一种降低大功率脉冲激光清洗金属表面残余应力的方法

摘要

本发明提供了一种降低大功率脉冲激光清洗金属表面残余应力的方法，属于激光清洗技术领域。本发明先提供一种由正硅酸钠和γ‑缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷组成的水基混合液，将该水基混合液喷洒于已采用大功率短脉冲激光清洗金属表面污染物后的表面上，选择低功率激光以S型扫描路径进行激光扫描清洗，激光平均功率为50～150W，脉冲激光的峰值功率密度为1.0×107～4.0×107W/cm2。采用本发明的方法，可以显著降低大功率短脉冲激光清洗金属表面的残余应力。该方法具有工艺简单实用、成本低、可连续作业等显著特点。

权利要求

1.一种降低大功率脉冲激光清洗金属表面残余应力的方法，其特征在于，在大功率短脉冲激光清洗金属表面污染物后，在激光清洗后的金属表面喷洒水基混合液，选择低功率激光清洗参数，并以一定的扫描路径进行激光扫描；该方法通过将激光清洗金属表面残余拉应力转变为残余压应力，从而降低大功率脉冲激光清洗金属表面残余应力；

其中，所述大功率短脉冲激光清洗中，激光平均功率为500W；所述低功率激光清洗中，激光平均功率为50～150W；

所述水基混合液为含有水、正硅酸钠和γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷的混合液。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水基混合液中，正硅酸钠的质量百分比浓度为2％-8％；γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷的质量百分比浓度为2％-8％。

3.根据权利要求1-2任一所述的方法，其特征在于，正硅酸钠与γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:1-3。

4.根据权利要求1-2任一所述的方法，其特征在于，在激光清洗后的金属表面喷洒水基混合液的厚度为5-15μm。

5.根据权利要求1-2任一所述的方法，其特征在于，所述低功率激光清洗参数为激光平均功率为50～150W，脉冲激光的峰值功率密度为1.0×107～4.0×107W/cm2，以S型扫描路径进行扫描。

说明书

一种降低大功率脉冲激光清洗金属表面残余应力的方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光清洗应用技术领域和金属表面预处理技术领域，具体涉及一种降低大功率短脉冲激光清洗金属表面残余应力的方法。

背景技术

[0002] 表面清洗是制造和再制造业经常性的工作，其清洗质量对制造和再制造产品的性能有极大影响，特别是近年来环境保护的需求越来越高，清洗过程中环境友好性被高度重视。激光清洗是一项绿色表面清洗技术，具有清洗过程绿色、清洗表面优质、清洗工艺简单、清洗成本低、易于实现精确控制，可使表面清洗与产品制备一体化等优点。激光清洗与传统清洗方法如超声波清洗法、化学溶剂法、水射流清洗法等技术比较，具有明显优势，如与化学溶剂超声清洗法比较，激光清洗没有在清洗过程中引入任何有毒的化学物质，不会对环境造成二次污染；与目前工业领域常用的水射流磨料清洗法比较，激光清洗不会在清洗过程造成关键重要零部件表面损伤，也不会造成水资源的严重浪费。

[0003] 激光清洗技术由于其突出优点，近年来发展迅速，有望解决制造与再制造过程中表面污染物绿色化清洗难题。在激光清洗金属表面污染物时往往需要高效率和高质量，所以激光清洗金属表面污染物时常常采用大功率短脉冲激光，如平均功率大于500W，采用大功率短脉冲激光虽然对清洗金属表面污染物非常有利，但人们没有对大功率脉冲激光清洗金属表面污染物时引起的表面残余应力给予重视，而金属表面过高的残余拉应力对其疲劳寿命、耐磨损、抗腐蚀等性能均会产生非常不利的影响。

[0004] 如专利一种金属表面的短脉冲激光清洗方法(200810134880.6)就采用激光清洗技术，在真空环境或氩气等保护气氛下对钛合金、铝合金焊接前表面污染物进行激光清洗；专利一种金属表面污物激光清洗系统及方法(CN 103817113 A)给出了激光清洗锈蚀、油污和漆层的方法和实例。但上述专利都没有涉及激光清洗过程中表面残余应力的问题。表面残余应力是一种弹性应力，一般由局部不均匀的塑性变形造成的。表面残余应力对产品的疲劳强度、耐磨损、耐应力腐蚀、尺寸稳定性和使用寿命等均有十分重要的影响。表面残余应力分为表面残余压应力(应力值σ为负值)和表面残余拉应力(应力值σ为正值)，其中表面残余压应力有利于产品的疲劳寿命、耐磨损、抗腐蚀等性能的提高，而残余拉应力会对产品的疲劳寿命、耐磨损、抗腐蚀等性能产生不利影响。从目前的文献以及专利检索看，人们对激光清洗过程清洗表面的残余应力的演变规律没有研究，对在激光清洗过程中如何避免残余拉应力的产生，以及采取什么技术方法使表面残余拉应力转换为残余压应力，均无报道。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种降低大功率短脉冲激光清洗金属表面残余应力的方法，以及将金属表面残余拉应力转变为残余压应力的方法。

[0006] 本发明提供的一种降低大功率脉冲激光清洗金属表面残余应力的方法，是在大功率短脉冲激光清洗金属表面污染物后，在激光清洗后的金属表面喷洒水基混合液，选择低功率激光清洗参数，并以一定的扫描路径进行激光扫描，即可显著降低大功率短脉冲激光清洗金属表面的残余应力。

[0007] 本发明的上述方法中，所述水基混合液为含有水、正硅酸钠和γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷的混合液。

[0008] 优选地，所述水基混合液由水、正硅酸钠和γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷组成。

[0009] 进一步地，所述水基混合液中，正硅酸钠的质量百分比浓度为2％-8％；γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷的质量百分比浓度为2％-8％。

[0010] 更优选地，正硅酸钠与γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:1-3。

[0011] 在本发明的上述方法中，在激光清洗后的金属表面喷洒水基混合液的厚度为5-15μm。优选10μm。

[0012] 本发明的降低大功率脉冲激光清洗金属表面残余应力的方法中，所述低功率激光清洗参数为激光平均功率为50～150W，脉冲激光的峰值功率密度为1.0×107～4.0×107W/cm2，以S型扫描路径进行扫描。

[0013] 其中峰值功率密度＝4P/f·πD2·ι，其中f为重复频率，D为光斑直径，P为该重复频率下的激光平均功率，ι为脉冲宽度。

[0014] 另一方面，本发明提供了一种水基混合溶液，含有水、正硅酸钠和γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷，在所述水基混合液中，正硅酸钠的质量百分比浓度为2％-8％，优选4％；γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷的质量百分比浓度为2％-8％，优选4％。

[0015] 优选地，所述水基混合液中，正硅酸钠与γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:1-3。更优选地，正硅酸钠与γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:1。

[0016] 本发明提供了上述水基混合溶液在降低激光清洗金属表面残余应力、延长金属疲劳寿命、提高耐磨损和/或抗腐蚀性能中的应用。

[0017] 本发明还提供了上述水基混合溶液在将激光清洗金属表面残余拉应力转变为残余压应力中的应用。

[0018] 本发明的方法可以使大功率短脉冲激光清洗金属表面的残余应力大幅度降低，对激光清洗表面没有损伤，对被清洗材料的力学性能没有影响。本发明具有下列显著效果：

[0019] (1)采用低功率短脉冲激光扫描大功率短脉冲激光清洗金属表面，能显著降低清洗表面的残余应力。如采用500W大功率短脉冲激光清洗45钢腐蚀表面时，其清洗表面的残余应力为拉应力，其应力值高达198MPa。如采用本发明的低功率脉冲激光扫描激光清洗表面液膜的方法，激光清洗表面的残余应力由残余拉应力变为残余压应力，其应力值为-193MPa。

[0020] (2)低功率脉冲激光扫描时，在清洗表面喷洒由水、正硅酸钠和γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷组成的水基混合液后，表面残余应力的降低更加显著。如采用500W大功率短脉冲激光清洗铝合金表面漆层时，其激光清洗表面的残余拉应力的应力值为60MPa。如采用本发明的水基混合液后，其表面的残余应力由残余拉应力变为残余压应力，应力值为-85MPa，降低的效果更显著。

[0021] 本发明的核心是大功率短脉冲激光清洗金属表面污染物后，再对激光清洗金属表面进行低功率短脉冲激光扫描的方法，以及清洗表面喷洒的水基混合液配方。本发明的关键工艺技术：

[0022] (1)在大功率短脉冲激光清洗表面喷洒水基混合液后进行低功率短脉冲激光扫描，以降低表面残余应力的方法。采用大功率短脉冲激光清洗污染表面，其清洗质量和效果都比较好，但不管是钢还是铝合金清洗表面，其残余应力都为拉应力，残余拉应力的存在对材料的疲劳寿命、耐磨损性能等都是不利的，因此如何将清洗表面的残余拉应力降低或转变为残余压应力，就是激光清洗技术面临的一个关键技术难题。本发明的低功率(50～150W)脉冲激光扫描激光清洗表面液膜的方法，有效的解决了上述难题。如大功率短脉冲激光清洗表面的残余拉应力为198MPa，采用本发明处理后表面残余压应力-193MPa，清洗表面的不仅由残余拉应力转变为残余压应力，而且其应力值提高非常显著。

[0023] (2)水基混合液组成配方。本发明的低功率脉冲激光扫描激光清洗表面液膜的方法，解决了大功率短脉冲激光清洗表面残余拉应力高的难题，但液膜的成分组成及其质量百分比对降低清洗表面残余应力有非常大的影响，本发明的水基混合液的效果非常显著。如低功率脉冲激光扫描含4Wt％正硅酸钠和γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷水基(质量比
1：1)液膜时，大功率短脉冲激光清洗表面的残余应力为-193MPa，扫描含4wt％NaCl液膜时其残余应力为31MPa。

具体实施方式

[0024] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别说明，本发明中所使用的其他物料、原料均为可以从市场上购买得到的常规原料。所使用的设备也为本领域的常规设备。本发明中未提及的操作均为本领域的常规操作。本发明实施例中残余应力采用国家标准GB/T7704-2008《无损检测X射线应力测定方法》进行测试。

[0025] 实施例1

[0026] 步骤1：大功率短脉冲激光清洗45钢表面锈蚀层。其中激光清洗参数为脉冲激光波长1064nm，重复频率10kHz、激光脉宽80ns，平均功率500W。将脉冲激光聚焦于锈蚀表面，以S型往复扫描1次，即可获得清洁的45钢表面A。

[0027] 步骤2：在清洁的45钢表面A上分别喷洒大约10±2μm厚的纯水、4Wt％正硅酸钠和γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷水基(质量比1：1)混合液、4wt％NaCl混合液，分别获得45钢表面B1、B2、B3。

[0028] 步骤3：低功率激光扫描工艺参数：脉冲激光波长1064nm，重复频率10kHz、激光脉宽为80ns，平均功率50W，脉冲激光的峰值功率密度为1.5×107W/cm2。采用上述参数，以S型路径分别扫描B1、B2、B3表面，分别获得C1、C2、C3表面。

[0029] 步骤4：分别测量45钢表面A、45钢表面C1、C2、C3的残余应力。

[0030] 表1实施例1各表面的残余应力测试数据

[0031]  表面A 表面C1 表面C2 表面C3
应力值σ/MPa 198 92 -193 31
误差Δσ ±8 ±12 ±24 ±6

[0032] 由表1可见，45钢表面A的应力值σ＝198MPa，应力值σ为正值时表示残余应力为拉应力，可见采用500W脉冲激光清洗45钢表面锈蚀层时，清洗表面的残余拉应力比较大，对清洗表面的防腐蚀性能、疲劳性能等造成不利影响。45钢表面C1和C3的应力值分别为92和31MPa，表明在清洗表面喷洒纯水和4wt％NaCl混合液后采用低功率脉冲激光扫描，清洗表面的残余应力仍然为拉应力，但其应力值已显著降低。45钢表面C2的应力值σ＝-193MPa，应力值σ为负值时残余应力为压应力，表明在清洗表面喷洒4Wt％正硅酸钠和γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷水基(质量比1：1)混合液后采用低功率脉冲激光扫描，清洗表面的残余应力已由残余拉应力转变为残余压应力。说明本实施例的清洗表面喷洒的水基混合液配方应用于大功率短脉冲激光清洗45钢表面锈蚀层后，再对激光清洗金属表面进行低功率短脉冲激光扫描，可使大功率短脉冲激光清洗45钢表面锈蚀层后清洗表面的残余应力由残余拉应力变为残余压应力。

[0033] 实施例2

[0034] 步骤1：大功率短脉冲激光清洗铝合金表面漆层。激光清洗参数为脉冲激光波长1064nm，重复频率8kHz、激光脉宽为50ns，平均功率500W。将脉冲激光聚焦于漆层表面，以S型往复扫描2次，即可获得清洁的铝合金表面A。

[0035] 步骤2：在清洁的铝合金表面A上分别喷洒大约10±2μm厚的纯水、含3Wt％正硅酸钠和γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷水基(质量比1：2)混合液、含3wt％NaCl水基混合液,分别获得铝合金表面D1、D2、D3。

[0036] 步骤3：低功率激光扫描工艺参数：脉冲激光波长1064nm，重复频率5kHz、激光脉宽为80ns，平均功率100W,脉冲激光的峰值功率密度为2.1×107W/cm2。采用上述参数，以S型路径分别扫描清洁的铝合金表面A、D1、D2、D3，分别获得A0、E1、E2、E3表面。

[0037] 步骤4：分别测量铝合金表面A、A0、E1、E2、E3的残余应力。

[0038] 表2实施例2各表面的残余应力测试数据

[0039]  表面A 表面A0 表面E1 表面E2 表面E3
应力值σ/MPa 60 12 -21 -85 -35
误差Δσ ±29 ±5 ±10 ±18 ±8

[0040] 表2为本实施例各铝合金表面的残余应力测试数据.由表2可见，大功率短脉冲激光清洗铝合金表面漆层获得的清洁的铝合金表面A的残余应力为残余拉应力，其应力值σ＝60MPa，经低功率激光扫描后，其表面A0的残余应力虽仍为残余拉应力，但其应力值已从
60MPa降低到12MPa。在大功率短脉冲激光清洗表面覆盖液膜，可以使大功率短脉冲激光清洗铝合金表面的残余应力由残余拉应力转变为残余压应力，其中本发明的实施例效果最佳，其应力值σ＝-85MPa,说明本实施例2可使大功率脉冲激光清洗铝合金表面漆层后清洗表面的残余拉应力转变为残余压应力。

[0041] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。