納秒脈沖激光在Q235表面污染漆層的清洗工藝研究*

招觀榮，雷澤勇，鄧 健，黃燦裕

（南華大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南衡陽 421001）

0 引言

激光清洗作為一種新型的表面清洗技術(shù)，尤其是在近些年來隨著光電技術(shù)的快速發(fā)展，激光清洗技術(shù)在日常生活以及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域得以廣泛使用[1]。與傳統(tǒng)技術(shù)相比較，激光清洗技術(shù)有較多的優(yōu)點[2]，例如清洗參數(shù)可調(diào)，可靈活組合[3]，適用于各種清洗對象及復(fù)雜曲面[4]，其與清洗表面為非接觸作用，幾乎不會對基體帶來新的污染[5]，清洗效率高且清洗成本低，是一種綠色安全的清洗方式[6]。

我國核工業(yè)在經(jīng)過多年來的蓬勃發(fā)展，帶來巨大成就的同時也帶來新的挑戰(zhàn)，許多核設(shè)施將面臨著退役[7]，但由于部分核電設(shè)備長期處于具有放射性污染的場所，表面都會伴隨著一些污染核素，如鈷、鍶等核素，對人體具有一定的害處，因此為其安全退役提出了高的要求[8-10]。本文基于這一要求，對核設(shè)施退役廢金屬，主要是碳鋼，對其表面核污染漆層進行激光清洗的工藝研究，在激光清洗運用于核廢金屬去污領(lǐng)域具有一定的參考意義。

1 試樣制備與實驗方法

實驗所用的材料為Q235鋼，其主要化學(xué)成分為（質(zhì)量分數(shù)%）：C 0.17、Si0.18、Mn0.28、P0.015、S 0.014、Fe余量。Q235鋼板經(jīng)電火花線切割后成20 mm×20 mm×5 mm 的長方體塊狀樣品，使用180#～1500#SiC 砂紙對其表面進行逐級打磨，用無水乙醇作為介質(zhì)進行超聲波清洗，吹干后在樣品的上表面涂一層約為50 μm 厚的丙烯酸樹脂漆，待表面漆層干后，在其表面均勻涂上一層1 g/L 的硝酸鈷溶液，放入恒溫加熱干燥箱中保存24 h后完成Q235表面污染漆層樣品的制取。丙烯酸樹脂漆的主要成分如表1 所示，樣品表面涂抹硝酸鈷溶液后的主要成分如表2所示。

表1 丙烯酸樹脂漆的主要化學(xué)成分wt%

表2 Q235表面污染漆層樣品的主要化學(xué)成分wt%

實驗時采用大族激光HLCM 系列納秒脈沖激光清洗機，設(shè)定激光脈沖頻率為100 kHz，脈沖寬度為100 ns，光斑直徑為0.1 mm，激光作用點始終在焦點處，掃描寬度為10 mm。控制激光能量密度為3.175～5.715 J/cm2，掃描速度為1 000～5 000 mm/s，清洗速度為5～15 mm/s，分別進行單次清洗。實驗后采用3D電子顯微鏡、掃描電鏡對樣品表面進行二維形貌觀察以及進行能譜儀EDS 分析等。

2 結(jié)果與分析

激光除漆的主要過程是金屬表面漆層吸收激光能量，從而加熱使溫度不斷升高，促使材料發(fā)生一系列的物理現(xiàn)象，例如燒蝕、熔化、氣化等等，最終使得漆層從基體表面去除。但在這個過程中影響清洗效果的激光參數(shù)有很多，其中影響較大包括激光的能量密度φ、激光掃描速度Vx、清洗速度Vy，以及其影響的重疊率等[11-14]。激光能量密度φ可以表示為[15]

式中：P為激光功率，W；f為激光脈沖頻率，kHz；D為激光光斑直徑，mm。

激光掃描方向重疊率Ox可以表示為[16]：

式中：Dx為激光掃描方向相鄰光斑間距，可表示為：

激光清洗方向重疊率Oy可以表示為：

式中：Dy為清洗方向相鄰光斑間距，可表示為：

式中：WX為掃描寬度，mm。

2.1 能量密度對清洗效果的影響

為探索激光能量密度對Q235表面污染漆層的清洗效果的影響，選取了5組不同激光能量密度進行工藝試驗，其中激光的光斑直徑為D= 0.1mm，脈沖頻率為f=100 kHz，激光掃描速度Vx= 3 000 mm/s，清洗速度Vy=10 mm/s，實驗結(jié)果的二維圖如圖1～2 所示。當激光能量密度為φ= 3.175 J/cm2時，從宏觀的二維形貌可觀察到表面污染漆層有大量的殘余，從SEM 形貌可觀測到，Q235 金屬表面裸漏的基材寬度為20 μm 左右，周圍覆蓋著薄薄的膜狀物質(zhì)，激光功率過低導(dǎo)致清洗效果不佳；當激光能量密度為φ= 3.81J/cm2時，從宏觀的二維形貌可觀察到表面污染漆層有部分的殘余，從SEM 形貌可觀測到，金屬基材裸露寬度大概為30 μm，基材上面也有膜狀物質(zhì)覆蓋，但較圖2（a）有較明顯的紋路，漆層去除區(qū)域較為干凈；當激光能量密度為φ= 4.445 J/cm2時，從宏觀的二維形貌可觀察到表面污染漆層只有少量殘余，從SEM 形貌可觀測到，金屬基材裸露的寬度為45 μm 左右，同時基材上面也覆蓋有膜狀物質(zhì)，但較圖2（b）明顯可看到膜狀物質(zhì)較薄，漆層去除區(qū)域也較為干凈，表面孔洞很少說明對基材的損傷也??；當激光能量密度為φ= 5.08 J/cm2時，二維形貌可觀察到表面污染漆層基材無殘余，從SEM 形貌可觀測到，金屬基材裸露的寬度為50 μm 左右，對比圖2（c），雖然漆層去除區(qū)域也較為干凈，但可明顯看到基材表面有較多的孔洞，說明激光功率過大對金屬基體造成了損傷；當激光能量密度為φ=5.715 J/cm2時，金屬表面無殘余污染漆層，從SEM 形貌可觀測到，金屬基材裸露的寬度也是為50 μm 左右，但與圖2（d）相比較，可明顯觀察到基材表面的孔洞減少了，表面也更為光滑，認為是激光功率加大后，孔洞周圍金屬重新融化造成的。

圖1 不同能量密度下激光清洗的宏觀二維形貌

圖2 不同能量密度下激光清洗的SEM形貌

由圖3 可知，隨著激光能量密度的升高，金屬樣品表面的碳元素含量在一段區(qū)間內(nèi)持續(xù)下降，在能量密度為φ= 5.08 J/cm2時達到最低，再緩慢升高，結(jié)合圖1、圖2 分析可知，在激光功率低的時候，激光無法把金屬表面漆層去除，因而表面碳含量較高，增大激光功率，隨著漆層的去除碳含量隨之下降；同理，隨著激光能量密度的升高，更多的漆層從表面去除，裸露出金屬基材，從而導(dǎo)致金屬表面的鐵元素含量升高；金屬表面的氧元素以及鈷元素含量基本不變，分別為5%與0.2%左右，氧元素主要存在于漆層去除得較為干凈的區(qū)域，因此認為是清洗過程中基材與空氣接觸并在溫度較高的情況下生成的氧化膜。鈷元素含量幾乎沒有，說明激光對清洗金屬表面污染漆層有顯著效果，為激光應(yīng)用于核污染金屬表面的工業(yè)試驗提供了一定數(shù)據(jù)支持。

圖3 不同能量密度下激光清洗的樣品EDS分析

2.2 掃描速度對清洗效果的影響

為探索激光掃描速度對Q235表面污染漆層的清洗效果的影響，選取了5組不同激光掃描速度進行工藝試驗，其中激光的光斑直徑為D= 0.1mm，脈沖頻率為f=100 kHz，激光能量密度φ= 4.445 J/cm2，清洗速度Vy=10 mm/s，實驗結(jié)果的二維形貌如圖4～5 所示。當激光的掃描速度為Vx= 5 000 mm/s 時，從圖4（a）可觀察到，金屬表面漆層殘余較多，殘余漆層與裸露的基材分布也較為均勻，從圖5（a）可以觀察到，由于掃描速度過高，激光搭接率偏低，基材漆層并沒有清洗完全，基材表面覆蓋著一層薄膜；當激光的掃描速度為Vx=4 000 mm/s, Vx= 3 000 mm/s 時，從宏觀的二維形貌圖觀察，兩個樣品表面漆層的去除效果是相差不大的，較圖4（a）去除的漆層面積更廣，觀察兩個不同掃描速度下的SEM 形貌圖，可觀察到掃描速度為Vx= 3 000 mm/s 時基材表面更為光滑，無明顯凹坑，清洗效果更好；當激光的掃描速度為Vx= 2 000 mm/s, Vx= 1000 mm/s 時，觀察其宏觀二維形貌圖，可見在該功率參數(shù)下，激光除漆的效果較好，基材表面基本無殘余漆層，從SEM 形貌可觀測到，基材表面依然有部分膜狀物粘附著，而且其表面有較多的凹坑，掃描速度低導(dǎo)致激光搭接率升高，可能對清洗過程中基材造成一定的損傷。由圖4、圖5 可知，隨著激光掃描速度的降低，激光搭接率的升高，表面漆層的去除率也隨之升高，但過低的掃描速度會導(dǎo)致基材的損傷。

圖4 不同掃描速度下激光清洗的宏觀二維形貌

圖5 不同掃描速度下激光清洗的SEM形貌

由圖6 可知，隨著激光掃描速度的提高，樣品表面鐵元素含量呈現(xiàn)先緩慢降低，在掃描速度3 000～4 000 mm/s 區(qū) 間 上升，隨后再降低。結(jié)合宏觀二維圖以及SEM 形貌觀察分析可推測，在激光掃描速度低的時候，激光搭接率高，樣品接受的能量也越高，因此表面漆層去除得更為徹底，樣品基材裸露的區(qū)域也就越大，因此鐵含量更高；同理，樣品表面碳含量隨著掃描速度的升高而升高，即隨著表面漆層的殘余量升高，漆層的主要元素碳元素含量也隨之升高；金屬表面的氧元素含量與鐵元素含量的變化基本一致，但在掃描速度為1 000～2 000 mm/s的時候，激光搭接率過高，導(dǎo)致基材表面在完全去除漆層后，在高溫下與空氣接觸氧化，從而氧元素含量變高；金屬表面的鈷元素含量基本保持在0.2%左右，證明激光在去除表面漆層的時候，能有效去除漆層表面的鈷元素，基本無殘留。

圖6 不同掃描速度下激光清洗的樣品EDS分析圖

2.3 清洗速度對清洗效果的影響

為探索清洗速度對Q235表面污染漆層的清洗效果的影響，選取了5 組不同清洗速度進行工藝試驗，其中激光的光斑直徑為D= 0.1mm，脈沖頻率為f= 100 kHz，激光能量密度φ= 4.445 J/cm2，激光掃描速度Vx=3 000 mm/s，實驗結(jié)果的二維形貌圖如圖7～8 所示。當清洗速度為Vy= 5 mm/s 時，從宏觀的的二維形貌圖可觀察到樣品表面漆層已完全去除，基材呈現(xiàn)規(guī)則條紋狀，從表面SEM 形貌圖可看出，樣品表面基本無膜狀物質(zhì)，除了少量顆粒狀的油漆飛濺物；當清洗速度為Vy=7.5 mm/s 時，從圖7（b）可見樣品表面漆層基本得到去除，只有少量的油漆殘余，對比圖7（a）可明顯觀察到條紋之間的間隔變寬了，清洗搭接率降低，從圖8（b）可看出表面有較多的白色顆粒，結(jié)合圖9 可知主要物質(zhì)為氧化物；當清洗速度為Vy= 10 mm/s 時，根據(jù)宏觀二維形貌圖可知樣品表面的漆層有小部分殘余，從表面SEM 形貌圖可看到樣品表面粘附著部分薄膜狀物質(zhì)，結(jié)合圖9 以及上述分析，可初步判斷該物質(zhì)為殘余漆層，表面也較為干凈與平整；當清洗速度為Vy= 12.5 mm/s時，觀察圖7（d）可得樣品表面有較多的油漆殘余，且油漆與基材的分布呈間隔條形狀，從圖8（d）可觀察到圓弧形熱影響區(qū)，周圍圍繞著殘余薄薄的漆層；當清洗速度為Vy= 15 mm/s 時，觀察圖7（e）可得樣品表面大部分都是油漆殘余，但由于油漆的上層被清除，可看到部分樣品基材，從圖8（e）可觀察到圓弧形熱影響區(qū)，周圍圍繞著較厚的漆層，對比圖8（d），熱影響區(qū)縮小了。

圖7 不同清洗速度下激光清洗的宏觀二維形貌

圖8 不同清洗速度下激光清洗的SEM形貌

由圖9可知，隨著清洗速度的提高，樣品表面鐵元素含量在一定清洗速度區(qū)間不斷下降后平緩，結(jié)合宏觀二維圖以及SEM 形貌觀察分析可推測，在清洗速度低的時候，清洗方向重疊率較高，從而表面漆層的殘余率變低，樣品基材裸露出來，因此鐵元素含量較高，隨著清洗速度的提升，清洗方向的重疊率降低，表面漆層接受的能量減少，漆層殘余率升高導(dǎo)致鐵元素含量降低；同理，樣品表面碳元素含量隨著清洗速度的提升而提高；值得注意的是樣品表面氧含量在清洗速度為5 mm/s 時最低，在清洗速度為7.5 mm/s 時元素含量最高，之后隨著清洗速度的升高而下降，結(jié)合圖7、圖8推測在清洗速度過低的情況下，樣品接受能量過多，不僅表面漆層被完全清除，在去除的過程中產(chǎn)生的氧化物也同時被一并去除，而在清洗速度為7.5 mm/s 時，僅僅是表面漆層被完全清除；樣品表面的鈷元素基本保持在0.2%左右，無明顯變化。綜上所述，激光清洗速度是影響清洗效果的重要因素。

圖9 不同清洗速度下激光清洗的樣品EDS分析

3 結(jié)束語

（1）隨著激光能量密度的增大，樣品表面污染漆層吸收的能量越多，清洗效果也越明顯，但過大的能量密度也會造成基材的損傷，基材表面出現(xiàn)不同程度的凹坑。

（2）當激光能量密度與清洗速度一定時，隨著激光掃描速度的增大，掃描方向重疊率降低，清洗效果也隨之變差，但影響并不十分明顯；當激光能量密度與掃描速度一定時，隨著清洗速度的增大，清洗方向重疊率降低，清洗效果也變差，且影響非常明顯。

（3）在本文的試驗條件下，清洗Q235表面污染漆層的最優(yōu)激光參數(shù)為激光能量密度為4.445 J/cm2，激光掃描速度為3 000 mm/s，清洗速度為10 mm/s，此時的樣品表面污染漆層全部去除且對基材的損傷最小。