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激光清洗在激光焊接前预处理中的应用


激光清洗技术

简单来说,就是利用一定波长的激光所产生的高频率振动,把物体表面的附着物震碎;利用激光所产生的瞬间高温使附着物剥离基材表面,从而达到清洗的目的。

 

激光清洗的对象包括任意材料表面的污染层、油漆层、锈蚀层、附着层等。其应用主要包括:模具清洗、金属表面漆层以及焊接点的清除、氧化物,油污油渍的清除、历史文物古迹的恢复及保存等。

 

激光清洗是通过克服基底材料与表面附着物的结合力来达到去除效果。主要作用机理包括以下几个方面:

 

1、激光压力的去除作用:该压力作用在附着物上,参与清洗过程,由于一般来说相较大气压,光压要小几个数量级,因此其作用可忽略不计;

2、液体飞溅的去除作用:附着物亚表层未达到气化温度而以液体薄层的形式瞬间存在,而表层气体的瞬间膨胀产生的反作用力和工艺气体的喷吹力,迫使液态附着物飞溅,从而达到去除效果;

3、气化蒸发的去除作用:激光能量使得基材上附着物气化或者蒸发;

4、热应力去除:附着物因温度的急剧变化,而产生的热膨胀,产生巨大的加速度,从而获得可观的热效应。通过热应力对抗吸附力,达到去除效果;

5、等离子体的去除作用:高能量密度的激光产生的瞬时高温会在附着物与基底材料之间产生高温气体,该气体继续吸收激光能量形成高温等离子体,等离子体吸收能量瞬间膨胀产生爆炸,爆炸产生的冲击波击碎附着层;

6、软烧蚀的去除作用:激光软烧蚀定义为在低功率密度激光的照射下,材料表层因各种机制引起材料的质量迁移、消蚀或散失等现象。软烧蚀常发生在有机附着层的激光清洗中,其作用过程主要是化学反应。

脉冲式的Nd:YAG激光清洗的过程依赖于激光器所产生的光脉冲的特性,基于由高强度的光束、短脉冲激光及污染层之间的相互作用所导致的光物理反应。其物理原理可概括如下:

1、激光器发射的光束被需处理表面上的污染层所吸收;

2、大能量的吸收形成急剧膨胀的等离子体(高度电离的不稳定气体),产生冲击波;

3、冲击波使污染物变成碎片并被剔除;

4、光脉冲宽度必须足够短,以避免使被处理表面遭到破坏的热积累;

5、实验表明当金属表面上有氧化物时,等离子体产生于金属表面。

等离子体只在能量密度高于阈值的情况下产生,这个阈值取决于被去除的污染层或氧化层。这个阈值效应对在保证基底材料安全的情况下进行有效清洁非常重要。等离子体的出现还存在第二个阈值。如果能量密度超过这一阈值,则基底材料将被破坏。为保证在基底材料安全的前提下进行有效的清洁,必须根据情况调整激光参数,使光脉冲的能量密度严格处于两个阈值之间。


国内首台国产化激光清洗装备

 

激光清洗在焊前预处理中的应用

不同于传统的抛丸、喷砂、打磨等清理工艺,激光清洗高效、快捷、非接触的清洗方式与我国工业绿色环保的发展方向是一致的。在钢轨、船舶、汽车、军事装备等方面,对于焊前清理、涂装清理等领域有广阔的发展前景。

 

以铁路钢轨为例,铁路网络可以说是我国交通网络中至关重要的组成部分,2015年底我国运营铁路总长达12.1万公里,居世界第二。其中高铁里程超1.9万公里,居世界第一。中国高铁运行速度160-320 km/h,要求全部使用无缝线路(道岔、隧道、桥梁、站台等特殊路段除外);无缝铁路能节省15%以上的维修费用,延长25%的钢轨使用寿命。现如今无缝钢轨已成为我国整个铁路网络的主要铺轨类型,我国铁路线路的无缝化达70%以上。无缝钢轨生产关键工序为钢轨焊接,而钢轨的清洗技术对焊接的影响至关重要。

 

铁路钢轨表面锈蚀组成:纸质标签、氧化皮、锈、漆、油脂、灰尘组成的多组分混合物。采用传统的砂轮打磨清洗会存在很多问题:

 

1、深度打磨,保证清洁度,却破坏钢轨表面弧面形貌。钢轨间及钢轨与轮毂间存在不均匀过渡区及缝隙,列车抖动严重,高速运行列车产生微颤,降低了乘客的舒适性;

 

2、减小打磨量,保证弧面形貌,却导致锈蚀残留严重。焊接电流大范围急剧变化(不稳度±(200-1600 A ))。焊接电流大幅变化,使焊缝产生晶粒粗大、灰斑等难以探测的缺陷,埋下了严重的安全隐患;

3、目前打磨清洗锈蚀残留20%-30%,导致焊接失败率达10%;修复工序极为繁琐,成本达3万元/焊头,制约了无缝铁路铺轨生产进程;

4、消耗大量砂轮耗材,已对环境造成了粉尘污染,对工人健康产生了严重的危害;

5、铁路维护修理工作繁重,激光清洗技术能够替代人工打磨清洗推动我国高效自动化铁路在线修复工作的进程。

采用激光清洗则能避免以上所述问题,具有如下优点:

1、清洗光源可自适应钢轨弧面形貌,最大程度减少基材破坏,锈蚀清除率大于99%,基材损伤<0.01 mm;

2、激光清洗可实现污染物选择性清除,提高清洁度,保护基材;

 

3、无耗材绿色清洗技术,消除粉尘污染,大幅降低清洗成本;

 

4、清洗光源可利用光纤柔性传输,与机器人集成工作;

 

5、大幅提高清洗质量,提升焊接成品率、钢轨焊接强度及可靠性,消除安全隐患。

 

激光焊接市场广阔,与之相应的焊前预处理的需求也会增加,激光清洗技术能够实现对基材无损害且无二次污染的焊前预处理,是保证焊接质量的好帮手。

 

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