陳 浩，余興建，譚 震，王瑞強(qiáng)，張風(fēng)如

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司凱里供電局，貴州凱里 556000）

鋼材使用時(shí)間長(zhǎng)便會(huì)出現(xiàn)生銹情況。鐵銹在高濕高鹽霧環(huán)境中將會(huì)加快鋼鐵腐蝕速度。若鋼鐵材料使用于存在酸、氯氣、電介質(zhì)的溶液里，將因?yàn)殇P蝕而成為廢材[1-2]。根據(jù)相關(guān)部門整理可知，全球因銹蝕而致使鋼鐵材料變成廢材的情況屢見不鮮。鋼鐵材料銹蝕將致使產(chǎn)品質(zhì)量變差、環(huán)境出現(xiàn)污染，且對(duì)人體健康存在較為顯著的負(fù)面影響。所以，針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間使用鋼鐵產(chǎn)品而言，需要定期除銹保護(hù)[3-4]。尤其是海洋工作船舶，船體長(zhǎng)時(shí)間接觸海水，遭到海水里海量的鹽堿侵蝕，將致使船體材料出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕[5]。激光除銹也可以理解成激光清洗方法，是目前新研發(fā)的除銹方法。其通過高峰值功率的脈沖激光照射生銹區(qū)域，生銹區(qū)域獲取激光能量后溫度快速提升，致使其出現(xiàn)蓬松、熱震動(dòng)等相關(guān)變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生銹部位和材料本體分離，實(shí)現(xiàn)除銹[6]。但是，在高濕高鹽霧環(huán)境中，雙光激光除銹裝置也會(huì)出現(xiàn)腐蝕，裝置生銹將大大降低其除銹效果，為此，本文提出高濕高鹽霧環(huán)境下雙光激光除銹裝置抗腐蝕性能分析方法，對(duì)高濕高鹽霧環(huán)境下雙光激光除銹裝置抗腐蝕性能實(shí)施深入研究[7]。

1 雙光激光除銹裝置抗腐蝕性能分析

1.1 雙光激光除銹裝置

雙光激光除銹裝置的詳情圖如圖1 所示。

該裝置的除銹清洗激光器為脈沖CO2激光器。此激光器和紫外、紅外YAG 激光相比，紫外、紅外YAG 激光容易導(dǎo)致鋼材基底出現(xiàn)黃化現(xiàn)象。使用脈沖CO2激光器作為該裝置的除銹清洗激光器時(shí)，其峰值功率符合清洗目標(biāo)的燒蝕閾值要求，且平均功率大，可以完成高效率除銹清洗任務(wù)。該裝置的鈍化激光器是聲光調(diào)Q Nd:YAG 激光器[8-9]。脈沖 激光器不可以使用傳統(tǒng)傳能光纖傳輸，能夠選取的傳播模式依次為自由空間傳播、導(dǎo)光臂傳播。聲光調(diào)Q Nd:YAG 激光器能夠采用傳能光纖、導(dǎo)光臂傳播傳輸[10]。

圖1 雙光激光除銹裝置的詳情圖Fig.1 Detail drawing of derusting device of double light machine tool

按照兩類波長(zhǎng)激光的傳播屬性，能夠使用多關(guān)節(jié)雙鏡筒導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡類導(dǎo)光臂實(shí)施激光傳播，傳播兩個(gè)激光時(shí)以并行性傳播模式為主。此類導(dǎo)光臂前方兩種關(guān)節(jié)不存在關(guān)聯(lián)性，依次把脈沖CO2激光器與聲光調(diào)Q Nd:YAG激光器衍生的激光耦合至導(dǎo)光臂的兩種分支鏡筒中，后端的多種關(guān)節(jié)存在合并性，不但符合導(dǎo)光臂靈活性的需求，還能夠?qū)崿F(xiàn)非長(zhǎng)程閉路的激光光束傳播[11-12]。

1.2 高濕高鹽霧環(huán)境建模

1.2.1 高濕環(huán)境建模與求解

計(jì)算空氣與水蒸氣建立的混合物組分輸運(yùn)方程能夠得到濕度場(chǎng)[13]。濕度場(chǎng)第j個(gè)組分的濕度含量設(shè)成Xj，那么質(zhì)量守恒方程是：

式（1）中，h表示時(shí)間；?表示質(zhì)量守恒方程參數(shù)；?代表哈密頓算符；組分j因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)的生成項(xiàng)設(shè)成Sj；組分j 因?yàn)閯e的原因衍生的源項(xiàng)設(shè)成Zj；β代表介質(zhì)孔隙水平；Xj表示第j 類核心組分濃度值；u代表核心組分流量；組分j的擴(kuò)散通量設(shè)成Kj。Kj處于湍流里的運(yùn)算方法是：

式（2）中，H、?H代表湍流運(yùn)動(dòng)系數(shù)；湍流施密特?cái)?shù)與渦流系數(shù)依次設(shè)成Zdh、hα；湍流擴(kuò)散系數(shù)設(shè)成Eh,j。

1.2.2 高鹽環(huán)境模型與求解

計(jì)算標(biāo)量運(yùn)輸方程能夠獲取鹽度分布環(huán)境：

式（3）中，Zφ、U依次描述標(biāo)量輸運(yùn)系數(shù)與體積源項(xiàng)；φ代表歐拉常數(shù)；F表示鹽霧密度。

按照鹽霧氣溶膠釋放度的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)方法，能夠獲取穩(wěn)定環(huán)境中鹽霧氣溶膠濃度的分布特征：

式（4）中，c、b、ε、m、n表示獨(dú)自變量，能夠按照邊界條件設(shè)定；地表上鹽霧氣溶膠濃度設(shè)成D、D0，D0和鹽霧氣溶膠釋放通量G的關(guān)聯(lián)性是：

式（5）中，s?代表鹽霧氣溶膠顆粒的沉降速度；d表示無理數(shù)；表示鹽霧氣溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3 抗腐蝕性能分析方法

試驗(yàn)使用1.1 提出的雙光激光除銹裝置實(shí)施抗腐蝕性能分析，該裝置的詳細(xì)信息見表1。

表1 雙光激光除銹裝置元素信息Table 1 Element information of double light laser derusting device

為了深度分析雙光激光除銹裝置的抗腐蝕性能，通過1.2 提出的方法模擬高濕高鹽霧環(huán)境，分析高濕高鹽霧環(huán)境中雙光激光除銹裝置的抗腐蝕性能[14-15]。

主要測(cè)試腐蝕坑深度、面積、腐蝕速率、巴氏硬度。腐蝕坑測(cè)量使用奧林巴斯BX53 顯微鏡的景深功能檢測(cè)腐蝕坑的深度，通過Acd See Pro6 軟件檢測(cè)腐蝕面積。腐蝕速率的檢測(cè)使用失重法。失重法可理解為雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中腐蝕固定時(shí)間后，分析腐蝕差異時(shí)間后的腐蝕狀況變動(dòng)結(jié)果，以此判斷腐蝕速率[16]。

失重法使用范圍不存在局限，可以直接判斷材料的抗腐蝕性。使用失重法運(yùn)算腐蝕速率的方法是：

式（6）中，腐蝕速率與檢測(cè)面積依次設(shè)成P、r，測(cè)試耗時(shí)設(shè)成k，g0、g 依次描述檢測(cè)前樣本的重量與檢測(cè)后樣本的重量。

巴氏硬度可理解為按照巴氏硬度計(jì)壓縮雙光激光除銹裝置的深淺體現(xiàn)雙光激光除銹裝置硬度的指標(biāo)[17]。在各個(gè)腐蝕時(shí)間段里將雙光激光除銹裝置樣品實(shí)施巴氏硬度檢測(cè)后，按照羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則將雙光激光除銹裝置樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體，以平均值描述雙光激光除銹裝置樣品在各個(gè)腐蝕時(shí)間段中的巴氏硬度。巴氏硬度保留度（%）計(jì)算方法是：

式（7）中，巴氏硬度保留度設(shè)成Δ；雙光激光除銹裝置樣品腐蝕前后的巴氏硬度依次設(shè)成M0、M。

2 測(cè)試結(jié)果

當(dāng)高濕高鹽霧環(huán)境中濕度依次是30%、40%、50%，鹽霧氣溶膠濃度是50% 時(shí)，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中腐蝕30 天后，其腐蝕范圍粗糙度、腐蝕坑數(shù)目、腐蝕坑面積最大值的檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 腐蝕結(jié)果Table 2 Corrosion results

由表2 可知，當(dāng)高濕高鹽霧環(huán)境中濕度依次是30%、40%、50% 時(shí)，鹽霧氣溶膠濃度是50% 時(shí)，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中腐蝕30 天后，腐蝕坑數(shù)目伴隨濕度的增加而逐漸增多，粗糙水平與腐蝕坑面積愈發(fā)顯著。

為了詳細(xì)分析雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中腐蝕表面粗糙水平詳情，以濕度為50% 為例，鹽霧氣溶膠濃度是50% 時(shí)，繪制5 天、10 天、15 天、20 天、25 天、30 天腐蝕范圍表面粗糙水平伴隨時(shí)間的變動(dòng)詳細(xì)示意圖，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 腐蝕表面粗糙水平Fig.2 Corrosion surface roughness level

分析圖2 時(shí)顯而易見，在鹽霧氣溶膠濃度是50%、濕度是50% 這種環(huán)境中，雙光激光除銹裝置表面粗糙水平伴隨腐蝕時(shí)間的增多而變大，且雙光激光除銹裝置表面粗糙水平增長(zhǎng)速度較快。

雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中腐蝕后，將出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物脫落會(huì)影響雙光激光除銹裝置質(zhì)量。所以，本文實(shí)現(xiàn)高濕高鹽霧環(huán)境中雙光激光除銹裝置重量耗損度的提取，主要通過檢測(cè)腐蝕前后雙光激光除銹裝置樣本的重量差實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)高濕高鹽霧環(huán)境中鹽霧氣溶膠濃度依次是30%、40%、50%，濕度是50% 時(shí)，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中腐蝕30 天后，通過電子稱重儀檢測(cè)雙光激光除銹裝置重量，檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 腐蝕失重測(cè)量結(jié)果Table 3 Measurement results of corrosion loss

分析表3 可知，在差異鹽霧氣溶膠濃度環(huán)境中，雙光激光除銹裝置腐蝕前后重量存在差異。為了直觀分析雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中腐蝕失重情況，根據(jù)表3 數(shù)據(jù)繪制鹽霧氣溶膠濃度依次是30%、40%、50%，濕度是50% 時(shí)，雙光激光除銹裝置腐蝕重量耗損度變化趨勢(shì)如圖3 所示。

圖3 腐蝕失重Fig.3 Corrosion loss

由圖3 可知，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中，鹽霧氣溶膠濃度增大，雙光激光除銹裝置重量耗損度逐漸增大。

當(dāng)鹽霧氣溶膠濃度、濕度均為50% 時(shí)，依次測(cè)試雙光激光除銹裝置在此環(huán)境中腐蝕10 天、15 天、20 天、25 天、30 天的腐蝕速率，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 腐蝕速率Fig.4 Corrosion rate

雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中的腐蝕速率能夠描述雙光激光除銹裝置腐蝕狀態(tài)的變化、狀態(tài)。分析圖4 可知，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中，伴隨腐蝕時(shí)間的增多，雙光激光除銹裝置的腐蝕速率出現(xiàn)先變大后變小的趨勢(shì)。腐蝕10 天時(shí)，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中的腐蝕速率高速增長(zhǎng)，雙光激光除銹裝置質(zhì)量耗損速度快。腐蝕時(shí)間為15 天時(shí)，雙光激光除銹裝置的腐蝕速度變動(dòng)不大；腐蝕時(shí)間為20 天時(shí)，腐蝕速率和15 天的速率相比有所降低，但在第25 天時(shí)，雙光激光除銹裝置的腐蝕速率再次提升，腐蝕時(shí)間為30天時(shí)，雙光激光除銹裝置的腐蝕速率再次下降，腐蝕率降低。

同樣在鹽霧氣溶膠濃度、濕度均為50% 的環(huán)境中雙光激光除銹裝置的腐蝕樣貌檢測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 腐蝕樣貌Fig.5 Corrosion appearance

分析圖5 可以直接看出，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中腐蝕10 天時(shí)，腐蝕產(chǎn)物的密集度較低；腐蝕15 天時(shí)，腐蝕產(chǎn)物的密集度十分密集；腐蝕20～30 天時(shí)，雙光激光除銹裝置基體已經(jīng)暴露，腐蝕產(chǎn)物的增加數(shù)目降低，但是腐蝕結(jié)果已經(jīng)步入穩(wěn)定期，對(duì)雙光激光除銹裝置質(zhì)量存在不良影響。

當(dāng)鹽霧氣溶膠濃度、濕度均為50% 時(shí)，依次測(cè)試雙光激光除銹裝置在此環(huán)境中腐蝕10 天、15 天、20 天、25 天、30 天的巴氏硬度，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 巴氏硬度Fig.6 Hardness of Babbitt

根據(jù)圖6 檢測(cè)結(jié)果顯示，隨著雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中腐蝕時(shí)間的增多，雙光激光除銹裝置的巴氏硬度逐漸降低，表明雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中將出現(xiàn)硬度降低的情況。

測(cè)試本文方法上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的均方誤差，以此分析本文方法的分析效度，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 本文方法分析效度Fig.7 Validity of the method in this paper

根據(jù)圖7 顯示，本文方法對(duì)雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環(huán)境中的腐蝕表面粗糙水平、腐蝕失重、腐蝕速率、巴氏硬度的分析結(jié)果均方誤差極小，本文方法的分析效度極高，分析結(jié)果可信。

3 結(jié)論

在同金屬存在關(guān)聯(lián)的整個(gè)行業(yè)中，準(zhǔn)確去除金屬表面銹蝕部分是目前各個(gè)領(lǐng)域均高度關(guān)注的問題之一。以往使用化學(xué)除銹法對(duì)金屬表面的腐蝕進(jìn)行處理時(shí)，處理效率極低。而雙光激光除銹裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高精度金屬表面銹蝕清洗。但雙光激光除銹裝置屬于金屬類裝置，在高濕高鹽霧環(huán)境中也易出現(xiàn)銹蝕情況，對(duì)其功能存在一定影響。本文圍繞此問題實(shí)施深入研究，并在不同腐蝕時(shí)間、不同濕度、不同鹽霧氣溶膠濃度的環(huán)境中檢測(cè)雙光激光除銹裝置腐蝕情況，對(duì)雙光激光除銹裝置的保養(yǎng)與應(yīng)用均存在一定輔助作用。