随着激光除锈技术在绿色海洋发展中的应用愈加广泛,与其相关的理论与工艺研究逐步成为重大工程需求。本文针对Q345C钢管桩表面锈蚀层的高效去除问题,从锈蚀层的结构特性出发,以脉冲激光与锈蚀层材料的相互作用为基础,建立移动纳秒脉冲激光清洗过程的有限元模型,并指导开展分步激光清洗试验,总结分步清洗的材料去除作用机制,最后采用响应面优化对分步激光清洗参数进行工艺控制。本文主要工作有以下几点:(1)基于金属腐蚀学相关原理,剖析Q345C钢表面锈蚀层的成分及其分层特性;探讨锈蚀层材料对纳秒脉冲激光束的吸收效应,并分析在移动纳秒脉冲高斯热源作用下,锈蚀层表面的温升规律及热应力分布;以激光烧蚀理论为基础,探讨激光清洗锈蚀层过程中的孔洞爆炸机制、选择性浅层气化机制及反冲喷溅机制。(2)采用COMSOL Multiphysics平台建立纳秒脉冲激光清洗Q345C钢表面锈蚀层的有限元模型,研究不同激光功率和激光扫描速度对锈蚀层温度场分布、清洗阈值以及清洗表面轮廓(清洗宽度、清洗深度、烧蚀去除体积)的影响规律,为后续激光清洗试验提供指导。(3)采用纳秒脉冲激光清洗设备开展分步激光清洗试验,研究不同激光功率和激光扫描速度对分步激光清洗后锈蚀层和基体表面宏、微观形貌及表面粗糙度的影响规律,揭示分步激光清洗不同的材料去除作用机制,提出分步激光清洗表面质量评价指标,为实际Q345C钢管桩的激光除锈提供试验依据。(4)基于响应面优化法,对第二步激光清洗参数进行工艺控制,建立分步激光清洗工艺参数与清洗表面去除率、表面氧元素含量及表面粗糙度之间的数学关系,分析激光清洗工艺参数对清洗表面质量的交互影响趋势,获得较优化的激光清洗工艺参数组合,为实际Q345C钢管桩的激光除锈提供工艺指导。