韓沫

摘 要：針對(duì)當(dāng)前大型壓力容器除銹除漆技術(shù)方法落后、環(huán)境人身健康危害大的問(wèn)題，深入分析了激光清洗的基本原理，剖析了激光除銹除漆機(jī)制，為激光清洗技術(shù)在壓力容器除銹除漆中的推廣應(yīng)用提供了理論支撐和有益的試驗(yàn)探索。

關(guān)鍵詞：壓力容器;激光清洗;除銹除漆

引言

在大型壓力容器加工制作或檢修時(shí)，需進(jìn)行除銹除漆處理。傳統(tǒng)除銹除漆方法主要分為化學(xué)試劑除銹和機(jī)械除銹兩大類。化學(xué)試劑除銹主要利用強(qiáng)酸清洗除銹，清洗廢液不僅對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，而且對(duì)基體材料有一定程度的損傷，更危害操作人員身體健康，應(yīng)用受到限制。機(jī)械除銹又常采用2種手段：一種是高壓水射流除銹，但除銹后易造成基體材料再次銹蝕，且除銹操作中噪聲大、污染重;另一種是噴砂拋丸除銹，但在噴砂處理過(guò)程噪聲和粉塵嚴(yán)重，會(huì)引起二次污染，造成工作環(huán)境惡劣，嚴(yán)重影響操作者身心健康。

近年來(lái)，激光清洗技術(shù)憑借其清洗度高、控制性好、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有越來(lái)越廣闊的應(yīng)用前景。本文在分析激光清洗機(jī)制的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)探索激光技術(shù)在大型壓力容器除銹除漆應(yīng)用上的可行性。

1 激光清洗基本原理

圖1直觀展現(xiàn)了激光清洗原理。高亮度和發(fā)散角小的激光，通過(guò)光學(xué)聚焦整形系統(tǒng)把高能量的激光束，照射被清洗對(duì)象的基體表面，激光器發(fā)射的光束被銹蝕層、漆層等污物層吸收，通過(guò)光剝離、光振動(dòng)、光分解、氣化等過(guò)程，使污物脫離基體表面。

為此，在激光清洗過(guò)程中，主要有以下幾種過(guò)程同時(shí)作用[1-3]：

1.1燃燒氣化

在激光清洗時(shí)，可以看到基體表面處有明顯的煙霧、火花。這是因?yàn)樵诩す廨椪障?，基體表面能吸收入射激光束的大部分能量，表面溫度迅速上升，達(dá)到一些物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)及燃點(diǎn)以上，導(dǎo)致表面層一些物質(zhì)瞬間發(fā)生氣化揮發(fā)，或受熱燃燒，從而產(chǎn)生火花和煙霧，使得被清洗對(duì)象脫落。

1.2熱沖擊與熱振動(dòng)

熱沖擊與熱振動(dòng)激光束輻照到漆層表面時(shí)，有一部分激光被漆層吸收。被吸收的光在漆層內(nèi)部的穿透深度X與光強(qiáng)I遵從朗伯定律I=I0e-ax，a為吸收系數(shù)。由于激光束在漆層中的穿透深度只有幾微米。而清洗對(duì)象的漆層一般可達(dá)幾十微米，所以激光束并不能直接透過(guò)漆層輻照在基體表面。激光的能量幾乎全部被漆層吸收，油漆在激光熱流的沖擊下快速加熱，從而發(fā)生急劇的熱振動(dòng)。而金屬基底開(kāi)始時(shí)受熱較少，產(chǎn)生的熱膨脹極小，因而漆層熱振動(dòng)產(chǎn)生的力使其有脫離金屬基底的趨勢(shì)。由于脈沖激光的作用時(shí)間極短，產(chǎn)生的熱沖擊力很大，足以使一部分油漆小塊克服金屬基底的表面吸附力，高速地隨揮發(fā)性氣流飛離金屬基底表面，這樣可以實(shí)現(xiàn)初步的清洗。

1.3聲波振碎

激光清洗中還能聽(tīng)到連續(xù)不斷的輕微爆炸聲。其原因在于激光清洗采用的是高重復(fù)頻率脈沖激光，當(dāng)激光束沖擊被清洗的漆層表面時(shí)，一部分激光被漆層吸收，還有一部分激光束能量轉(zhuǎn)變成了聲波，聲波沿著漆層厚度方向傳播。當(dāng)穿到兩層漆膜的分界面或漆層與基底的分界面時(shí)，部分反射回漆層并與激光新產(chǎn)生的聲波發(fā)生干涉，在干涉波的加強(qiáng)處產(chǎn)生高能波，使漆層發(fā)生微區(qū)爆炸，形成細(xì)小的粉末，從而達(dá)到清洗的目的。激光除漆是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，除了以上介紹的三個(gè)主要機(jī)理外，還可能包括光子壓力、激光軟燒蝕、等離子體產(chǎn)生的爆炸等等激光脫漆的機(jī)理。

1.4激光氣化

激光是一種能量、脈沖寬度和重復(fù)頻率等都可控制的光源，當(dāng)在適當(dāng)?shù)墓β拭芏认螺椪盏奖惶幚砦锛砻鏁r(shí)，利用物件表面銹斑與基底熱參數(shù)的差別，可使銹斑迅速氣化。理論計(jì)算表明，調(diào)Q脈沖激光作用深度遠(yuǎn)比毫秒級(jí)脈沖激光的作用深度淺，所以使用調(diào)Q脈沖激光可避免物件的深部損傷。此外，當(dāng)功率密度超過(guò)107W/cm2時(shí)，激光產(chǎn)生非常顯著的沖擊波，沖擊波的反沖力也能有效地清除金屬的銹垢，不會(huì)傷及金屬構(gòu)件本身，且表面粗糙度僅為刷除法的一半。

根據(jù)上述原理，激光可以不熔化金屬表層，又能讓氧化物和銹層蒸發(fā)掉。而材料表面的溫升與輻射功率密度、表面吸收系數(shù)、熱擴(kuò)散率和激光脈寬有密切關(guān)系?？梢钥刂萍す馐哪芰俊⒚}寬等因素使其不至于熔化金屬，又能使金屬表面被劇烈地加熱，使金屬表面所有的污物和銹蝕能夠被直接清除掉。在激光清洗的同時(shí)，金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變金屬微厚表層結(jié)構(gòu)，形成一層幾微米厚的保護(hù)層，使金屬構(gòu)件表面抗銹蝕能力提高3～4倍。

2 激光除銹除漆機(jī)制分析

2.1激光除漆機(jī)制分析

利用激光作用于油漆漆膜時(shí)，漆膜吸收激光受到交變加熱，由于聲光效應(yīng)而向周圍發(fā)射聲波，聲波能量只是激光能量的一部分。在漆膜表面產(chǎn)生的光致聲波，相當(dāng)于一個(gè)聲波源向外發(fā)射聲波。進(jìn)入漆膜的聲波在到達(dá)漆膜下的物體表面后又反射回來(lái)，因?yàn)檫@樣產(chǎn)生的聲波具有較大的振幅和良好的相干性，所以反射聲波和入射聲波就會(huì)發(fā)生干涉，因而使一些地方的振動(dòng)成倍地增加，在漆膜內(nèi)猶如產(chǎn)生了微力爆炸，將油漆變成極其微小的塵埃而清除掉。由以上原理可知，這種方法要求使用的激光器功率足夠大，脈沖頻率合適。

2.2激光除銹機(jī)制分析

激光到達(dá)工件表面時(shí)，聚焦后的光斑使銹蝕物迅速熔化蒸發(fā)，同時(shí)金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一層幾微米厚的保護(hù)層以防止金屬進(jìn)一步銹蝕，而不傷及金屬構(gòu)件本身。可以通過(guò)控制激光束的能量、脈寬等參數(shù)[3-4]，使其不至于熔化金屬，又能使金屬表面被劇烈地加熱，致使金屬表面所有的污物和銹蝕部分直接被清除掉。

3 結(jié)束語(yǔ)

激光清洗，就是通過(guò)高能量激光照射在基體表面產(chǎn)生一個(gè)被清洗對(duì)象吸附力方向相反的作用力。本文在分析激光清洗基本原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了激光除銹除漆的機(jī)制。為激光清洗技術(shù)在壓力容器除銹除漆中的推廣應(yīng)用提供了理論支撐和有益的試驗(yàn)探索。

參考文獻(xiàn)

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