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解決方案

激光清洗在焊前預(yù)處理中的應(yīng)用

星之球科技 來源:激光內(nèi)參2017-09-15 我要評論(0 )   

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(diǎn)。對于激光焊接來講,焊接質(zhì)量至關(guān)重要。

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(diǎn)。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(diǎn)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(jī)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(jì);
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(jī)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(jī)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(yùn)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(yùn)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(fèi)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(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?yàn)殇撥壓附?,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(yùn)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(diǎn):
 
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(shí)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(jī)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(qiáng)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。

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激光清洗預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用
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