激光焊接是激光技術應用中比較普遍和成熟的領域，中國制造業(yè)的發(fā)展使得我國對焊接的需求仍將繼續(xù)增長并有可能成為下一個爆發(fā)點。對于激光焊接來講，焊接質量至關重要。焊接質量除了與激光焊接工藝、激光器選擇、焊接材料種類等有關，也與被焊接材料表面狀態(tài)有著直接的關系。那么，如何做好激光焊接前的預處理，激光清洗作為激光技術家族的新生代，將登上舞臺，掃清焊前污染物，還一個“超清無損”焊接基材。

 

 

激光清洗技術

 

簡單來說，就是利用一定波長的激光所產生的高頻率震動，把物體表面的附著物震碎；利用激光所產生的瞬間高溫使附著物剝離基材表面，從而達到清洗的目的。

 

激光清洗的對象包括任意材料表面的污染層、油漆層、銹蝕層、附著層等。其應用主要包括：模具清洗、金屬表面漆層以及焊接點的清除、氧化物，油污油漬的清除、歷史文物古跡的恢復及保存等。

 

激光清洗是通過克服基底材料與表面附著物的結合力來達到去除效果。主要作用機理包括以下幾個方面:

 

1

激光壓力的去除作用：該壓力作用在附著物上，參與清洗過程，由于一般來說相較大氣壓，光壓要小幾個數(shù)量級，因此其作用可忽略不計；

2

液體飛濺的去除作用：附著物亞表層未達到氣化溫度而以液體薄層的形式瞬間存在，而表層氣體的瞬間膨脹產生的反作用力和工藝氣體的噴吹力，迫使液態(tài)附著物飛濺，從而達到去除效果；

3

 氣化蒸發(fā)的去除作用：激光能量使得基材上附著物氣化或者蒸發(fā)；

4

熱應力去除：附著物因溫度的急劇變化，而產生的熱膨脹，產生巨大的加速度，從而獲得可觀的熱效應。通過熱應力對抗吸附力，達到去除效果；

5

等離子體的去除作用：高能量密度的激光產生的瞬時高溫會在附著物與基底材料之間產生高溫氣體，該氣體繼續(xù)吸收激光能量形成高溫等離子體，等離子體吸收能量瞬間膨脹產生爆炸，爆炸產生的沖擊波擊碎附著層；

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軟燒蝕的去除作用：激光軟燒蝕定義為在低功率密度激光的照射下，材料表層因各種機制引起材料的質量遷移，消蝕或散失等現(xiàn)象。軟燒蝕常發(fā)生在有機附著層的激光清洗中，其作用過程主要是化學反應。

 

 

脈沖式的Nd:YAG激光清洗的過程依賴于激光器所產生的光脈沖的特性，基于由高強度的光束、短脈沖激光及污染層之間的相互作用所導致的光物理反應。其物理原理可概括如下：

 

 

1

激光器發(fā)射的光束被需處理表面上的污染層所吸收；

2

大能量的吸收形成急劇膨脹的等離子體（高度電離的不穩(wěn)定氣體），產生沖擊波；

3

沖擊波使污染物變成碎片并被剔除；

4

光脈沖寬度必須足夠短，以避免使被處理表面遭到破壞的熱積累；

5

實驗表明當金屬表面上有氧化物時，等離子體產生于金屬表面。

 

等離子體只在能量密度高于閾值的情況下產生，這個閾值取決于被去除的污染層或氧化層。這個閾值效應對在保證基底材料安全的情況下進行有效清潔非常重要。等離子體的出現(xiàn)還存在第二個閾值。如果能量密度超過這一閾值，則基底材料將被破壞。為在保證基底材料安全的前提下進行有效的清潔，必須根據情況調整激光參數(shù)，使光脈沖的能量密度嚴格處于兩個閾值之間。

 

 

國內首臺國產化激光清洗裝備  

 

 

激光清洗在焊前預處理中的應用

 

不同于傳統(tǒng)的拋丸、噴砂、打磨等清理工藝，激光清洗高效快捷非接觸的清洗方式與我國工業(yè)綠色環(huán)保的發(fā)展方向是一致的。在鋼軌、船舶、汽車、軍事裝備等方面，對于焊前清理、涂裝清理等領域有廣闊的發(fā)展前景。

 

以鐵路鋼軌為例，鐵路網絡可以說是我國交通網絡中至關重要的組成部分，2015年底我國運營鐵路總長達12.1萬公里，居世界第二。其中高鐵里程超1.9萬公里，居世界第一。中國高鐵運行速度160~320  km/h，要求全部使用無縫線路（道岔、隧道、橋梁、站臺等特殊路段除外）；無縫鐵路能節(jié)省15%以上的維修費用，延長25%的鋼軌使用壽命。現(xiàn)如今無縫鋼軌已成為我國整個鐵路網絡的主要鋪軌類型，我國鐵路線路的無縫化達70%以上。無縫鋼軌生產關鍵工序為鋼軌焊接，而鋼軌的清洗技術對焊接的影響至關重要。

 

鐵路鋼軌表面銹蝕組成：紙質標簽、氧化皮、銹、漆、油脂、灰塵組成的多組分混合物。采用傳統(tǒng)的砂輪打磨清洗會存在很多問題：

 

 

1

深度打磨，保證清潔度，卻破壞鋼軌表面弧面形貌。鋼軌間及鋼軌與輪轂間存在不均勻過渡區(qū)及縫隙，列車抖動嚴重，高速運行列車產生微顫，降低了乘客的舒適性；

 

 

2

減小打磨量，保證弧面形貌，卻導致銹蝕殘留嚴重。焊接電流大范圍急劇變化（不穩(wěn)度±（200~1600 A ））。焊接電流大幅變化，使焊縫產生晶粒粗大、灰斑等難以探測的缺陷，埋下了嚴重的安全隱患；

 

 

3

目前打磨清洗銹蝕殘留20%~30%，導致焊接失敗率達10%；修復工序極為繁瑣，成本達3萬元/焊頭，制約了無縫鐵路鋪軌生產進程；

4

消耗大量砂輪耗材，已對環(huán)境造成了粉塵污染，對工人健康產生了嚴重的危害

5

鐵路維護修理工作繁重，激光清洗技術能夠替代人工打磨清洗推動我國高效自動化鐵路在線修復工作進程。

 

采用激光清洗則能避免以上所述問題，具有如下優(yōu)點：

 

 

1

清洗光源可自適應鋼軌弧面形貌，最大程度減少基材破壞，銹蝕清除率大于99%，基材損傷＜0.01 mm；

 

 

2

激光清洗可實現(xiàn)污染物選擇性清除，提高清潔度，保護基材；

3

無耗材綠色清洗技術，消除粉塵污染，大幅降低清洗成本；

4

清洗光源可利用光纖柔性傳輸，與機器人集成工作；

5

大幅提高清洗質量，提升焊接成品率、鋼軌焊接強度及可靠性，消除安全隱患。

 

激光焊接市場廣闊，與之相應的焊前預處理的需求也會增加，激光清洗技術能夠實現(xiàn)對基材無損害且無二次污染的焊前預處理，是保證焊接質量的好幫手。