[发明专利]一种脉冲激光清洗不锈钢表面高温氧化层过程中能量密度在线优化方法

说明书

本发明公开了一种脉冲激光清洗不锈钢表面高温氧化层过程中能量密度在线优化方法，基于不锈钢高温氧化层与基体成分的明显差异，采用光谱仪进行激光清洗过程中光谱信号监测，利用得到的Fe元素和Cr元素的特征等离子体信号峰相对强度比作为判定清洗状态指标，监测精度高、数据处理简单，响应时间短；本发明通过主动优化和被动优化激光能量密度，既保证激光清洗效果，亦可有效减少能源消耗，降低激光清洗成本。本发明通过光谱监测及反馈快速优化能量密度后即通过监测结果对未完全清洗区域进行在线二次清洗，由于光谱响应时间很短，未被完全清洗区域小，加工效率高。

技术领域

本发明属于表面清洗技术领域，具体涉及一种脉冲激光清洗不锈钢表面高温氧化层过程中能量密度在线优化方法。

背景技术

不锈钢不仅耐腐蚀性强、力学性能优异而且成本相对较低，是目前建筑、家电、医疗等行业广泛使用的材料之一。与普通低合金钢相比，不锈钢产品主要依靠其中Cr、Ni等合金元素在产品表面产生稳定的钝化膜，显著提升表面耐蚀性能。然而，从冶炼至最终使用前，不锈钢产品通常还需要经过铸造、锻造、热轧、冷轧等复杂加工过程。其中，在热加工阶段，由于温度过高且加工时间长，不锈钢表面会产生富Cr的高温氧化层。热轧不锈钢高温氧化层通常呈黑色，与基体结合强度高且厚度大，会严重影响后续加工产品质量与表面性能；必须被清洗去除。

激光清洗是一种新兴的表面清洗技术，具有使用材料适用范围广、对基体损失小以及环保等优势，是面向不锈钢表面高温氧化层的理想清洗方法。为了保证激光束能量密度，激光清洗时光斑直径一般被聚焦至微米级别。激光清洗过程中，待清洗表面放置于激光束焦点附近，通过高能激光束在表面线性填充扫描，实现一定面积内污染物的精密去除。然而，实际生产过程中，不同种类、不同规格的不锈钢产品，或同一表面不同区域的氧化层厚度、类型以及其与基体结合强度等均有一定的差异。在固定的参数下激光清洗时，容易出现清洗不完全或因过度清洗而产生二次氧化。此外，与激光清洗其它污染物类似，激光清洗不锈钢表面高温氧化层时，存在清洗阈值至损伤阈值，虽然激光能量密度在清洗阈值至损失阈值之间时均可实现高温氧化层的有效去除，但是较大的激光能量密度会提高清洗加工的能耗，增加清洗成本。根据实际应用需要，有必要开展激光清洗不锈钢表面高温氧化层过程中激光能量密度在线优化，在保证氧化层能被有效去除的同时降低能耗以及避免对基体的损伤。

事实上，近年来利用加工过程在线监测，明确激光清洗状态，优化激光清洗参数已经得到广泛关注，包括图像信号、声信号、光谱信号等在线技术已在激光清洗领域得到一定应用。但是，如何针对不锈钢表面高温氧化层特点，实现实时、精确、简单的清洗状态监测，快速反馈及优化激光加工参数仍存在较大难度。

发明内容

由于不锈钢热加工后表面高温氧化层主要由Cr、Mn、O等化学元素构成，而基体主要为Fe、Cr、Mo元素。虽然Fe元素的等离子体信号易被激发，但高温氧化层未被完全清洗前，Cr元素的等离子光谱信号通常更强；高温氧化层被有效清洗时，脉冲激光作用在不锈钢基体，Fe元素的等离子信号会显著增强。本发明针对不锈钢表面高温氧化层激光清洗过程中激光能量密度在线优化问题，利用不锈钢高温氧化层与基体成分的明显差异，基于激光清洗过程中等离子体光谱在线监测与反馈，开展清洗过程中动态的能量密度优化。

本发明采用的技术方案如下：

一种脉冲激光清洗不锈钢表面高温氧化层过程中能量密度在线优化方法，具体步骤包括：

(1)取表面含有高温氧化层的不锈钢样品为待激光清洗样品，开展不同能量密度下激光清洗及在线光谱监测。根据监测结果，初步确定不锈钢表面高温氧化层有效清洗的激光束能量密度范围，并基于此设定优化激光能量密度的步长；同时，利用光谱仪采集采用Fe元素和Cr元素的特征等离子体信号峰，将其相对强度比作为激光清洗状态的监测指标，明确未完全清洗和有效清洗时监测指标的临界值；其中：

所述不锈钢种类包括奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢等。

所述高温氧化层包括铸造、锻造、热轧等热加工产生的氧化层。