任茂鑫，關(guān)珮雯，徐 鵬，鄧金魚(yú)，劉 赟，吳欣燁，王劭菁，季怡萍

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司 電力科學(xué)研究院，上海 200437；2.上海飛博激光科技有限公司，上海 201821；3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122)

引 言

傳統(tǒng)高壓水洗法、化學(xué)腐蝕清洗法和高頻超聲清洗法被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)清洗行業(yè)[1-3]。水處理法效率高，在適當(dāng)?shù)膲毫Φ燃?jí)下,不會(huì)損傷被清洗物體，使用清水作為清洗介質(zhì)，清洗成本較低，但同時(shí)也產(chǎn)生巨大的水資源浪費(fèi)，對(duì)于清洗產(chǎn)生的廢水也需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)處理；化學(xué)法使用化學(xué)清洗劑與材料表面的污垢進(jìn)行反應(yīng)從而達(dá)到清洗目的，但清洗劑往往以強(qiáng)酸或強(qiáng)堿為主，可能導(dǎo)致設(shè)備易老化，同時(shí)大量的化學(xué)洗劑也會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染的問(wèn)題；使用超聲波清洗物體表面污染物時(shí)，可使用不同清洗介質(zhì)來(lái)達(dá)到清洗效果，但超聲法對(duì)于漆層及氧化層的清洗能力相對(duì)薄弱，因此僅可用于特定領(lǐng)域。

隨著綠色環(huán)保意識(shí)的提升、高端制造業(yè)快速發(fā)展，激光清洗技術(shù)具有高效、無(wú)污染、適用面廣等優(yōu)點(diǎn)，已成為近年來(lái)學(xué)術(shù)界與工業(yè)界相爭(zhēng)研究、開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，目前已被證實(shí)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如文物修復(fù)、表面去漆、金屬除銹等[4-9]。激光清洗技術(shù)通過(guò)發(fā)射特定波長(zhǎng)的激光脈沖，將需清洗對(duì)象表面的污穢氣化，達(dá)到清洗效果。相比高壓水洗法、化學(xué)腐蝕清洗法和高頻超聲清洗法等傳統(tǒng)清潔方法，激光清洗法在架空輸電線路路清洗的安全性以及不停電作業(yè)要求等方面具有優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，激光清潔法在電力絕緣子的清潔領(lǐng)域逐漸受到了重視。架空輸電線路的絕緣子是保證電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行的重要一環(huán)，絕緣子表面污染物的堆積會(huì)導(dǎo)致絕緣性能下降，容易造成放電或閃絡(luò)。2014年，de POSADA等人首次將激光應(yīng)用于高壓絕緣子清洗，驗(yàn)證了調(diào)Q激光清洗絕緣子的可行性，表明了脈沖激光比連續(xù)激光更適合作為清洗光源，并利用激光輻照表面改性，提高絕緣子表面疏水性能[10]。最近，國(guó)內(nèi)激光清洗絕緣子的相關(guān)研究報(bào)道也陸續(xù)出現(xiàn),如參考文獻(xiàn)[11]和參考文獻(xiàn)[12]中報(bào)道了激光去除絕緣子表面的老化室溫硫化(room temperature vulcanized, RTV) 涂層的清理研究。多數(shù)研究成果著重在結(jié)合數(shù)值仿真模型來(lái)討論干式或濕式激光清洗方式對(duì)玻璃及瓷絕緣子表面污漬的溫度場(chǎng)或應(yīng)力場(chǎng)的影響，在滿足材料基底抗熱沖擊能力與抗拉強(qiáng)度時(shí)的情況下做污穢層清潔分析[13-16]。

為改進(jìn)絕緣子運(yùn)行時(shí)的電氣性能與機(jī)械性能，高壓絕緣子主要使用的材料有3大類(lèi)：陶瓷絕緣子、玻璃絕緣子及復(fù)合絕緣子。此前的研究成果皆針對(duì)玻璃或陶瓷絕緣子材料，且激光光源與加工參數(shù)較為單一，難以同時(shí)應(yīng)用在不同種類(lèi)的絕緣子清潔工作。因此，作者開(kāi)發(fā)了一臺(tái)脈沖參數(shù)可調(diào)的基于主振蕩功率放大器(master oscillator power amplifier,MOPA)光纖激光器，采用柔性光纖進(jìn)行傳輸，并具有寬泛的激光性能選擇，適用于復(fù)雜的激光清洗應(yīng)用場(chǎng)景。針對(duì)常見(jiàn)的絕緣子材料，包含釉面陶瓷、玻璃、硅橡膠基材，開(kāi)展脈沖激光在電力絕緣子清洗方面的研究。除了保證清潔效果，因采用了高速掃描振鏡，具有更高的清洗效率；掌握不同絕緣子污穢對(duì)激光的耐受程度及最優(yōu)化除污參數(shù)設(shè)置，為激光清洗在電力絕緣子領(lǐng)域提供參考，在拓展不停電作業(yè)覆蓋面以及提高城市電網(wǎng)供電可靠性等方面具有重要意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 清洗光源的選擇

應(yīng)用于激光清洗的脈沖光纖激光器主要分為調(diào)Q光纖激光與MOPA光纖激光，兩者區(qū)別主要在于振蕩種子信號(hào)的產(chǎn)生方式不同。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)Q脈沖激光器的脈寬不可調(diào)，約在幾百個(gè)納秒量級(jí)，重復(fù)頻率在數(shù)十千赫茲；MOPA脈沖激光器的脈寬與重復(fù)頻率的設(shè)置范圍相對(duì)較廣，脈寬可在幾個(gè)到幾百納秒，重復(fù)頻率可從數(shù)十至數(shù)千千赫茲[17-18]。為對(duì)比兩款激光器的清洗效果，分別搭建了調(diào)Q型與MOPA型脈沖光纖激光器，兩者最大平均功率皆約為200W，最大單脈沖能量約2mJ。在初步的清洗參數(shù)探索過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)Q型脈沖激光器由于可調(diào)參數(shù)少，對(duì)清洗效果的優(yōu)化程度較受局限，并且其脈沖弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，容易在清洗過(guò)程中形成多余的熱積累，造成基底材料受損。因此，為了可同時(shí)應(yīng)用于不同材質(zhì)的絕緣子清洗，本工作中采用光纖脈沖MOPA激光器作為激光清洗光源，該光源的主要參數(shù)如表1所示。

Table 1 Main parameters of MOPA fiber laser

1.2 激光清洗實(shí)驗(yàn)方案

激光清洗裝置主要由波長(zhǎng)1μm的MOPA脈沖光纖激光器、水冷機(jī)、2維掃描振鏡、XYZ 3軸精密平臺(tái)、中央控制系統(tǒng)等組成。脈沖調(diào)制振蕩器進(jìn)行多級(jí)MOPA放大結(jié)構(gòu)，激光光束經(jīng)光纖準(zhǔn)直器形成準(zhǔn)直光束，入射2維掃描振鏡。激光光束經(jīng)掃描振鏡中的2維馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏡片反射，通過(guò)場(chǎng)鏡匯聚，作用于待清洗物表面。待清洗物為絕緣子的傘裙區(qū)域，將待清洗物置于XYZ 3軸精密平臺(tái)上，可靈活變更清洗區(qū)塊，激光清洗裝置示意圖如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of laser cleaning setup

為了探究激光器參數(shù)對(duì)絕緣子清洗效果的影響，作者嘗試了多種不同的激光器參數(shù)組合。采用的掃描振鏡最大可控直線掃描速率為10m/s，掃描范圍為100mm×100mm，場(chǎng)鏡焦距為170mm，束腰處光斑直徑約為0.07mm。

待清洗樣品為長(zhǎng)期暴露于大自然環(huán)境中的絕緣子，清洗樣品的傘裙材質(zhì)分為3種：鋼化玻璃、陶瓷和硅橡膠，樣品分別如圖2所示。本實(shí)驗(yàn)中采用的是激光干洗法，主要機(jī)理為基體表面污穢物在脈沖激光輻照后，產(chǎn)生的熱能引起污穢物瞬間熱膨脹，形成熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力大于污穢粘附力，則污染物將脫落。抑或是高能量的激光束在焦點(diǎn)處能產(chǎn)生高溫，直接使附著臟物瞬間氣化、蒸發(fā)或分解，使附著物快速脫離工件表面。采用高分辨光學(xué)顯微鏡對(duì)激光清洗前后的傘裙表面進(jìn)行觀測(cè)，觀察其表面形貌及損傷情況，并拍攝清洗前后的圖片進(jìn)行分析。

Fig.2 The polluted insulator for laser cleaning experimentsa—glass insulator b—porcelain insulator c—silicon rubber insulator

2 結(jié)果與分析

由于3種絕緣子基底材料的光吸收特性、導(dǎo)熱系數(shù)及抗熱沖擊能力不同，過(guò)高的激光功率、能量或掃描速率過(guò)低，會(huì)造成清洗件的基材形變或燒損；若掃描速率過(guò)快或激光能量密度不足時(shí)，則出現(xiàn)清洗效果不佳的現(xiàn)象?；谙嗤募す馇逑雌脚_(tái)，通過(guò)調(diào)整脈沖激光參數(shù)、掃描速率、光斑重疊率等，開(kāi)展了一系列清洗實(shí)驗(yàn)。

2.1 激光掃描速率、重疊率對(duì)清洗效果的影響

清洗質(zhì)量與清洗效率是判斷激光清洗效果的主要兩個(gè)指標(biāo)。激光清洗的光斑重疊率對(duì)清洗效率有重要影響，在激光脈沖重復(fù)頻率固定的情況下，光斑重疊率越大，材料表面積內(nèi)作用的光斑數(shù)量越多，則清洗時(shí)間越長(zhǎng)，效率越低。為提高清洗效率，重疊率應(yīng)盡可能小，并同時(shí)保證清洗質(zhì)量。激光掃描速率會(huì)影響激光工作方向的光斑重疊率，光斑重疊率直接影響到激光能量的累積，這種熱效應(yīng)會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)傳到加工物上，并影響激光清洗質(zhì)量。光斑重疊率O可表示為[19]：

(1)

式中，v為激光掃描速率，D為激光的光斑直徑,f為激光的脈沖重復(fù)頻率。

圖3中分別給出了3種絕緣子(玻璃絕緣子、瓷絕緣子、石膠絕緣子)在特定的激光參數(shù)設(shè)置下，不同激光掃描速率的表面污穢清潔效果。其中，圖3a的參數(shù)為：激光脈沖寬度100ns，重復(fù)頻率500kHz，單脈沖能量0.4mJ； 圖3b的參數(shù)為：激光脈沖寬度100ns，重復(fù)頻率500kHz，單脈沖能量0.16mJ； 圖3c的參數(shù)為：激光脈沖寬度20ns，重復(fù)頻率為1000kHz，單脈沖能量為0.02mJ。圖中數(shù)據(jù)為掃描速率。

Fig.3 Effect of laser scanning speed on cleaning three insulators

由圖3a可以發(fā)現(xiàn)，玻璃絕緣子由于具有較高的透光率，達(dá)到有效清潔所需的激光脈沖能量相對(duì)較高，當(dāng)固定激光單脈沖能量為0.4mJ，重復(fù)頻率為500kHz，將激光掃描速率設(shè)定為5m/s時(shí)，可以完全去除污穢、達(dá)到清洗閾值，若繼續(xù)降低掃描速率，雖然線能量繼續(xù)增加，但是熱積累程度仍未造成基底材料的破壞，因此清洗效果在掃描速率為1m/s～5m/s的情況下基本一致。提高掃描速率至7m/s,則觀察到附著表面的大顆粒污穢被清洗掉，小顆粒污穢依然殘留，這是因?yàn)樾☆w粒污穢的吸附力比大顆粒污穢吸附力強(qiáng)。當(dāng)速率提高至9m/s，大部分污穢仍繼續(xù)殘留，清潔效果越差。

如圖3b所示，瓷絕緣子通常為帶釉瓷面，可用于提高機(jī)械強(qiáng)度與防水浸潤(rùn)，該釉面結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一玻璃薄層。在瓷絕緣子激光清洗的過(guò)程中，固定激光單脈沖能量為0.16mJ，重復(fù)頻率500kHz，將激光掃描速率設(shè)定為5m/s時(shí)，可以有效進(jìn)行清潔，而激光掃描速率降低至7m/s、提高光斑重疊率的情況下，過(guò)多的熱積累則容易破壞絕緣子的釉表面，開(kāi)始形成氣泡狀的微損傷，若繼續(xù)提高光斑重疊率，將會(huì)嚴(yán)重地出現(xiàn)凹凸不平的洼坑。

如圖3c所示，硅橡膠絕緣子與陶瓷、玻璃絕緣子相比，基底導(dǎo)熱系數(shù)小、抗熱沖擊能力差，所需的激光清潔能量較小，若脈沖能量密度太大則容易造成基底損壞。采用0.02mJ的激光脈沖能量，重復(fù)頻率1000kHz，在激光掃描速率為5m/s時(shí),可以較好地清洗硅橡膠絕緣子。提高激光掃描速率或降低光斑重疊率時(shí)清潔效果不佳，反之，降低激光掃描速率至3m/s時(shí)，絕緣子表面開(kāi)始產(chǎn)生微裂紋、破壞基底材料。

2.2 激光清洗參數(shù)優(yōu)化

為了達(dá)到最佳清洗效率，將掃描速率設(shè)置在最大值10m/s，分別進(jìn)行玻璃絕緣子、瓷絕緣子及硅橡膠絕緣子的激光參數(shù)優(yōu)化，獲得最佳清洗參數(shù)。在單次清洗的狀態(tài)下進(jìn)行激光清洗作業(yè)，清洗區(qū)域面積20mm×30mm時(shí)，僅需要1.8s，清洗效率可以達(dá)到3.4cm2/s。

在激光清洗過(guò)程中，光斑覆蓋區(qū)域與光斑相鄰區(qū)域存在瞬時(shí)溫升，隨著激光在絕緣子表面的掃描光斑區(qū)域的疊加，可形成熱積累，因此隨著掃描速率提升，需要提高激光脈沖能量以獲得最佳激光清潔質(zhì)量。當(dāng)固定激光掃描速率在10m/s，優(yōu)化后獲得的玻璃絕緣子最佳清洗激光參數(shù)為激光能量密度約26.3J/cm2，脈沖頻率100kHz；瓷絕緣子的參數(shù)為激光能量密度約26.3J/cm2，脈沖頻率200kHz；硅橡膠絕緣子的優(yōu)化參數(shù)為激光能量密度約1.05J/cm2，脈沖頻率1000kHz。圖4是3種基材(玻璃、陶瓷和硅橡膠)絕緣子的激光清洗前、后對(duì)比圖。該情況下絕緣子無(wú)發(fā)生基底損傷并具有顯著的清潔效果。

Fig.4 Optical microscopic images of three polluted insulators before and after processing with a MOPA laser

3 結(jié) 論

采用自主研制的脈沖MOPA光纖激光器搭建激光清洗平臺(tái)，通過(guò)靈活使用不同激光參數(shù)與清洗速率進(jìn)行了絕緣子激光清洗的實(shí)驗(yàn)。針對(duì)常見(jiàn)的3種絕緣子材料，分析各自的激光清洗效果；在一定的掃描速率或光斑重疊率下，在過(guò)高或偏低的激光清洗能量的結(jié)果可比擬在一定激光設(shè)定參數(shù)下，其掃描速率偏低或過(guò)高的清洗結(jié)果。當(dāng)熱積累過(guò)多時(shí)，除了玻璃絕緣子樣品，其它絕緣子容易出現(xiàn)基底變質(zhì)、損壞。熱積累不夠時(shí)，則無(wú)法達(dá)到有效的清洗效果?；谇逑囱b置的最高激光掃描速率10m/s，獲得了玻璃絕緣子、瓷絕緣子及硅橡膠絕緣子的優(yōu)化后激光能量密度，分別約為26.3J/cm2,26.3J/cm2,1.05J/cm2，同時(shí)激光清洗效率可達(dá)3.4cm2/s。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，多參數(shù)可選的MOPA光纖激光器經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)整可滿足各種材料表面清潔，并且仍有較高的激光能量余量，因此未來(lái)還能更進(jìn)一步改善激光清洗裝置，如加大激光加工光斑，以獲得更高的清洗效率。配合智能化系統(tǒng)與激光清洗裝備升級(jí)，激光清洗技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)電力絕緣子領(lǐng)域的清潔應(yīng)用。