（机械制造及其自动化专业论文）大气常压等离子体弧清洗理论与关键技术研究.pdf

大连理t 大学博士学位论文 摘要 作为现代工业生产中的重要环节，清洗技术在各种金属制品表面处理过程中，扮演 着极为重要的角色。清洗技术的选择和清洗工艺质量的好坏不仅涉及能源节约、技术安 全、环境保护等重大问题，还直接影响到产品的性能和质量。与传统清洗技术和其它非 直接接触干法清洗工艺相比，大气常压等离子体弧清洗作为一种新兴清洗技术，在满足 金属零件清洗的需要，代表清洗技术高效、无污染、低能耗等发展趋势的同时，又具有 自身的特点和优势，越来越受到国内外学者的高度重视。虽然目前已经就等离子体产生 方式、气体种类的选择、清洗质量的评价等方面取得了一定成果，然而，由于大气常压 等离子体弧清洗是一个多理论、多学科的交叉领域，涉及到复杂的热物理、化学反应作 用过程，因而迫切需要对其清洗机理等关键问题进行深入研究。 本文针对基体表面污染物种类以及分布方式的不同，分别对斑状颗粒污染物和层状 致密污染物清洗时的能量耦合机制进行了研究。在分析颗粒污染物的粘结力、致密污染 物的层裂应变基础上，利用传热学理论和有限元法分别建立了大气常压等离子体弧与上 述待清洗工件间的三维热力耦合模型，并对界面清洗力和清洗应变等能量耦合作用进行 了有限元分析，进而揭示了弧功率、扫描速度、基体厚度、污染物厚度等工艺参量对界 面温度、界面清洗力、清洗应变的影响规律，从而为大气常压等离子体弧清洗过程中实 验参量的合理选择提供了依据。 利用导热微分方程和阿伦尼乌斯定律，针对厚度方向清洗界面移动、计算区域变化、 边界条件非线性的难题，本文建立了大气常压等离子体弧清洗反应动力学模型并确定了 频率因子、活化能等反应动力学参数，从而揭示了清洗百分比随清洗时间、金属零件表 面氛围温度的变化规律，并进行了表面水滴接触角测量、x 射线光电子能谱分析等相关 实验验证。结果表明，工件表面污染物的清洗百分比随大气常压等离子体弧清洗时间的 增大而增大，直至该污染物被彻底清除：此外，清洗对象等离子体弧热流作用侧的表面 氛围温度对清洗百分比有着重要影响，清洗百分比随氛围温度的增加而增加。 本文针对大气常压等离子体弧的能量分布显著影响清洗质量的特点，以及直接测量 难以获得电流密度分布、温度分布等弧特性的问题，在建立流体动力学方程、m a x w e l l 方程的基础上，通过有限元分析的顺序耦合法、物理环境法，研究了等离子体弧特性分 布情况并分析了弧电流、气体流量、喷嘴悬距等工艺参量对等离子体弧特性的影口向规律。 通过建立基于c c d 图像采集和等离子体弧光谱诊断技术的实验验证系统，对相同工艺 参量作用下的数值仿真结果和光谱渗断结果进行了比较，其结果较好地验证了该方法的 有效性。 大气常压等离子体弧清洗理论与关键技术研究 针对气体放电的雪崩效应、自磁压缩导致的等离子体弧能量集中在较小区域内以及 热流密度分布存在较大梯度变化的问题，本文在构建基于外加横向交变磁约束的大气常 压等离子体弧清洗能量控制装置基础上，相继建立了等离子体弧摆动幅度模型和热流密 度分布数学模型；分析了励磁强度、工作电流、气体流量、喷嘴悬距、励磁波形等工艺 参量对横向交变磁场作用下的等离子体弧摆动幅度和热流密度分布的影响规律，并进行 了相应清洗实验验证。结果表明，横向交变磁场能有效控制等离子体弧的形态和热流密 度分布，从而在保证清洗质量的同时，显著提高清洗效率。此外，弧电流和气流量越大， 摆动幅度越小、内部梯度和中心处的热流密度越大；增大喷嘴悬距，则摆动幅度增大、 而中心处的热流密度和内部热流梯度减小。 本文针对大气常压等离子体弧清洗过程中工艺参数众多，不同工艺参数对清洗质量 的影响程度不同以及有些参数之间存在交互性、相关性的问题，在大量清洗实验的基础 上，借助主成分分析法和最小二乘支持向量机技术，建立了以表面水滴接触角为评价指 标的清洗质量预测模型。在此基础上，利用人工鱼群算法对给定范围下的工艺参数组合 进行了优化选择，并与正交试验极差分析法获得的较优参数组合进行了比较。结果表明， 基于p c a s v m 的清洗质量预测模型的最大相对误差和m a p e 误差分别为3 0 5 和 2 6 0 5 ；将优选后的工艺参数组合进行大气常压等离子体弧清洗实验，则能够明显降低 水滴接触角值，即提高清洗质量。 关键词：大气常压；等离子体弧清洗；金属零件；表面质量 大连理工大学博士学位论文 s t u d yo nt h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g i e so fa t m o s p h e r i cp r e s s u r ep l a s m a a r c c l e a n i n g a b s t r a c t m e t a lp a r t sa r ew i d e l yu s e di na i r c r a f t ，a u t o m o b i l e s ，s h i pm a n u f a c t u r i n g ，a n de t c t h e i r q u a l i t ya n dr e l i a b i l i t ya r ed e t e r m i n e db yt h ec o u n t e r m e a s u r e so fe a c hl i n ki np a r t sp r o c e s s i n g a sa ni n d i s p e n s a b l el i n ki nm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，c l e a n i n gt e c h n o l o g yp l a y sa n i m p o r t a n tr o l eo nt h et r e a t m e n tp r o c e s so fm e t a ls u r f a c e b e s i d e si tc a r lr e f l e c tt h eq u a l i t y m a n a g e m e n tl e v e lo fa ne n t e r p r i s e ，t h ec h o i c eo fc l e a n i n gm e t h o d sa n dt h ec o n t r o lo fc l e a n i n g q u a l i t yn o to n l ya r ei n v o l v e d i n e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，t e c h n i c a ls a f e t y ，e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n do t h e rm a j o ri s s u e s ，b u ta l s oh a v ead i r e c ti m p a c to np r o d u c tp e r f o r m a n c ea n d q u a l i t y a san e wc l e a n i n gt e c h n o l o g y ，a t m o s p h e r i cp r e s s u r ep l a s m aa r c ( a p p a ) c l e a n i n gc a n m e e tn e e d so fm e t a lp a r t sc l e a n i n ga n dd e v e l o p m e n tt r e n do fc l e a n i n gt e c h n o l o g y ，s u c ha s 1 1 i 鲈- p e r f o r m a n c e ，n o n p o l l u t i n g ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o na n de t c f u r t h e r m o r e ，c o m p a r e d 晰t l lt r a d i t i o n a l ，o t h e rn o n d i r e c tc o n t a c ta n dd r y - c l e a n i n gt e c h n o l o g y ，a p p ah a sa t t r a c t e d i n c r e a s i n ga t t e n t i o no fd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r s a l t h o u g hs o m ea c h i e v e m e n th a v eb e e n a c h i e v e di naf e wa s p e c t ss u c ha sg e n e r a t i o nm e t h o d so fp l a s m a , c h o i c eo fw o r k i n gg a sa n d e v a l u a t i o nm e t h o d so fc l e a n i n gq u a l i t y ，t h e r es t i l le x i s ts o m ep r o b l e m si n c l u d i n gc l e a n i n g m e c h a n i s mt h a ta r er e q u i r e df u r t h e rt h e o r e t i c a la n dm e t h o d o l o g i c a lr e s e a r c h e s ，d u et oa p p a c l e a n i n gb e i n gam u l t i d i s c i p l i n a r yr e s e a r c hf i e l d ，w h i c hm e r g e dt h et h e r m o p h y s i c a le f f e c t a n dc h e m i c a lr e a c t i o n a c c o r d i n g t os u b s t r a t es u r f a c ef o rt h et y p e so fp o l l u t a n t s ，a sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i c so f d i s t r i b u t i o n ，at h r e e d i m e n s i o n a lc o u p l e dt h e r m o - m e c h a n i c a lm o d e la b o u ta p p aa c t i n go n t h ec l e a n e dm e t a lp a n sh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，b yv i r t u eo ft h et h e o r yo fh e a tt r a n s f e ra n df i n i t e e l e m e n tm e t h o d i nt h i st h e s i s ，e n e r g yc o u p l i n gm e c h a n i s mo fa p p ac l e a n i n gs p e c k l e p a r t i c l ep o l l u t a n t sa n dl a y e r e dd e n s ep o l l u t a n t sh a v eb e e ns t u d i e dr e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , t h e e f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha sa p p a p o w e r ，s c a n n i n gs p e e d ，s u b s t r a t et h i c k n e s sa n d c o n t a m i n a n tt h i c k n e s so nt h ei n t e r f a c et e m p e r a t u r e ，i n t e r f a c ec l e a n i n gf o r c ea n dc l e a n i n g s t r a i nh a sb e e nr e v e a l e d ，s oa st o p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ec h o i c e o fp r o c e s s p a r a m e t e r sd u r i n ga t m o s p h e r i cp r e s s u r ep l a s m aa r cc l e a n i n gm e t a lp a r t s a c c o r d i n gt ot h em o b i l ec l e a n i n gi n t e r f a c e ，c h a n g e f u lc a l c u l a t i o nr e g i o na n dn o n - l i n e a r b o u n d a r yc o n d i t i o n sa l o n gt h et h i c k n e s sd i r e c t i o n ，i nt h i st h e s i s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo f r e a c t i v ek i n e t i c si nt h em e t a ls u r f a c ec o n t a m i n a n tc l e a n i n gu s i n ga p p ah a sb e e nd e v e l o p e d ， b ym e a n so ft h e r m a lc o n d u c t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o na n da r r h e n i u se q u a t i o n a f t e r w a r d s ， m 大气常压等离子体弧清洗理论与关键技术研究 r e a c t i v ek i n e t i c s p a r a m e t e r ss u c h a sa c t i v a t i o n e n e r g ya n dp r e - e x p o n e n t i a lf a c t o r a r e c a l c u l a t e d o nt h i sb a s i s ，t h ei n t r i n s i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n t a m i n a n tr e m o v a lp e r c e n t a g e s ， r e m o v a lr a t ea n di n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha sc l e a n i n gt i m ea n da m b i e n tt e m p e r a t u r eo fa p p a c l e a n i n ga r er e v e a l e da n dv a l i d a t e dw i t hr e l a t e de x p e r i m e n t sr e s u l t s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t c o n t a m i n a n tr e m o v a lp e r c e n t a g e si n c r e a s ew i t hc l e a n i n gt i m ei n c r e a s i n gu n t i lt h ec o n t a m i n a n t i sd r a s t i c a l l yc l e a n e db ya p p a f u r t h e r m o r e ，t h ea m b i e n tt e m p e r a t u r eo fa p p ao nt h e c o n t a m i n a n ts u r f a c ea f f e c t st h er e m o v a lp e r c e n t a g e ss t r o n g l y t h er e m o v a lp e r c e n t a g e s i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea m b i e n tt e m p e r a t u r e t oa v o i dt h ed a m a g eo fm e t a ls u b s t r a t e s u r f a c eb e c a u s eo fh i g h e rt e m p e r a t u r ea n de n s u r et h er e m o v a lr a t eo ft h ec o n t a m i n a n t ，t h e a p p r o p r i a t et e m p e r a t u r ew h i c hl i e sb e t w e e nt h ec o n t a m i n a n td e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r ea n d d a m a g et e m p e r a t u r eo fm e t a ls u b s t r a t e a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a te n e r g yd i s t r i b u t i o no fa p p ah a v i n gas i g n i f i c a n te f f e c to n c l e a n i n gq u a l i t ya n da r cp r o p e r t i e si n c l u d i n gc u r r e n td e n s i t yd i s t r i b u t i o na n dt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nb e i n gd i f f i c u l tt oa c h i e v e db yd i r e c tm e a s u r e m e n tm e t h o d s ，at h r e e d i m e n s i o n a l a x i s y m m e t r i cm a t h e m a t i c a lm o d e l ，i n c l u d i n gt h ei n f l u e n c eo ft h es w i r le x i t i n gi nt h ep l a s m a t o r c h , h a sb e e nd e v e l o p e dt od e s c r i b et h eh e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o ww i t h i nac o m b i n e d p l a s m aa r cw i t hm a g n e t o - h y d r o d y n a m i c se q u a t i o n sa n dm a x w e l le q u a t i o n s i nt h i sm o d e l ，a m a p p i n gm e t h o da n dam e s h i n gm e t h o do fv a r i a b l es t e p s i z ea r ea d o p t e dt om e s ht h e c a l c u l a t i o nd o m a i na n dt oi m p r o v et h er e s u l t sp r e c i s i o n t oo v e r c o m eap r o b l e mf r o mt h e c o e x i s t e n c eo fn o n - t r a n s f e r r e da r ca n dt r a n s f e ra r ca n dt h ec o u p l i n gb e t w e e ne l e c t r i c ， m a g n e t i c ，h e a tf l o wa n df l u i df l o wp h e n o m e n ai nt h ec o m b i n e dp l a s m aa r c ，as e q u e n t i a l c o u p l i n gm e t h o da n dap h y s i c a le n v i r o n m e n ta p p r o a c ha r ei n t r o d u c e di n t ot h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so nj e tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m b i n e dp l a s m aa r c f u r t h e r m o r e ，t h ej e tc h a r a c t e r i s t i c s o fc o m b i n e dp l a s m aa r cs u c ha st e m p e r a t u r e ，v e l o c i t y ，c u r r e n td e n s i t ya n de l e c t r o m a g n e t i c f o r c ea r es t u d i e d ；t h ee f f e c t so fw o r k i n gc u r r e n t ，g a sf l o wa n dt h ed i s t a n c ef r o mt h en o z z l e o u t l e tt ot h ea n o d eo nt h ed i s t r i b u t i o n so ft e m p e r a t u r e ，v e l o c i t ya n dc u r r e n td e n s i t ya r ea l s o r e v e a l e d c o m p a r e dw i t ht h ec o l l e c t i o na n dd i a g n o s i so nt h ec o m b i n e dp l a s m aa r cb yc c d ， t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i m u l a t e dv a l u ea p p e a r st ob ei ng o o da g r e e m e n tw i t hm e a s u r e d v a l u eu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h es a m ep r o c e s sp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mt h a tt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o no fp l a s m aa r cb e i n gl i m i t e di n s m a l l e rr e g i o na n dt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n to fp l a s m aa r ch a v i n gm o r ev a r i a t i o ni nt h ea r c c o l u m no w i n gt ot h ea v a l a n c h ee f f e c to fg a sd i s c h a r g ea n dt h ec o n s t r a i n to fp l a s m aa r cb yi t s o w nm a g n e t i cf i e l d ，a ne x t e r n a lt r a n s v e r s ea l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l di sa p p l i e dt oa p p at o c r e a t eap l a s m af o rc l e a n i n gal a r g em e t a ls u r f a c e o nt h eb a s i s ，t w om a t h e m a t i c a lm o d e l sa r e d e v e l o p e dt od e s c r i b et h eo s c i l l a t i n ga m p l i t u d eo ft h ep l a s m aa r cr o o ta l o n gt h em e t a ls u r f a c e a n dt h eh e a tf l u xd e n s i t yd i s t r i b u t i o no fp l a s m aa r co nt h em e t a ls u r f a c e ，r e s p e c t i v e l y t h e i v 大连理工大学博十学位论文 b e h a v i o ro fp l a s m aa r cu n d e rt h ee x t e r n a lt r a n s v e r s et r i a n g u l a r a l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l d i m p o s e dp e r p e n d i c u l a rt ot h ep l a s m ac u r r e n ti sd i s c u s s e d ，a n dt h ee f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r s s u c ha sw o r k i n gg a sf l o wr a t e ，a r cc u r r e n t ，m a g n e t i cf l u xd e n s i t ya n dt h ed i s t a n c ef r o mt h e n o z z l eo u t l e tt ot h ea n o d ew o r k p i e c eo nt h ef o r ma n dh e a tf l u xd i s t r i b u t i o no fp l a s m aa r ca r e a l s or e v e a l e da n dv a l i d a t e dw i t hr e l a t e de x p e r i m e n t sr e s u l t s t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti sf e a s i b l e t oc o n t r 0 1t h es h a p ea n dh e a tf l u xd e n s i t yo fa p p aw i t ht h ee x t e r n a lt r a n s v e r s ea l t e r n a t i n g m a g n e t i cf i e l d ，w h i c hc a ne x p a n dt h er e g i o no fp l a s m aa r ct h e r m a lt r e a t m e n ta n df l a t t e nt h e h e a tf l u x d e n s i t yu p o nt h ew o r k p i e c e ，s oa st oe n s u r ea p p ac l e a n i n gq u a l i t ya n dt o s i m u l t a n e o u s l yi m p r o v et h ec l e a n i n ge f f i c i e n c yo fa p p ac l e a n i n g f u r t h e r m o r e ，t h e o s c i l l a t i n ga m p l i t u d eo fp l a s m aa r ci n c r e a s e sa n dt h eh e a tf l u xd e n s i t yg r a d i e n tu p o nt h e w o r k p i e c ed e c r e a s ew i t ht h em a g n e t i cf l u xd e n s i t ye n h a n c i n g h o w e v e r ，a no v e r l ys t r o n g m a g n e t i cf i e l dr e s u l t si nt h ep l a s m aa r cu n s t a b l e u n d e rt h es a m em a g n e t i cf l u xd e n s i t y 1 e s sg a s f l o wr a t ea n da r cc u r r e n t ，m o r ed i s t a n c ef r o mt h en o z z l eo u t l e tt ot h ea n o d ec a u s et h eo s c i l l a t i n g a m p l i t u d et oi n c r e a s e c o n t r a r i l y ，t h em o r eg a sf l o wr a t ea n da r cc u r r e n t t h em o r eh e a tf l u x d e n s i t yp e a ki n c r e a s e m o r e o v e r , m o r ed i s t a n c ef r o mn o z z l eo u t l e tt ow o r k p i e c ed e s c e n d st h e h e a tf l u xd e n s i t yp e a k a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a ta p p ac l e a n i n gb e i n gac o m p l i c a t e da n dn o n 1 i n e a rp r o c e s s ， c l e a n i n gq u a l i t yb e i n gi n f l u e n c e db yp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h ei n t e r a c t i o no fd i f f e r e n t p a r a m e t e r sb e i n gc o m p l e x ，b a s e do nm a n ye x p e r i m e n t so na p p ac l e a n i n g ，a ni n t e l l i g e n t p r e d i c t i v em o d e lo ft h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc l e a n i n gq u a l i t y ( w a t e rc o n t a c ta n g l e o fc l e a n e ds u r f a c e ) a n dp r o c e s sp a r a m e t e r si se s t a b l i s h e dw i t ht h er e s e a r c ho fl e a s ts q u a r e s s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ( l s s v m ) a n dp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) a f t e r w a r d s ， a r t i f i c i a lf i s hs w a r ma l g o r i t h m ( a f s a li si n t r o d u c e dt oo p t i m i z ee s t a b l i s h e dc o n t r o lm o d e l o fc l e a n i n gq u a l i t ya n dt oo b t a i nt h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r su n d e rac e r t a i nr a n g eo f t h e s ep a r a m e t e r s t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti ti sf e a s i b l et oa p p l yp c a s v ma n da f s ai n f o r e c a s t i n gt h ec l e a n i n gq u a l i t ya n dd e t e r m i n i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r so fa p p ac l e a n i n g t h em a x i m u mr e l a t i v ee r r o ra n dm a p ee r r o ra r e3 0 5 a n d2 6 0 5 r e s p e c t i v e l y i ti s o b v i o u st or e d u c et h ew a t e rc o n t a c ta n g l eo fc l e a n e ds u r f a c ea n dt oi r e p r o v ec l e a n i n gq u a l i t y o fa p p a c l e a n i n gw i t ha b o v eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：a t m o s p h e r i cp r e s s u r e ；p l a s m aa r cc l e a n i n g ；m e t a lp a r t s ；s u r f a c eq u a l i t y v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：太氢堂压笠壶量体重渣选堡迨多差鐾遮盔盈窒 作者签名：蔓2 _ 姚 日期：三坚堡二年l 月二旦日 大连理1 = 大学博十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期： j 翻4 日 人连理工大学博士学位论文 1绪论 金属清洗技术是表面技术及表面工程领域中的重要组成部分，目前已扩展到表面工 程以外的领域，并成为- i - j 相对独立但又与许多专业密切相关的工艺技术，在各种工业 生产过程中得到广泛应用，在国民经济及日常生活中有着重要作用和经济价值。各种金 属制品在表面处理加工中，清洗是非常重要的环节。而大气常压等离子体弧清洗作为一 种环境友好、非直接接触的有效清洗技术从各种新兴清洗工艺中脱颖而出，并因自身在 表面预处理中的显著优势而日益受到各国的高度重视。本章将在深入介绍论文的研究背 景、分析和总结国内外相关研究现状和成果的基础上，针对当前等离子体清洗技术研究 领域中存在的主要问题，提出大气常压等离子体弧清洗的研究思路和技术路线，确立论 文的主要研究内容。 1 1研究背景 作为现代工业生产中的重要环节，清洗技术在各种金属制品表面处理过程中，扮演 着十分重要的角刨1 1 。从金属原料入库、零部件加工制造、产品装配组合以及修理行业 的分解、机械行业的维修及保养等，都离不开清洗工序。表面清洗就是要从设备或零部 件表面清除防腐油、润滑油、油漆、锈蚀、氧化皮等各种污染物和残留物，以便保证产 品表面的镀层、涂膜有足够的附着力，防止或减少涂层与基体的脱裂以及产品后续工艺 性能的降低【2 l 。清洗技术在一定程度上反映了一个企业的全面质量管理水平，而清洗技 术的选择和清洗工艺质量的好坏，不仅涉及能源、技术安全、环境保护等重大问题，还 直接影响产品的性能和质量。 1 1 1 传统清洗技术 金属表面清洗的方法有很多，针对不同的对象及要求有不同的分类方法。按清洗工 艺原理的不同，传统的金属表面清洗方法主要分为：机械清洗、化学清洗和喷射清洗等。 ( 1 ) 机械清洗 金属表面机械清洗是使用动力工具及相关机器设备完成旧漆、铁锈、氧化皮等表面 污染物和腐蚀物的清洗过程，如喷丸、喷砂等工掣3 4 】，主要用于重型机械厂、大型造 船厂、汽车制造厂等单位。在涂装前有些容易除去的污物也可手工清除，如污染较轻的 油渍、浮锈，只要用抹布或砂纸处理，即可达到目的。这种方法适应性强、预处理效果 好，能达到要求的清洗标准。缺点是只适用于外形简单、规则的设备，不适用于结构复 杂的工件。此外，容易损伤基体表面，引起残余应力，表面处理质量得不到保证，而且 干法的喷砂、喷丸噪声强，污染环境，对操作人员的健康有不利影响。 大气常压等离子体弧清洗理论与关键技术研究 ( 2 ) 化学清洗 金属表面化学清洗就是在清洗工艺中，使用化学物质与金属表面的油、锈等污染物 反应，以便除去工件表面的污物，包括酸洗、碱洗等内容【5 西】。化学清洗的效率较高， 在加温及超声波介入的情况下，清洗速度快，特别适用于外形复杂的零件和设备。目前 酸洗仍是钢铁生产和钢铁表面处理时不可或缺的工艺过程。然而，金属化学清洗工艺的 采用也带来包括二次污染在内的如下问题： 1 ) 大量消耗金属材料和化学试剂。在清洗的过程中，主要通过溶液与金属表面污 染物的化学反应、溶解等作用实现基体表面污物的去除，不可避免地与基体发生化学反 应引起基体表面质量的变化。尽管加入缓蚀剂会在一定程度上降低金属的消耗，但仍有 相当部分的金属损失掉。 2 ) 可能降低金属表面的物理性能。在酸洗过程中，金属与酸液发生化学反应产生 氢气，由于酸液中氢的化学位高于被酸洗的钢材中的化学位，生成的氢常常会渗入金属 中并积存起来引起“氢脆 ，从而影响金属的力学性能或以后的加工性能。 3 ) 带来一系列环境污染问题。如清洗容器的密封、生产设备的防腐、车间的通风 排风、酸雾的排出和处理以及污水的处理和排放等，都需要考虑环境保护的问题。 4 ) 废液和废水的处理问题。金属的化学清洗在消耗大量金属的同时还产生大量的 废酸液或金属盐溶液。为了回收和利用这些废酸液和金属盐，需要较大的投资来建设相 应的回收和处理设备。若直接排放，会对环境造成严重污染。 ( 3 ) 喷射清洗 喷射清洗是利用喷嘴喷出的水或洗液对金属表面污垢的机械、热、物理和化学作用 进行清洗【7 培】。其中占主导地位的机械作用是指具有一定动能的液流冲击污垢表面，使 污垢破坏和脱落。提高温度能增加清洗液的洗涤能力、降低污垢的附着力。喷射清洗的 基本条件是喷射的动压强超过污物与基体间的粘结力。既包括各种溶液、溶剂的喷洗， 也包括高压气、高压水喷洗。此种清洗方法的介质冲击力大、清洗效率高，主要用在大 型设备容器壁面和机器的外形以及桥梁、飞机、火车外壳等设备的清洗。然而，喷射清 洗过程中，喷射的溶液在清洗对象表面停留的时间短，洗液的清洗能力不能充分发挥作 用，同时存在废液处理的问题。当射流压力高于i o m p a 时，必须考虑高压喷射引起金 属基体表面的损伤以及如何安全固定等问题。 1 1 2 新型清洗技术 随着机械制造业的快速发展，机械零件的产量越来越大，传统的表面清洗方法和设 备已不能适应这种大规模生产的发展要求，迫切需要寻找高速、高效的清洗技术，以提 大连理1 = 大学膊十学位论文 高生产和清洗的能力。另一方面，随着可持续发展观的深入、安全意识和环保意识的增 强，工业生产清洗中允许使用的化学药品种类将变得越来越少。寻找更清洁、且不具损 伤性的清洗方式也越来越引起人们的重视。从2 0 世纪开始陆续出现新的具有提高清洗 质量、减少或避免环境污染的清洗技术如超声清洗、干冰清洗、激光清洗和等离子体清 洗等。 ( 1 ) 超声清洗 超