本發(fā)明涉及一種利用脈沖激光清潔金屬表面積碳的方法，屬于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域和金屬表面預(yù)處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

一些關(guān)鍵重要零部件表面積碳是在高溫、高壓、高油煙的惡劣服役環(huán)境中形成的，積碳層致密、與零件表面結(jié)合強度高，且往往附著在零件表面難以清洗的部位，與一般油污、銹蝕和漆層相比，清除更加困難。如不及清除積碳，往往會導(dǎo)致關(guān)鍵重要零部件如發(fā)動機的油耗升高、服役壽命縮短，甚至?xí)乐赜绊戧P(guān)鍵重要零部件的使用安全。

目前，傳統(tǒng)單一清洗方法如超聲波清洗法、化學(xué)溶劑法、水射流清洗法等難以把積碳關(guān)鍵重要零部件表面清洗干凈，而是采用化學(xué)溶劑超聲清洗法與水射流磨料清洗法等混合清洗方法，但上述二種混合清洗法也存在如下不足：

一是化學(xué)溶劑超聲清洗法在清洗過程中常常引入有毒的化學(xué)物質(zhì)，容易對環(huán)境造成二次污染，

二是水射流磨料清洗法在清洗過程易造成關(guān)鍵重要零部件表面損傷，同時造成水資源的大量浪費。

三是上述二種混合清洗法在清洗表面積碳時存在工藝比較復(fù)雜、清洗效率不高和清洗質(zhì)量不佳等不足。

激光清洗技術(shù)具有綠色、優(yōu)質(zhì)、工藝簡單、操作成本低、可清洗結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件表面等優(yōu)點，有望解決表面污染物綠色清洗難題。如專利一種金屬表面的短脈沖激光清洗方法(200810134880.6)就采用激光清洗技術(shù)，在真空環(huán)境或氬氣等保護氣氛下對鈦合金、鋁合金焊接前表面污染物進行激光清洗；專利一種金屬表面污物激光清洗系統(tǒng)及方法(CN 103817113 A)給出了激光清洗銹蝕、油污和漆層的方法和實例。但上述專利都沒有涉及目前傳統(tǒng)清洗技術(shù)難以有效清洗積碳的問題。目前，激光清洗技術(shù)在實際應(yīng)用中主要存在表面燒傷難以控制，清洗效率不高等問題，本發(fā)明主要解決激光清洗表面積碳的表面燒傷控制，以及清洗質(zhì)量和效率的提高等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種脈沖激光清潔金屬表面積碳的方法。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種液膜激光清洗金屬表面積碳的方法，以及該方法所涉及的激光清洗閾值及其清潔工藝。該方法具有高效、優(yōu)質(zhì)、綠色，而且工藝簡單、成本低、可連續(xù)大規(guī)模作業(yè)等顯著特點。

將固體激光器產(chǎn)生的脈沖激光在積碳金屬表面聚焦，采用液膜激光清洗方法，在激光清洗閾值范圍內(nèi)以一定的掃描路徑和掃描速度對積碳金屬表面進行連續(xù)掃描，即可獲得清潔的金屬表面。具體地，本發(fā)明的方法體現(xiàn)在：

為了利用以上技術(shù)獲得優(yōu)異效果，本發(fā)明提供了一種脈沖激光輻射掃描積碳金屬表面獲得清潔金屬表面的方法，所述方法依次包括如下步驟：在積碳金屬表面噴灑醇水混合膜，然后將固體激光器產(chǎn)生的脈沖激光在積碳金屬表面聚焦，在清洗閾值范圍內(nèi)選擇激光清洗參數(shù)，并以一定的掃描路徑和掃描速度對積碳金屬表面進行連續(xù)掃描，即可獲得清潔的金屬表面。

優(yōu)選地，所述液膜激光清洗方法中的液膜厚度在10～20μm之間，組成為水和醇混合物，優(yōu)選地，醇使用異丙醇或正丁醇，質(zhì)量百分比在5％～15％之間。

所述激光清洗閾值以脈沖激光的峰值功率密度來表示，峰值功率密度＝P/f.S.ι，其中f為重復(fù)頻率，S為光斑面積，P為該重復(fù)頻率下的激光平均功率，ι為脈沖寬度，激光參數(shù)的選擇需要滿足激光清洗閾值在6.0×10⁵～8.1×10⁷W/cm²之間。

所述脈沖激光的掃描路徑為S型。

所述掃描速度掃描速度5.0cm-30cm/s，掃面寬度5～15cm，掃描搭接率1％～5％。

所述激光掃描采用的脈沖激光波長1064nm，脈沖激光的光斑形狀為方形或圓形，其方形光斑大小為3mm×3mm～6mm×6mm，圓形光斑直徑2mm～8mm。

所述金屬為鈦合金、鋁合金、鐵基合金、銅合金和鎂合金。

按本發(fā)明方法清洗積碳得到的金屬表面清潔度在95％以上，清洗速率在40cm²/s～120cm²/s，激光清洗表面沒有損傷，對被清洗材料的力學(xué)性能沒有影響。

本發(fā)明的核心是脈沖激光清洗閾值范圍和液膜激光清洗方法。脈沖激光清洗閾值范圍是控制清洗表面燒傷的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。低于激光清洗閾值范圍，金屬表面積碳無法完全清除干凈；高于激光清洗閾值范圍，會導(dǎo)致積碳清除的同時造成金屬表面的燒傷。液膜激光清洗方法可有效提高積碳的清洗效率和質(zhì)量，防止激光清洗表面的損傷，其關(guān)鍵是液膜的成分組成。本發(fā)明脈沖激光清洗積碳的關(guān)鍵工藝技術(shù)：液膜組成為水和醇混合物，其中醇為異丙醇或正丁醇，質(zhì)量百分比在5～15Wt％。脈沖激光清洗積碳的清洗閾值范圍在6.0×10⁵～8.1×10⁷W/cm²之間，掃描路徑為S型，清潔速率40cm²/s～120cm²/s。

本發(fā)明具有下列顯著效果：

(1)脈沖激光輻射清洗積碳工藝簡單實用，清洗質(zhì)量高，可達Sa3級；清洗速度快，清潔速率40cm²/s～120cm²/s；清洗表面沒有微觀損傷，對材料的力學(xué)性能沒有影響。

(2)使用水和醇混合物做為液膜組成物，比相同條件下干式激光清洗，清洗效率提高1倍以上。

(3)脈沖激光輻射清洗積碳過程中不使用化學(xué)試劑，不產(chǎn)生廢水廢液，屬于綠色清洗。

本發(fā)明為大規(guī)模、高質(zhì)量、精準可控的積碳清洗，為獲得清潔金屬表面提供新的方法。

附圖說明

圖1A為激光清洗積碳后鈦合金表面的SEM圖，圖1B為激光清洗積碳后鈦合金表面的元素能譜圖。

圖2A為激光清洗積碳后鋁合金表面的SEM圖，圖2B為激光清洗積碳后鋁合金表面元素能譜圖。

具體實施方式

本發(fā)明的實例將進一步說明脈沖激光清除金屬表面的積碳，以獲得清潔金屬表面的方法的具體實施方案，但本發(fā)明并不局限于下屬實施例中。

若未特別指明，實施例中所用的化學(xué)試劑均為常規(guī)市售試劑，實施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段。

實施例1

步驟1：在積碳鈦合金表面噴正丁醇水膜，正丁醇的質(zhì)量百分比為3Wt％，液膜厚度為15±2μm。

步驟2：選擇脈沖激光參數(shù)并計算激光清洗閾值：脈沖激光波長為1064nm，重復(fù)頻率為18kHz、激光脈寬為80ns，輸出功率為500W，方形光斑大小為4mm×4mm，其激光清洗閾值為2.17×10⁷W/cm²。

步驟3：選擇脈沖激光掃描參數(shù)：掃描路徑為S型，掃描速度10cm/s，掃面寬度6cm，掃描搭接率2％。

步驟4：脈沖激光清洗積碳：將脈沖激光聚焦于積碳表面，以S型往復(fù)掃描一次，即可獲得清潔的鈦合金表面。

圖1A為本實施例清洗的鈦合金表面的SEM圖，激光清洗的鈦合金表面光滑，表面沒有顆粒吸附；圖1B為本實施例清洗的鈦合金表面的元素能譜圖，積碳清洗后鈦合金表面只有Ti元素，沒有C元素，說明上述實施例清洗積碳后鐵合金表面非常干凈，清潔度為100％，清潔速度為60cm²/s。清洗表面質(zhì)量達到Sa3級，比目前使用水射流清洗積碳的表面質(zhì)量提高1個等級。

實施例2

步驟1：在積碳鋁合金表面噴異丙醇水膜，異丙醇的質(zhì)量百分比為5Wt％，液膜厚度為15±2μm。

步驟2：選擇脈沖激光參數(shù)并計算激光清洗閾值：脈沖激光的波長為1064nm，重復(fù)頻率為8kHz、激光脈寬為150ns，輸出功率為300W，圓形光斑直徑為3mm，其激光清洗閾值為3.53×10⁶W/cm²。

步驟3：選擇脈沖激光掃描參數(shù)：掃描速度為10cm/s，掃面寬度10cm，掃描搭接率4％。

步驟4：脈沖激光清洗積碳：將脈沖激光聚焦于積碳鋁合金表面，以S型路徑往復(fù)掃描一次，即可獲得清潔的鋁合金表面。

圖2A為上述實施例清洗的鋁合金表面的SEM圖，可以看出清洗后的鋁合金表面非常光滑，表面沒有顆粒吸附；圖2B為上述實施例清洗的鐵合金表面的元素能譜圖，清洗后的鋁合金表面含有Al、C、O元素，其中鋁合金表面C元素的質(zhì)量百分數(shù)為0.55Wt％，如表1所示，說明上述實施例清洗積碳后鋁合金表面的清潔度為99.45％，清潔速度100cm²/s，表面質(zhì)量等級達到Sa3級。表2為激光清洗積碳前后鋁合金的力學(xué)性能變化，可以看出激光清洗前后鋁合金的力學(xué)性能沒有明顯變化。

實施例3

在鋁合金表面沒有噴涂液膜，其他激光清洗參數(shù)和清洗步驟如實施例2。

上述實施例清洗積碳后鋁合金表面的清潔度為96.3％，表面質(zhì)量等級達到Sa2.5級。對比實施例2，如果沒有在鋁合金表面噴涂液膜，相同激光清洗參數(shù)下激光清洗的表面，其清潔度和表面質(zhì)量等級均下降。

表1

表2

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。