激光焊接是激光技術(shù)應(yīng)用中比較普遍和成熟的領(lǐng)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(zhì)量至關(guān)重要。焊接質(zhì)量除了與激光焊接工藝、激光器選擇、焊接材料種類等有關(guān)，也與被焊接材料表面狀態(tài)有著直接的關(guān)系。那么，如何做好激光焊接前的預(yù)處理，激光清洗作為激光技術(shù)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(shù)

 

簡單來說，就是利用一定波長的激光所產(chǎn)生的高頻率震動，把物體表面的附著物震碎；利用激光所產(chǎn)生的瞬間高溫使附著物剝離基材表面，從而達(dá)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(yīng)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(fù)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(jié)合力來達(dá)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(dá)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(chǎn)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(dá)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(yīng)力去除：附著物因溫度的急劇變化，而產(chǎn)生的熱膨脹，產(chǎn)生巨大的加速度，從而獲得可觀的熱效應(yīng)。通過熱應(yīng)力對抗吸附力，達(dá)到去除效果；

5

等離子體的去除作用：高能量密度的激光產(chǎn)生的瞬時高溫會在附著物與基底材料之間產(chǎn)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(chǎn)生爆炸，爆炸產(chǎn)生的沖擊波擊碎附著層；

6

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(zhì)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(xué)反應(yīng)。

 

 

脈沖式的Nd:YAG激光清洗的過程依賴于激光器所產(chǎn)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(dǎo)致的光物理反應(yīng)。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(chǎn)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(dāng)金屬表面上有氧化物時，等離子體產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)對在保證基底材料安全的情況下進(jìn)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(jìn)行有效的清潔，必須根據(jù)情況調(diào)整激光參數(shù)，使光脈沖的能量密度嚴(yán)格處于兩個閾值之間。

 

 

國內(nèi)首臺國產(chǎn)化激光清洗裝備  

 

 

激光清洗在焊前預(yù)處理中的應(yīng)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(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。

 

以鐵路鋼軌為例，鐵路網(wǎng)絡(luò)可以說是我國交通網(wǎng)絡(luò)中至關(guān)重要的組成部分，2015年底我國運營鐵路總長達(dá)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?，F(xiàn)如今無縫鋼軌已成為我國整個鐵路網(wǎng)絡(luò)的主要鋪軌類型，我國鐵路線路的無縫化達(dá)70%以上。無縫鋼軌生產(chǎn)關(guān)鍵工序為鋼軌焊接，而鋼軌的清洗技術(shù)對焊接的影響至關(guān)重要。

 

鐵路鋼軌表面銹蝕組成：紙質(zhì)標(biāo)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(yán)重，高速運行列車產(chǎn)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(dǎo)致銹蝕殘留嚴(yán)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(chǎn)生晶粒粗大、灰斑等難以探測的缺陷，埋下了嚴(yán)重的安全隱患；

 

 

3

目前打磨清洗銹蝕殘留20%~30%，導(dǎo)致焊接失敗率達(dá)10%；修復(fù)工序極為繁瑣，成本達(dá)3萬元/焊頭，制約了無縫鐵路鋪軌生產(chǎn)進(jìn)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(chǎn)生了嚴(yán)重的危害

5

鐵路維護(hù)修理工作繁重，激光清洗技術(shù)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(fù)工作進(jìn)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(yīng)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(hù)基材；

3

無耗材綠色清洗技術(shù)，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(zhì)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(yīng)的焊前預(yù)處理的需求也會增加，激光清洗技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對基材無損害且無二次污染的焊前預(yù)處理，是保證焊接質(zhì)量的好幫手。