界，2018，34（5）：23.

[2] 陆思远.激光清洗锈蚀钢板的技术研究[D].武汉：华中科技大学，2017.

[3] 乔玉林，赵吉鑫.锈蚀表面的激光清洗及其元素组成分析[J].激光与红外，2018，48（3）：299.