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400 W 有所逊色.

4 机理分析 污染物因为受吸附力的作用,牢固地固定在基体 表面.在激光清洗过程中,基体表面吸收激光能量, 由于激光的瞬态热效应,基体表面污染物受热向外膨 图8400 W 激光清洗后

304 不锈钢试 样表面三维形貌. Fig.

8 3D morphology of

304 stainless steel after laser cleaning at

400 W. 图9400 W 激光清洗后

304 不锈钢试 样表面轮廓线. Fig.

9 Outline of

304 stainless steel after laser cleaning at

400 W. Distance/mm

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 -0.12 -0.10 Height/mm -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.02 0.00 47.409 ?m -25.811 ?m 图10

500 W 激光清洗后

304 不锈钢试样表面形貌(a)及成份分析(b). Fig.

10 Morphology (a) and composition analysis(b) of

304 stainless steel sample after laser cleaning at

500 W. (a) 6.00 8.00 0.0 0.4 0.9 1.7 KCnt Energy/keV Element Wt/% At/% OK 23.26 50.95 CrK 28.64 19.30 FeK 33.61 21.09 NiK 14.50 08.65 Matrix Correction ZAF (b) 2.00 4.00 2.2

0 10.00 1.3 O Ni Cr Ni Fe Fe 图11

500 W 激光清洗后

304 不锈钢试样表面 三维形貌. Fig.

11 3D morphology of

304 stainless steel after laser cleaning at

500 W. 图12

500 W 激光清洗后

304 不锈钢试 样表面轮廓线. Fig.

12 Outline of

304 stainless steel after laser cleaning at

500 W. Distance/mm

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 -0.10 Height/mm -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 -36.056 ?m 71.417 ?m OEE | Advances

2017 年,第44 卷,第12 期1222? 胀,相当于给污染物粒子施加了方向向上的清洗力. 当清洗力大于吸附力时,污染物粒子逸出基体表面, 说明此时污染物被清洗掉.在实际激光清洗中,清洗 力的大小对应激光功率密度.激光功率越大,基体表 面升温越快,受热膨胀速度越大,导致清洗力也随之 增大.激光功率的公式表示如下:

2 π

4 d P I ? , 其中: P 为激光功率, d 为激光光斑直径[16,17] . 本实验中,激光光斑直径为

3 mm.当激光功率 为300 W 时,功率密度为 4.24*103 W/cm2 ,此时不锈 钢表面仍然留有大量氧化物,表面凹凸不平,粗糙度 值较大(1.02 μm),清洗厚度仅为

17 μm,说明

300 W 时的功率密度 4.24*103 W/cm2 已经超过不锈钢表面的 清洗阈值,但是小于基体的损伤阈值;

当激光功率为

400 W 时,功率密度为 5.66*103 W/cm2 ,此时不锈钢 表面氧化物几乎完全被清洗掉,粗糙度达到最低值 0.38 μm,而且此时表面 Cr 元素含量逐渐增加,说明 在清洗过程中触碰到基体,因此基体的损伤阈值小于 5.66*103 W/cm2 ;

当激光功率为

500 W 时,功率密度 为7.07*103 W/cm2 ,其值更加大于基体损伤阈值,因 此导致 Cr 元素含量接近基体成分,清洗厚度也达到

50 μm, 不锈钢表面粗糙不平, 对基体造成一定的损伤. 为了更精确得到不锈钢表面激光清洗阈值和损伤 阈值, 分别补充进行

250 W 和280 W、

350 W 和380 W 两组实验.由图 13(a)可知,当激光功率为

250 W 时, 不锈钢表面氧化物在激光清洗下,表面出现膨胀,但 是没有剥落.从图 13(b)的成分分析所示可以发现,不 锈钢表面清洗后 Fe、O 和Cr 元素含量与清洗前几乎 一样,说明此时激光清洗没有发挥效果.图14(a)为280 W 激光清洗后不锈钢表面形貌,发现表面块状氧 化物开始有所膨胀剥落,不过剥落量有限,清洗后仍 然存在较多的氧化物.图14(b)的成份分析发现 Cr 元 素含量增加到 6.39%,说明此时激光清洗开始产生清 图13