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摘要：为研究纳秒脉冲激光清洗在 Q235 钢表面污染漆层的清洗效果， 探究激光工艺参数对去污效果的影响 。在对样品预处理后均 匀喷涂一层 50 μm 厚的丙烯酸树脂漆并在其表面均匀涂上一层 1 g/L 的硝酸钴， 采用纳秒脉冲激光器在不同的工艺参数下对样品进 行除漆试验 。采用 3D 电子显微镜 、扫描电镜对样品表面进行二维形貌观察以及进行能谱仪 EDS 分析 。结果表明： 纳秒脉冲激光能 有效去除样品表面污染层， 随着激光能量密度的升高 、激光扫描速度的降低以及清洗速度的降低， 表面污染漆层去除得更为彻底。 在激光能量密度为 4.445 J/cm2. 激光扫描速度为 3 000 mm/s， 清洗速度为 10 mm/s 时， 清洗效果较优 。激光清洗通过选取合适的工 艺参数， 不仅可去除表面污染漆层， 还能在很大程度上不损伤基材。
关键词 ：激光清洗,Q235 钢,纳秒脉冲激光,表面形貌
Study on Cleaning Process of Q235 Surface Contaminated Paint by Nanosecond Pulse Laser
Zhao Guanrong， Lei Zeyong ※， Deng Jian， Huang Canyu
(School of Mechanical Engineering, Nanhua University, Hengyang, Hunan 421001. China)
Abstract: In order to study the cleaning effect of nanosecond pulse laser cleaning on Q235 steel surface contaminated paint layer. To explore the effect of laser process parameters on decontamination . After pretreatment, the sample was uniformly sprayed with a layer of 50 μm thick acrylic resin paint and coated with a layer of 1 g/L cobalt nitrate on its surface. Nanosecond pulsed laser was used to conduct paint removal tests on the sample under different process parameters. 3D electron microscope and scanning electron microscope were used to observe the two- dimensional morphology of the sample surface and EDS analysis was performed . The results show that the nanosecond pulse laser can effectively remove the contamination layer on the surface of the sample . With the increase of laser energy density, the decrease of laser scanning speed and the decrease of cleaning speed, the surface contamination layer can be removed more thoroughly . When the laser energy density is 4.445 J/cm2 , the laser scanning speed is 3 000 mm/s, and the cleaning speed is 10 mm/s, the cleaning effect is better. By selecting appropriate process parameters, laser cleaning can not only remove the surface contaminating paint layer, but also do not damage the substrate to a large extent.
Key words: laser cleaning; Q235 steel; nanosecond pulsed laser; surface morphology
引言
激光清洗作为一种新型的表面清洗技术， 尤其是在 近些年来随着光电技术的快速发展， 激光清洗技术在日 常生活以及工业应用领域得以广泛使用[1] 。与传统技术 相比较， 激光清洗技术有较多的优点[2]， 例如清洗参数 可调， 可灵活组合[3]， 适用于各种清洗对象及复杂曲 面[4]， 其与清洗表面为非接触作用， 几乎不会对基体带 来新的污染[5]， 清洗效率高且清洗成本低， 是一种绿色 安全的清洗方式[6]。
我国核工业在经过多年来的蓬勃发展， 带来巨大成 就的同时也带来新的挑战， 许多核设施将面临着退役[7]， 但由于部分核电设备长期处于具有放射性污染的场所， 表面都会伴随着一些污染核素， 如钴 、锶等核素， 对人体具有一定的害处， 因此为其安全退役提出了高的要 求[8- 10] 。本文基于这一要求， 对核设施退役废金属， 主 要是碳钢， 对其表面核污染漆层进行激光清洗的工艺研 究， 在激光清洗运用于核废金属去污领域具有一定的参 考意义。
1 试样制备与实验方法
实验所用的材料为 Q235 钢， 其主要化学成分为 (质 量分数%)： C 0. 17 、Si0. 18 、Mn0.28 、P0.015 、S 0.014、 Fe 余量 。Q235 钢板经电火花线切割后成 20mm×20mm× 5 mm 的长方体块状样品， 使用 180#~1500#SiC 砂纸对其 表面进行逐级打磨， 用无水乙醇作为介质进行超声波 清洗， 吹干后在样品的上表面涂一层约为 50 μm 厚的 丙烯酸树脂漆， 待表面漆层干后， 在其表面均匀涂上一 层 1 g/L 的硝酸钴溶液， 放入恒温加热干燥箱中保存 24 h 后完成 Q235 表面污染漆层样品的制取 。丙烯酸树脂 漆的主要成分如表 1 所示， 样品表面涂抹硝酸钴溶液后 的主要成分如表 2 所示。
实验时采用大族激光 HLCM 系列纳秒脉冲激光清洗机， 设定激光脉冲频率为 100 kHz， 脉冲宽度为 100 ns， 光斑直径为 0. 1 mm， 激光作用点始终在焦点处， 扫描 宽度为 10 mm 。控制激光能量密度为 3. 175~5.715 J/cm2. 扫描速度为 1 000~5 000 mm/s， 清洗速度为 5~ 15 mm/s， 分别进行单次清洗 。实验后采用 3D 电子显微镜 、扫描电 镜对样品表面进行二维形貌观察以及进行能谱仪 EDS 分 析等。
2 结果与分析
激光除漆的主要过程是金属表面漆层吸收激光能量， 从而加热使温度不断升高， 促使材料发生一系列的物理 现象， 例如烧蚀 、熔化 、气化等等， 最终使得漆层从基 体表面去除 。但在这个过程中影响清洗效果的激光参数 有很多， 其中影响较大包括激光的能量密度 φ 、激光扫 描速度 Vx 、清洗速度 Vy， 以及其影响的重叠率等[11- 14]。 激光能量密度 φ 可以表示为[15]
式中： P 为激光功率， W;f为激光脉冲频率， kHz; D 为 激光光斑直径， mm。
激光扫描方向重叠率 Ox 可以表示为[16]：D - DxD
式中： Dx 为激光扫描方向相邻光斑间距， 可表示为：Dx = Vxf
激光清洗方向重叠率 Oy 可以表示为：D - DO = yy D
式中： Dy 为清洗方向相邻光斑间距， 可表示为：WX VyD =y Vx
式中： WX 为扫描宽度， mm。
2.1 能量密度对清洗效果的影响
为探索激光能量密度对 Q235 表面污染漆层的清洗效 果的影响， 选取了 5 组不同激光能量密度进行工艺试验， 其 中 激 光 的 光 斑 直 径 为 D = 0. 1 mm， 脉 冲 频 率 为f = 100 kHz， 激光扫描速度 Vx = 3 000 mm/s， 清洗速度 Vy = 10 mm/s， 实验结果的二维图如图 1~2 所示 。当激光能量 密度为 φ = 3. 175 J/cm2 时， 从宏观的二维形貌可观察到 表面污染漆层有大量的残余， 从 SEM 形貌可观测到， Q235 金属表面裸漏的基材宽度为 20 μm 左右， 周围覆盖 着薄薄的膜状物质， 激光功率过低导致清洗效果不佳; 当激光能量密度为 φ = 3.81 J/cm2 时， 从宏观的二维形貌 可观察到表面污染漆层有部分的残余， 从 SEM 形貌可观 测到， 金属基材裸露宽度大概为 30 μm， 基材上面也有 膜状物质覆盖， 但较图 2 (a) 有较明显的纹路， 漆层去 除区域较为干净; 当激光能量密度为 φ = 4.445 J/cm2 时， 从宏观的二维形貌可观察到表面污染漆层只有少量残余， 从 SEM 形貌可观测到， 金属基材裸露的宽度为 45 μm 左 右， 同时基材上面也覆盖有膜状物质， 但较图 2 (b) 明 显可看到膜状物质较薄， 漆层去除区域也较为干净， 表 面孔洞很少说明对基材的损伤也小; 当激光能量密度为 φ = 5.08 J/cm2 时， 二维形貌可观察到表面污染漆层基材 无残余， 从 SEM 形貌可观测到， 金属基材裸露的宽度为 50 μm 左右， 对比图 2 (c)， 虽然漆层去除区域也较为干 净， 但可明显看到基材表面有较多的孔洞， 说明激光功 率过大对金属基体造成了损伤; 当激光能量密度为 φ = 5.715 J/cm2 时， 金属表面无残余污染漆层， 从 SEM 形貌 可观测到， 金属基材裸露的宽度也是为 50 μm 左右， 但 与图 2 (d) 相比较， 可明显观察到基材表面的孔洞减少 了， 表面也更为光滑， 认为是激光功率加大后， 孔洞周 围金属重新融化造成的。
由图 3 可知， 随着激光能量密度的升高， 金属样品 表面的碳元素含量在一段区间内持续下降， 在能量密度 为 φ = 5.08 J/cm2 时达到最低， 再缓慢升高， 结合图 1、 图 2 分析可知， 在激光功率低的时候， 激光无法把金属表面漆层去除， 因而表面 碳含量较高， 增大激光功 率， 随着漆层的去除碳含 量随之下降; 同理， 随着 激光能量密度的升高， 更 多的漆层从表面去除， 裸 露出金属基材， 从而导致 金属表面的铁元素含量升 高; 金属表面的氧元素以及钴元素含量基本不变， 分别为 5% 与 0.2% 左右， 氧元 素主要存在于漆层去除得较为干净的区域， 因此认为是 清洗过程中基材与空气接触并在温度较高的情况下生成 的氧化膜 。钴元素含量几乎没有， 说明激光对清洗金属 表面污染漆层有显著效果， 为激光应用于核污染金属表 面的工业试验提供了一定数据支持。
2.2 扫描速度对清洗效果的影响
为探索激光扫描速度对 Q235 表面污染漆层的清洗效 果的影响， 选取了 5 组不同激光扫描速度进行工艺试验， 其 中 激 光 的 光 斑 直 径 为 D = 0. 1 mm， 脉 冲 频 率 为f = 100 kHz， 激光能量密度 φ = 4.445 J/cm2. 清洗速度 Vy = 10 mm/s， 实验结果的二维形貌如图 4~5 所示 。当激光的 扫描速度为 Vx = 5 000 mm/s 时， 从图 4 (a) 可观察到， 金属表面漆层残余较多， 残余漆层与裸露的基材分布也 较为均匀， 从图 5 (a) 可以观察到， 由于扫描速度过 高， 激光搭接率偏低， 基材漆层并没有清洗完全， 基材 表 面 覆 盖 着 一 层 薄 膜; 当 激 光 的 扫 描 速 度 为 Vx = 4 000 mm/s, Vx = 3 000 mm/s 时， 从宏观的二维形貌图观 察， 两个样品表面漆层的去除效果是相差不大的， 较图 4 (a) 去除的漆层面积更广， 观察两个不同扫描速度下 的 SEM 形貌图， 可观察到扫描速度为 Vx = 3 000 mm/s 时 基材表面更为光滑， 无明显凹坑， 清洗效果更好; 当激 光的扫描速度为 Vx = 2 000 mm/s, Vx = 1 000 mm/s 时， 观 察其宏观二维形貌图， 可见在该功率参数下， 激光除漆 的效果较好， 基材表面基本无残余漆层， 从 SEM 形貌可观测到， 基材表面依然有部分膜状物粘附着， 而且其表 面有较多的凹坑， 扫描速度低导致激光搭接率升高， 可 能对清洗过程中基材造成一定的损伤 。
由图 4 、图 5 可 知， 随着激光扫描速度的降低， 激光搭接率的升高， 表 面漆层的去除率也随之升高， 但过低的扫描速度会导致 基材的损伤。由图 6 可 知， 随 着 激 光 扫 描 速 度 的 提 高， 样 品 表 面 铁 元 素 含 量 呈 现 先缓慢降低， 在扫描速度 3 000~4 000 mm/s 区 间 上 升， 随后再降低 。结合宏 观二维图以及 SEM 形貌观 察分析可推测， 在激光扫 描速度低的时候， 激光搭接率高， 样品接受的能量也越高， 因此表面漆层去除得 更为彻底， 样品基材裸露的区域也就越大， 因此铁含量 更高; 同理， 样品表面碳含量随着扫描速度的升高而升 高， 即随着表面漆层的残余量升高， 漆层的主要元素碳 元素含量也随之升高; 金属表面的氧元素含量与铁元素 含量的变化基本一致， 但在扫描速度为 1 000~2 000 mm/s 的时候， 激光搭接率过高， 导致基材表面在完全去除漆 层后， 在高温下与空气接触氧化， 从而氧元素含量变高; 金属表面的钴元素含量基本保持在 0.2% 左右， 证明激光 在去除表面漆层的时候， 能有效去除漆层表面的钴元素， 基本无残留。
2.3 清洗速度对清洗效果的影响
为探索清洗速度对 Q235 表面污染漆层的清洗效果的 影响， 选取了 5 组不同清洗速度进行工艺试验， 其中激 光的光斑直径为 D = 0. 1 mm， 脉冲频率为f = 100 kHz， 激 光 能 量 密 度 φ = 4.445 J/cm2. 激 光 扫 描 速 度 Vx = 3 000 mm/s， 实验结果的二维形貌图如图 7~8 所示 。当清 洗速度为 Vy = 5 mm/s 时， 从宏观的的二维形貌图可观察 到样品表面漆层已完全去除， 基材呈现规则条纹状， 从 表面 SEM 形貌图可看出， 样品表面基本无膜状物质， 除 了 少 量 颗 粒 状 的 油 漆 飞 溅 物; 当 清 洗 速 度 为 Vy = 7.5 mm/s 时， 从图 7 (b) 可见样品表面漆层基本得到去 除， 只有少量的油漆残余， 对比图 7 (a) 可明显观察到 条纹之间的间隔变宽了， 清洗搭接率降低， 从图 8 (b) 可看出表面有较多的白色颗粒， 结合图 9 可知主要物质 为氧化物; 当清洗速度为 Vy = 10 mm/s 时， 根据宏观二 维形貌图可知样品表面的漆层有小部分残余， 从表面 SEM 形貌图可看到样品表面粘附着部分薄膜状物质， 结 合图 9 以及上述分析， 可初步判断该物质为残余漆层， 表面也较为干净与平整; 当清洗速度为 Vy = 12.5 mm/s时， 观察图 7 (d) 可得样品表面有较多的油漆残余， 且 油漆与基材的分布呈间隔条形状， 从图 8 (d) 可观察到 圆弧形热影响区， 周围围绕着残余薄薄的漆层; 当清洗 速度为 Vy = 15 mm/s 时， 观察图 7 (e) 可得样品表面大 部分都是油漆残余， 但由于油漆的上层被清除， 可看到 部分样品基材， 从图 8 (e) 可观察到圆弧形热影响区， 周围围绕着较厚的漆层， 对比图8 (d)， 热影响区缩小了。
由图 9 可知， 随着清洗速度的提高， 样品表面铁元素含量在一定清洗速度区间不断下降后平缓， 结合宏观二维图以及 SEM 形貌观察分析可推测， 在清洗速度低的时候， 清洗方向重叠率较高， 从而表面漆层的残余率变低， 样品基材裸露出来， 因此铁元素含量较高， 随着清洗速度的 提升， 清洗方向的重叠率降低， 表面漆层接受的能量减 少， 漆层残余率升高导致铁元素含量降低; 同理， 样品 表面碳元素含量随着清洗速度的提升而提高; 值得注意 的是样品表面氧含量在清洗速度为 5 mm/s 时最低， 在清 洗速度为 7.5 mm/s 时元素含量最高， 之后随着清洗速度 的升高而下降， 结合图 7 、图 8 推测在清洗速度过低的情 况下， 样品接受能量过多， 不仅表面漆层被完全清除， 在去除的过程中产生的氧化物也同时被一并去除， 而在 清洗速度为 7.5 mm/s 时， 仅仅是表面漆层被完全清除; 样品表面的钴元素基本保持在 0.2% 左右， 无明显变化。 综上所述， 激光清洗速度是影响清洗效果的重要因素。
3 结束语
( 1 ) 随着激光能量密度的增大， 样品表面污染漆层吸收的能量越多， 清洗效果也越明显， 但过大的能量密 度也会造成基材的损伤， 基材表面出现不同程度的凹坑。
( 2 ) 当激光能量密度与清洗速度一定时， 随着激光 扫描速度的增大， 扫描方向重叠率降低， 清洗效果也随之变差， 但影响并不十分明显; 当激光能量密度与扫描 速度一定时， 随着清洗速度的增大， 清洗方向重叠率降 低， 清洗效果也变差， 且影响非常明显。
( 3 ) 在本文的试验条件下， 清洗 Q235 表面污染漆层 的最优激光参数为激光能量密度为 4.445 J/cm2. 激光扫 描速度为 3 000 mm/s， 清洗速度为 10 mm/s， 此时的样品 表面污染漆层全部去除且对基材的损伤最小。
参考文献：
[1] 雷正龙, 田泽, 陈彦宾 . 工业领域的激光清洗技术[J]. 激光与光 电子学进展,2018.55(3):60-72.
[2] 张飞,谢欣欣,潘伟荣 . 一种激光清洗技术用于汽车绿色维修 的研究[J]. 机电工程技术,2018.47(8):40-43.
[3] 张若楠,韦朋余,郭鑫,等 .EH36 钢激光清洗参数优化与表面性 能评估[J]. 红外与激光工程,2022(11):1-9.
[4] 宋峰,刘淑静,牛孔贞,等 . 激光清洗原理与应用研究[J]. 清洗世 界,2005(1):1-6.
[5] 俞鸿斌,王春明,王军,等 . 碳钢表面激光除锈研究[J]. 应用激光, 2014.34(4):310-314.
[6] 俞鸿斌 . 金属表面激光清洗技术研究[D]. 武汉:华中科技大学, 2015.
[7] 滕磊, 刘志辉,袁和川 . 我国核电厂退役过程监管要求及建议 [J]. 核安全,2020. 19(6):23-28.
[8] 张露, 汪萍, 彭浩 . 加强核设施退役能力建设,促进厂址无限制 开放利用[J]. 核安全,2018. 17(2):6- 10.
[9] Sandler Y L. Structure and Solubility of PWR Primary Corrosion Products[Z].Corrosion 78 :158. Houston,U.S.A. 1978.
[10] Sandler Y L , Kunig R H . The Solubility of Nonstoichiometric Nickel Ferrite in High-Temperature Aqueous Solution[J]. Nucl. Sci. Eng.; (United States), 1977. 64(4):866-874.
[11] 刘世光,孙树峰, 陈希章,等 .2024 铝合金激光除漆参数优化及 表面性能分析[J]. 应用激光,2022.42(6):114- 124.
[12] 杨文锋,付婵媛,钱自然,等 . 离焦量对铝合金表面激光除漆损 伤特性的影响[J]. 激光与红外,2022.52(6):849-855.
[13] 秦哲, 高谦,王斌,等 . 飞机蒙皮纳秒脉冲激光除漆工艺与机理 研究[J]. 表面技术,2022.51(7):370-376.
[14] 佟艳群,上官剑锋,任旭东,等 . 激光除漆技术在船舶领域的应 用[J]. 自动化与仪器仪表,2022(3):7- 10.
[15] 佟艳群 . 激光去除金属氧化物的机理与应用基础研究[D]. 镇 江:江苏大学,2014.
[16] 王蔚, 纪向城,刘伟军,等 .5083 铝合金阳极氧化膜激光清洗工 艺研究[J]. 中国激光,2022(10):1-26.
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