激光清洗锈层的去除与钝化.docx

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激光清洗锈层的去除与钝化

激光清洗：

锈层的去除与钝化

第一节双光束激光湿洗除锈并同步实现均匀钝化

金属表面与其周围介质发生化学或电化学反应，使金属遭到腐蚀破坏，这种现象称为金属的腐蚀。

金属遭到腐蚀的后果是非常严重的。

腐蚀会使金属表面失去光泽，变得锈迹斑斑；会使仪器仪表丧失精度而报废。

金属一旦发生腐蚀而不及时采取措施，会使腐蚀的程度越来越大，越来越深，使得金属构件或工件丧失机械性能而报废，同时，金属腐蚀也是一种资源浪费，其程度是非常惊人的。

各种金属的腐蚀中，以铁的腐蚀最为严重，世界上每年因腐蚀造成的钢铁损失占钢铁总量的1/5~1/4[1]。

传统的除锈方式多采用机械除锈（包括喷砂）、高压水射流除锈与化学方法除锈，可是机械方法强度大，固体废弃物污染严重，高压水射流方法易形成二次腐蚀，化学方法多使用酸液，需拆卸清洗对象，且不适用大型工件[2]。

自激光器问世以来，激光清洗的方式随之被提出[3]，国内也相应开展了有关激光除锈的工作[4]。

干式激光清洗的清洗效率较低[5]，同时高功率激光作用下，钢铁表面会出现黄化的损伤现象[6]，可是湿式激光清洗需要涂覆液膜，液膜的引入如处理不当，会造成二次腐蚀[7]。

与此同时在激光的表面改性领域，激光冲击强化改善合金的耐磨性、耐疲劳性等的技术手段也陆续被提出[8-9]。

因此针对以往激光清洗中存在的困难，本章提出一种双光束湿洗除锈并同步实现均匀钝化的方法和装置，脉冲CO2激光用来湿洗除锈，有效提高清洗效率；准连续Nd:

YAG激光用来除水、钝化，提高清洗后基底的抗腐蚀性。

3.1.1钢铁的裂隙腐蚀

（1）铁锈的化学成分与物理结构

铁锈的组成成分很复杂，是一种混合物，因外界的条件不同而成分不一。

图3.1-1中列出了铁的各种腐蚀产物[10]。

图3.1-1铁的腐蚀产物

（2）钢铁的腐蚀过程

钢铁在大气中的腐蚀，分为化学腐蚀和电化学腐蚀，其中电化学腐蚀为主，电化学腐蚀根据环境酸碱度（pH值）的不同，分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种，通常情况下环境是中性或弱碱性的，因此钢铁的主要腐蚀方式是吸氧腐蚀。

具体说明下铁吸氧腐蚀的一般过程：

首先发生的是初始腐蚀，电化学过程生成Fe2+和OH-离子，随后Fe2+被O2氧化成Fe3+；Fe3+与OH-结合生成Fe（OH）3的凝胶体；水和氧气可以很容易的穿透这层凝胶层，使得电化学反应得以继续进行，凝胶层继续变厚；随着时间的推移，表层的Fe（OH）3凝胶体脱水（即使在水存在的情况下），生成FeOOH；FeOOH有两种结构，黄棕色的α-FeOOH和橙色的γ-FeOOH，在最初形成的FeOOH中，γ-FeOOH是主要的，可是γ-FeOOH会逐渐转化为α-FeOOH，α-FeOOH是一种致密的结构，会在初始腐蚀的末段暂时形成一层致密的保护层，阻止O2和H2O进入内部，那么腐蚀就暂时停止了。

可是α-FeOOH会进一步缩水，生成α-Fe2O3，虽然α-Fe2O3本身也是一种致密的结构，可是脱水的同时会在原来的保护层上形成缝隙或孔，并最终形成连接铁层和外面空气的通道，这样原来的保护性锈层将不再存在，新一轮的锈蚀将会开始。

缝隙腐蚀的阴极和阳极反应发生在不同的缝隙深处，产生的Fe2+和OH-不能直接发生接下来的氧化反应，而是在缝隙外的其它地方发生，于是这样的缝隙不能及时的被生成的Fe（OH）3凝胶体充满，也就不能进一步生成较致密的FeOOH，于是腐蚀就会进一步加重[11]。

在大气中生成的铁锈，其主要成分为FeOOH、Fe2O3·xH2O、FeO·xH2O和Fe3O4·xH2O，钢铁的腐蚀过程属缝隙腐蚀，因此铁锈只能在铁的表面形成一层疏松多孔的氧化皮，不能起到封闭保护的作用，水和氧气及其它对铁具有腐蚀作用的气体（SO2、Cl2等），可以通畅渗入，使铁不断被锈蚀。

而正是因为铁锈具有这种疏松多孔的结构，使水或其它液体可以渗入，使得铁锈可以采用湿式激光清洗的方式去除，利用渗透到铁锈内部的水或其它液体对铁锈本身热学性质的改善以及自身的爆发性气化使锈层破碎，可有效提高激光清洗的效率。

3.1.2双光束清洗装置

对于多孔疏松结构的层状污染物，使用湿式激光清洗的效率要比使用干式激光清洗高得多。

湿式清洗中常用的液膜溶液是水。

可是对于除锈，水的引入如果处理不当，会造成钢铁的二次腐蚀，降低了这种清洗方式的有效性。

在我们的这套实验装置中，同时拥有两束激光，一束是用于除锈的清洗用激光，一束用于去除前面湿洗时的液体残余。

清洗用激光使用重复频率几十Hz，高单脉冲能量的脉冲激光器，这样在保证清洗效率的前提下，不会由于热沉积造成基底的不可逆损伤。

清洗激光以线扫描方式运行，往复多次，在最后一次清洗时（即这次清洗后锈层会被完全去除），同步开启钝化用激光器，这种激光器采用高重复频率激光器或连续激光器，在较低功率下运行，给基底表面均匀加热，去除液膜残余的同时，实现表面的均匀钝化。

图3.1-2所示是模块化的双光束湿洗装置，它有4个主要组成部分：

（1）双光束输出头，包含清洗用激光束和钝化用激光束，

（2）水膜预涂覆系统，（3）3D电动平台，（4）动力系统和控制单元。

a、使用脉冲CO2激光器作为清洗用激光器。

使用这种激光器作为清洗光源的原因有：

一是相比于紫外、可见与近红外YAG激光，铁、钢基底对10.6μmCO2激光的吸收较低，如图3.1-3所示，不易对基底造成黄化等损伤，二是10.6μm是水的强吸收波段，有利于湿式激光除锈，三是10.6μm光的穿透深度很大（穿透深度正比于波长），脉冲激光烧蚀机制下，一个脉冲能够烧蚀掉的污染层厚度与光穿透深度与热扩散深度的较大者的量级一致，因此清洗效率更高。

图3.1-2双光束激光湿洗装置示意图

图3.1-3各种金属吸收系数随波长的变化[10]

对于脉冲CO2激光器的要求一是峰值功率高，能够达到清洗对象的烧蚀阈值，二是平均功率也较高，能够实现较高效率的清洗作业。

可以采用中科院电子所研制的横向激励高气压二氧化碳激光器（TransverselyExcitedAtmosphericpressureCO2laser），简记作TEACO2激光器。

该激光器的谐振腔采用平凹腔结构，波长10.6μm，最大单脉冲输出能量可达15J，激光脉冲的10%极大值处的全宽度约为3μs，半极大值处全宽度小于200ns。

b、使用高重复频率Nd:

YAG激光器作为钝化激光器

使用这种激光器作为钝化激光器的原因恰恰与前面使用CO2激光器作为清洗激光器的原因相反。

一是1.06μmYAG激光是铁质材料的强吸收波长，如图3.1-3所示，这样激光加热时的使用效率较高，二是1.06μm激光的穿透深度较浅，激光作为一种热源，提供的热量主要存在于金属基底的表面及浅层区域。

对高重复频率Nd:

YAG激光器的要求较为宽松，中小功率的机型就可以满足除水和钝化的能量需求。

可以采用声光调Q的Nd:

YAG激光器，如我们实验室自组装的一台连续氪灯泵浦声光调Q的激光器，单氪灯、φ6Nd:

YAG棒、紧包裹水冷、镀金椭圆柱腔、氪灯电源最大电流22A；英国古奇公司的声光Q开关，熔融石英作为声光晶体，重复频率范围为0.5kHz-50kHz，声光Q驱动内控采用固定激光出光时间（5μs）的模式，激光脉冲宽度随重复频率小范围变化，100-250ns。

激光波长1.06μm，谐振腔长700mm，输出镜透过率20%。

连续运转时，激光最高功率100W，调Q运转时，输出功率随重复频率变化，3kHz时最高为40W。

c、双激光束的传输

石英光纤对10.6μm激光强烈吸收，因此脉冲CO2激光不能使用普通传能光纤传播，可以选择的传输方式是自由空间传播或使用导光臂传播。

声光调QNd:

YAG激光可使用传能光纤传播，也可以使用导光臂传播。

综合两种波长激光的传输特性，可以采用多关节双镜筒望远镜式导光臂，并行传输两路激光。

这种导光臂的前端两个关节是分开独立的，分别将CO2激光器和YAG激光器产生的激光耦合到导光臂的两个分支镜筒里，后面的多个关节是合并在一起的，满足导光臂灵活性要求的同时，实现中短程闭路传输激光光束的作用。

d、水膜预涂覆系统

水膜涂覆系统主要由储水箱、喷嘴和触发控制电路组成，如图3.1-4所示。

触发控制电路包括触发器和方波信号发生器，这里使用74hc123芯片。

每一个激光脉冲发出，激光器都会促使触发器向74hc123芯片发出一个高电平，这一触发信号作为芯片的输入信号，芯片的输出信号同样为一方波，方波的周期与脉冲激光周期相同，高电平持续时间为

（3.1）

其中K为常数，对于5V供电电压芯片，K的值为0.45，通过调节芯片外接的电阻值R和电容值C，使水膜预涂覆的持续时间略小于脉冲激光周期，实现对喷嘴开启与关闭的周期性控制。

图3.1-4水膜预涂覆系统

喷嘴喷涂液膜，由于水在样品表面的激溅，不可避免的会在样品表面留下残余，当清洗激光结束之时，这些残余仍部分的存在。

需要说明的是在我们的实验装置中是通过激光脉冲控制水膜的预涂覆的，在第一个激光脉冲作用之前是没有水膜的，第一个激光脉冲作用之后，激光脉冲的下降沿向触发器输出信号，然后触发器向74hc123芯片发出触发信号，触发信号的上升沿使芯片输出高电平，开启水膜喷嘴的电控开关，在清洗样品表面喷涂上一层水膜。

如此循环。

当表面被清洗干净之后，停止激光，这时前一个激光脉冲仍向水膜预涂覆系统发出喷涂水膜的信号，额外的一次水膜喷涂就会发生。

基于以上两方面的原因，在清洗结束之后，样品表面会有一些水膜的残余。

这些残余的水膜需及时处理。

3.1.3激光湿洗除锈的清洗阈值和物理机制

CO2激光湿洗除锈的有效性已经被YangsookKoh和IstvanSárady证实[12]，清洗相关的技术参数可用如下方式确定。

（1）清洗阈值

假设清洗用激光是TEM00模输出，基模高斯光束能量密度的空间分布为：

（3.2）

其中

是中心处的激光能量密度，

是束腰半径。

激光清洗过程存在清洗阈值，只有能量密度高于阈值才能实现有效的清洗。

高斯光束的特点就是中心能量密度最高，沿径向递减，因此清洗区域是一个圆，面积为：

（3.3）

由（3.2）和（3.3）不难得出清洗面积与激光能量密度之间的关系为

（3.4）

使用激光能量计能够测量整个激光脉冲的能量：

（3.5）

通过刀口法可确定r0的值，继而确定

的值。

由（3.4）和（3.5）我们可以得到清洗面积与激光单脉冲能量之间的关系为

（3.6）

由（3.6）我们知道清洗面积A与激光单脉冲能量的对数成线性关系，而直线与横轴的截距减去一个已知常数就表征了激光湿洗的阈值。

（2）激光湿洗除锈的物理机制

一般说来，当固体材料表面吸收的激光功率密度足够大时，物质就会离开表面，被发射出去，其中有些物质还会变成气态。

气态物质的主要成分是被激发、被电离的原子和电子。

激光与物质的反应类型与反应过程由众多因素决定，如材料的天然性质，物理与化学特性，材料的表面状态；使用激光的波长、脉冲宽度、功率密度；环境的影响，例如周围大气的组分、湿度、气压等等[13]。

激光与层状材料之间的相互作用为脉冲激光烧蚀作用，大体可以分成三大类：

光热过程、光物理过程与光化学过程。

光物理过程与光化学过程相似，都是将大块物质分解为小块物质的过程，其中光物理过程吸收光能破坏的是小块物质之间的物理结合力，如范德瓦尔斯力与静电力，而光化学过程是吸收光能，尤其是紫外激光，破坏大分子的化学键，使大分子分解为小分子的过程[14]。

10.6μm红外激光除锈属于光热过程。

当没有预涂覆水膜时，这一过程是干式清洗过程，清洗阈值即为表层污染物的烧蚀阈值，饱和阈值即为表层污染物的光击穿阈值。

当激光能量密度超过表层污染物的烧蚀阈值、但又低于光击穿阈值时，污染层物质会因吸收激光能量，快速的热膨胀，最终表现为污染物层中由于上层污物膨胀压缩下层污物而受到下层污物的反作用力，造成上下层污物之间爆发性的分离，使上层物质去除。

当激光能量密度超过表层污染物的烧蚀阈值，进而超过污物的光击穿阈值时，污物被激光电离产生密集的等离子体，等离子体膨胀产生冲击波，强劲的冲击波压缩下层污物，同样的下层污物也会产生强劲的反冲作用力，使上层污物与下层污物脱离。

当在表面预涂覆液膜后，由于铁锈是疏松多孔的结构，液膜会渗透到铁锈的内部结构中去，注入的液体能够改善锈层的热传导和提高材料的平均比热。

同时使用激光照射，除了原有的热膨胀引起的下层物质对上层物质的反冲作用力以外，铁锈孔间的液体会因吸收激光能量而爆发性的气化膨胀，对锈层起到破碎分解的作用，可以有效提高激光清洗的效率。

3.1.4液膜残余的去除与激光的主动钝化

（1）基底表面残余水分的去除

虽然使用湿洗除锈能够有效提高清洗的效率，但是如果铁质基底表面留有水分的残余，会造成已清洗好的钢铁表面的二次腐蚀。

为解决这一问题，特在原清洗用激光束旁并行的加入一钝化激光。

钝化激光应选用准连续激光器或连续激光器。

1.06μm激光不易被水直接吸收，而是透过残余水膜被下层的铁基底吸收。

而1.06μm激光的穿透深度与激光光斑的面积相比很小，因此这一激光加热过程可使用一维模型来描述。

为简单起见作定性分析，假设激光脉冲的时间形状是一个矩形，我们只计算铁基底表面的温度，假定铁基底厚度足够大，采用一维前端导热无限长度矩形脉冲模型

，

（3.7）

其中

是铁的密度，为7.86

，c是铁的比热，460

，k是铁的热导率，46.52

，

为脉冲激光宽度，100ns。

z坐标轴的正向为表面的法向指向铁基底的内部。

边界条件为

（3.8）

其中

是铁对1.06μm激光的吸收系数，这里是0.36。

是激光的平均峰值功率密度，约为

。

（3.7）和（3.8）两式可得到温度分布的解析解：

（3.9）

其中

，是铁材料的热扩散系数，数值为

。

只考虑表面温度，即令z=0，可得

（3.10）

带入以上数据，并令

，可得一个脉冲作用之后铁基底的表面温升为

（3.11）

准连续激光的重复频率很高，0.5kHz-50kHz之间，因此一个脉冲作用之后，热量来不及散失，第二个激光脉冲就又作用在了同一位置。

因此可以通过控制作用在同一位置上的脉冲个数来控制铁基底表面的温升。

湿洗时残留在铁基底表面的液膜很少，准连续激光器的重复频率很高，只需很短时间就可以通过基底加热液膜，使液膜气化从表面脱离。

这样就消除了液膜残余引起的二次腐蚀的可能性。

（2）均匀钝化的实现

针对Fe的腐蚀机制，人为的通过各种办法使铁表面生成一层致密的氧化物薄膜，保护内部的金属，这种工艺就是钢铁的钝化。

传统的钝化工艺是使用酸化的办法[1]。

激光照射钢铁表面同样能够实现钝化[15]，但是使用的激光器是XeCl准分子激光器，相比于我们所使用的固体激光器造价昂贵，不利于实用。

在我们这里第二束激光在做完残余液膜清洗的同时，会加热金属基底，由于前一步激光湿洗的特点，清洗后的样品表面是比较光洁而均匀的，这时我通过激光均匀的给表面加热，使表面在同一较高温度下加快氧化反应，生成透明氧化铁薄膜，同样是一种致密的结构，实现了激光致钝化，这种钝化的均匀性通过合理控制激光参数能够实现。

3.1.5总结

本章针对锈层多孔疏松结构的特点，采用脉冲CO2激光器湿洗清除钢铁表面的锈蚀，使用这种激光器的原因有三：

一是钢铁基底对10.6μm激光的吸收较低，不会对基底造成黄化等损伤，二是10.6μm是水的强吸收波段，有利于湿式激光除锈，三是10.6μm光的穿透深度很大（穿透深度正比于波长），脉冲激光烧蚀机制下，一个脉冲能够烧蚀掉的污染层厚度与光穿透深度、热扩散深度的较大者的量级一致。

通过喷涂液膜，使液体渗透到锈层内部去，这样注入的液体能够改善锈层的热传导和提高材料的平均比热，同时液体自身的受热爆发性气化也会起到破碎锈层的作用，能够有效提高激光清洗的效率；但是不利的地方就是，液体如果有残余会加剧铁的电化学腐蚀，必须及时再把残余的液膜去除。

针对液膜的残余，使用第二束声光调QNd:

YAG激光加热去除铁基底表面的残余，根据所选用激光器的特点，可以通过控制激光脉冲个数的方式控制表面的温度，使得表面残余的液膜去除之后，加热铁基底表面，加快铁基底表面的氧化过程，生成致密的透明氧化铁薄膜，形成均匀钝化，有效提高了清洗后铁质材料的抗腐蚀性。

根据上面的实验特点，设计了一种双光束激光湿洗装置，使清洗、钝化一步完成，适用于清洗后表面光洁度要求较高的钢铁制品。

第二节中等脉冲宽度激光器扫描清洗除锈与钝化

3.2.1引言

高功率激光器系统已经广泛应用在激光材料加工领域，具有非常大的工业应用前景和潜力，具体包括除漆、除金属氧化物（对于钢铁，就是除锈）。

高功率高重复频率激光器在激光清洗锈蚀方面的应用吸引了相关学者和工程专家的关注[16]。

王等研究了激光能量密度、脉冲重复频率、光束扫描速度三项参数对A3钢表面锈蚀去除的影响，并且指出经过激光清洗的A3钢表面的抗腐蚀性得到了改善[17]。

Lu等使用准分子激光器在空气环境中照射不锈钢表面，使不锈钢表面出现了变色反应，经检测是在不锈钢表面形成了氧化铁（Fe2O3）和磁性氧化铁（Fe3O4）。

而通过引入真空装置，清洗不锈钢表面的变色反应将不再发生[18]。

在开展激光清洗锈蚀研究的同时，金属表面的激光处理却常常希望能够改变金属的化学组成或物理特性，以适合最终的应用。

对于钢铁制品，抗腐蚀性是最重要、也是最需要加以改善的特性。

Kwok[19]和Conde[20]等分别使用千瓦级连续Nd:

YAG激光和CO2激光在氩气环境下照射不同不锈钢材料的表面。

激光照射引起了材料表面的熔化，同时坑蚀抗性（cavitationerosionresistance）和点蚀抗性（pittingcorrosionresistance）都得到了改善。

尤其需要指出的是Conde发现在钢铁表面形成了一层均匀的、厚度非常小的、胞状枝形结构（cellulardendriticstructure），这层表面物质是激光表面熔化过程中与大块沉淀物分离得到的，对钢铁抗腐蚀性的改善有非常重要的作用。

Pereira等[21]使用不同波长、不同脉冲宽度的激光器在空气环境下对钢铁制品表面进行激光处理，结果显示处理后的钢铁制品表面产生了铁的氧化物（FeO,Fe2O3,和Fe3O4）和氮化物（Fe2-3N）。

覆盖住钢铁表面的新生成物具有多层结构，上层物质是在激光等离子体烧蚀羽中产生、然后再次沉积到钢铁制品表面的；下层物质是熔化的金属层氧化形成的。

这种多组分的不均匀层对改善金属基底的抗腐蚀性没有明显作用。

但是对于常规的重度锈蚀层，锈层分解、等离子体烧蚀羽中形成铁氧化合物等现象的发生都是不可避免的，上层的二次沉积现象是必然要发生的，这是由重度锈蚀的激光清洗机制为脉冲激光烧蚀所决定的。

重度锈蚀层的直接清洗钝化是不易实现的。

对于厚锈蚀层，激光处理过后，无论所选择的激光器的波长、脉冲宽度有什么不同，都会使基底表面出现剧烈的黑化反应（drasticdarkening），而这种黑化反应的出现与铁锈的受热脱水反应有关[22]：

2α-FeOOH[orγ-FeOOH]+hv→γ-Fe2O3+H2O

6γ-Fe2O3+hv→4Fe3O4+O2

在激光处理金属制品的过程中，其它物变、相变过程在一定条件下也会发生[23]：

这些物变与相变都与脉冲激光加热过程有关，且形成的黑化表面具有钝化性，能够稳定金属制品表面，避免进一步化学反应的发生。

经过较长时间后，黑化表面没有发生进一步的变色反应，即没有转变为锈蚀层的暗灰色，也就是说没有新的锈层生成[24]。

对于一种特殊类型的锈层，我们称之为浮锈（floatingrust），是碳钢（carbonsteel）在潮湿环境中短时间内形成的腐蚀产物，属于腐蚀发生初期的锈蚀层。

浮锈层的厚度很小（几个微米），且与铁基底之间通过非价键的弱相互作用结合，使用激光清洗方式对浮锈层进行去除的过程中，可以使激光能量密度在低于锈层气化阈值的条件下进行。

这时清洗作用来自于锈层下的铁基底层对激光能量的吸收并由此产生的热弹性膨胀，没有发生锈层的分解反应，可以产生非黑化的钝化过程。

在钢铁制品腐蚀的更加严重之前，对浮锈层进行清洗，并同步实现表层钝化是具有工业应用价值的，也是本节工作的意义所在。

本节中，我们使用1064nm准连续中等脉冲宽度Nd:

YAG激光器进行激光去除浮锈的实验。

激光除锈的过程中，当激光能量密度足以加热基底表面至熔点时，清洗过后金属表面的抗腐蚀性得到了提高。

在调节激光能量密度的过程中还观察到了其它几种氧化现象。

最后使用ANSYS软件对激光加热过程的温度变化进行模拟，解释了各种氧化现象的出现原因以及条件。

3.2.2实验装置

激光清洗研究中尝试使用了多种类型的激光器系统，波长范围从193nm到10.6微米[25]。

其中在工业应用中得到使用的激光器系统主要有三种，分别是10.6微米的CO2激光器、1064nm的Nd:

YAG激光器和波长范围在193nm～351nm的准分子激光器。

材料的光吸收系数α（λ）是激光波长的函数，对于抛光表面而言，10.6微米的CO2激光只有1%，1064nm的YAG激光有20%，而308nm的准分子激光可以达到50%，差异非常大[26]。

相比于CO2激光，YAG激光和准分子激光具有更高的能量利用效率，对于在低于气化阈值的条件下通过激光加热金属基底产生膨胀去除表面锈层更加有利。

再进一步对比构建实验装置的总的成本，YAG激光更有价格优势，所以最终所选用的清洗激光器为Nd:

YAG型激光器。

调QNd:

YAG激光器基频运转（1064nm）发射的激光脉冲，在调Q模式下脉冲宽度为8-20ns，在自由运转模式下脉冲宽度为200-500微秒。

一种新型的中等脉冲宽度Nd:

YAG激光器已经被提出且实现商用。

有两种类型，一种是短自由运转激光器，脉冲宽度为20-120μs；一种是长调Q激光器，脉冲宽度为50ns-3μs[27-28]。

中等脉冲宽度激光器填补了常规脉冲激光器在短脉冲（纳秒脉宽）和长脉冲（微秒脉宽）中的空白区域，且不易引发激光清洗过程中由于脉冲激光的峰值功率过高所造成的基底材料的变色反应。

我们的实验中自行组装了一台准连续声光调Q的Nd:

YAG激光器，激光的脉冲宽度随泵浦电流和重复频率变化，从一百多纳秒到几个微秒。

在3kHz重频下，最大输出功率为30W，此时的脉冲宽度为150ns。

如图3.2-1所示。

图3.2-1激光除锈装置示意图

我们这台自组装的激光器系统与中等脉冲宽度激光器中的长调Q型激光器具有相近的输出特性，在固定泵浦电流和重复频率的情况下通过外置光学衰减器件可连续调节激光器的输出功率。

激光光斑通过聚焦在样品表面上的光斑半径为0.02cm。

要使材料实现相同的峰值温度升高，所需要的激光能量密度与脉冲宽度之间满足平方根反比关系[29]。

也就是说相比于10ns的短脉冲激光，150ns的中等脉冲宽度激光，需要使用四倍于短脉冲激光的能量密度才能使表面达到相同的温度。

在能量的作用效果上，短脉冲激光具有非常大的优势。

但是中等脉冲宽度激光器系统容易与高能光纤对接，实现远程的低损耗传输[30]。

这一特性对远距离清洗操作的实现有益，是技术发展的一种趋势和导向。

同时对于长脉冲而言，热影响区域更大，这样有利于在铁基底的深层发生氧化反应。

所不利的因素是，随着深度的增加，氧的含量降低，形成的氧化层会出现分层现象，上层为Fe3O4，下层为FeO，不利于钝化层的形成[31]。

需要合理的调节激光参数，使激光加热过程能够起到均匀氧分布的作用。

为了实现远程操作和大面积清洗，我们使用了一根长3m、纤芯直径800微米的高能石英光纤来传输激光光束。

单振镜以恒定的线速度往复扫描并反射入射