張金星

（寶宇（武漢）激光技術(shù)有限公司，湖北武漢 430024）

0 引言

噴砂除銹技術(shù)是通過空氣壓縮壓力沖擊鋼鐵表面，將鋼材表面銹蝕、氧化皮、底漆等雜志清除的一種技術(shù)，其在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量封塵，不僅會(huì)污染環(huán)境，對(duì)操作人員的身體健康還具有一定危害。激光除銹技術(shù)作為一種綠色清洗技術(shù)，其能耗低、污染小，配備機(jī)器人或機(jī)器手可實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化操作，有利于進(jìn)一步提高銹蝕清除作業(yè)的質(zhì)量和效率。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取3 個(gè)銹蝕狀態(tài)相似的汽輪機(jī)葉片，其中實(shí)驗(yàn)樣板a 粗糙度為70～80 μm，葉片底漆厚度為50 μm；樣板b 和c 粗糙度為20～30 μm，葉片底漆厚度為30 μm。這3 種實(shí)驗(yàn)樣板中，樣板a 表面保護(hù)漆完好，樣板b 表面漆部分被破壞、葉片表面呈現(xiàn)部分銹蝕狀態(tài)，樣板c 表面漆全部被破壞、葉片表面呈現(xiàn)完全銹蝕狀態(tài)[1]。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

激光清洗技術(shù)利用高能高頻激光脈沖設(shè)備照射對(duì)設(shè)備表面進(jìn)行除銹，此時(shí)設(shè)備銹層將吸收激光能量，以此來使設(shè)備表面銹蝕剝離或蒸發(fā)。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)備為脈沖光纖激光器，主要由傳輸光纖、控制系統(tǒng)、激光器和導(dǎo)光頭組成（表1）。利用設(shè)備去除葉片銹蝕時(shí)，激光器將脈沖激光傳導(dǎo)至振鏡，然后通過傳輸光纖將激光傳導(dǎo)至槍頭發(fā)出光線，此時(shí)設(shè)備冷風(fēng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)激光設(shè)備進(jìn)行降溫，以此來穩(wěn)定設(shè)備溫度[2]。

表1 激光清洗設(shè)備參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)1：選擇焦距為330 mm 的激光聚焦鏡，同時(shí)設(shè)置激光設(shè)備光斑直徑為0.1 mm，掃描面積為50 mm×50 mm，線間距為0.07 mm，光斑速度為6000 mm/s，除銹時(shí)間設(shè)置為120 s。實(shí)驗(yàn)過程中由實(shí)驗(yàn)人員持激光設(shè)備在銹蝕區(qū)域從上至下、從左至右對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行清洗[3]。

實(shí)驗(yàn)2：利用相同激光設(shè)備，選擇焦距為254 mm 的激光聚焦鏡，設(shè)置激光設(shè)備光斑直徑為0.07 mm，激光掃描面積為50 mm×50 mm，線間距為0.046 mm，光斑速度為6000 mm/s。減小激光焦距可以增激光能量密集性，進(jìn)而提高除銹效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1 除銹效果對(duì)比分析

利用實(shí)驗(yàn)方案1 對(duì)對(duì)樣板a 和樣板b 進(jìn)行處理后，葉片表面呈現(xiàn)金屬光澤且表面平滑，與噴砂除銹技術(shù)效果基本一致。由于樣板c 底部存在少量Fe3O4氧化層，而激光設(shè)備功率較小，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無法有效去除氧化層，并且增加了葉片表面粗糙度，因此該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不具備參考價(jià)值[4]。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示，方案1 和方案2 激光能量密度數(shù)據(jù)如表3 所示。

表2 激光清洗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 激光能量密度數(shù)據(jù)

從表2、表3 可以看出，方案1 的除銹結(jié)果與傳統(tǒng)噴砂除銹效果基本一致，同時(shí)樣板a 和樣板b 除銹效率為0.6 m2/h，而傳統(tǒng)噴砂除銹效率為17.0 m2/h，可見激光清洗技術(shù)在清洗效率方面優(yōu)于噴砂除銹技術(shù)[5]；方案2 的激光能量密度高于方案1，其除銹效果明顯改善，經(jīng)過處理后的葉片表面粗糙度基本達(dá)到最小值，葉片表面粗糙度較方案1 下降了3～8 μm；在相同時(shí)間下，方案2 除銹效果有一定提升，實(shí)驗(yàn)樣板a 和除銹效率均提高了0.2，而樣板c 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可以有效去除Fe3O4氧化層。由此可見，減小激光能量密度可以有效提高激光清洗效果[6]。

另外，在不破壞葉片底漆的情況下，兩種方案的除銹效果均可以達(dá)到良好的級(jí)別，尤其是在葉片存在局部銹蝕、葉片底漆并未被破壞的情況下，兩種除銹技術(shù)均能有效去除銹蝕。從表3 還可以看出，在激光設(shè)備效率相同的情況下，提高激光能量密度可以改善除銹效果。

在粗糙度方面，方案2 與優(yōu)于方案1，可見提升激光能量密度也可以在一定程度上提高除銹后的粗糙度[7]。

2.2.2 作業(yè)環(huán)境

激光清洗技術(shù)為一種綠色、環(huán)保的清洗技術(shù)，在除銹過程中不會(huì)產(chǎn)生油污，并且設(shè)備配備的吸塵器可以在除銹的同時(shí)收集激光剝離的鐵屑、氧化皮等物質(zhì)，對(duì)環(huán)境污染較小。而噴砂除銹技術(shù)不適用于復(fù)雜鋼構(gòu)件，尤其是不規(guī)則或存在死角的鋼構(gòu)件，除銹難度較大。另外，噴砂設(shè)備主要通過壓縮空氣的方式、用鐵砂或石英砂沖擊鋼鐵表面，達(dá)到清除銹蝕的目的，在除銹過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵污染環(huán)境，甚至?xí)：Σ僮魅藛T的健康。因此，從環(huán)保角度來看，激光清洗技術(shù)環(huán)保效果優(yōu)于噴砂除銹技術(shù)[8]。

2.2.3 運(yùn)營(yíng)成本

以單個(gè)除銹車間為例，除銹車間尺寸為42 m×36 m×16 m，噴砂面積為4000 m2/d，采用噴砂除銹作業(yè)時(shí)的設(shè)備配置和能耗如表4 所示。

表4 噴砂除銹設(shè)備配置和能耗

從表4 可以看出，噴砂設(shè)備日耗電量較大，除銹車間所有設(shè)備日耗電量總計(jì)為18 506 kW·h，按照0.488 元/（kW·h）的電價(jià)計(jì)算，該車間日電費(fèi)成本為0.903 萬元，年時(shí)基礎(chǔ)按照250 d計(jì)算，年電費(fèi)成本約為225.773 萬元[9]。

通常情況下，1 臺(tái)功率為100 W 的激光清洗設(shè)備除銹效率為2 m2/h，大功率激光清洗設(shè)備除銹效率為小功率除銹設(shè)備的10倍，因此按照1 臺(tái)500 W 功率激光清洗設(shè)備除銹效率為20 m2/h，設(shè)備工作時(shí)間為8 h/d 為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，一臺(tái)功率為500 W 的激光清洗設(shè)備尺寸為1130 mm×830 mm×1300 mm，按照噴砂車間實(shí)際尺寸，激光清洗設(shè)備可以配置35 臺(tái)，車間全室通風(fēng)設(shè)備耗電量按照噴砂設(shè)備2640 kW·h 計(jì)算，激光清洗設(shè)備日耗電量為2844 kW·h，日電費(fèi)成本為0.23 萬元。按照年時(shí)基數(shù)250 d 計(jì)算，激光清洗設(shè)備年均電費(fèi)成本為57.50 萬元，電費(fèi)成本僅為噴砂除銹的15%?？梢?，激光清洗設(shè)備雖然在購置設(shè)備方面成本較高，但是電費(fèi)成本較少，因此總體經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于噴砂除銹技術(shù)[10]。

另外，激光清洗設(shè)備的使用壽命與激光器的壽命有直接關(guān)系，假設(shè)一臺(tái)激光器使用壽命為10～12 萬小時(shí)，考慮到激光清洗設(shè)備工作時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)增加設(shè)備損壞的概率，因此激光器使用壽命按照6 萬小時(shí)，激光清洗設(shè)備工作時(shí)間按照8 h 計(jì)算，激光清洗設(shè)備使用壽命約為20 年。而噴砂除銹設(shè)備使用壽命與噴砂缸、磨料回收設(shè)備、真空吸砂設(shè)備、局部除塵設(shè)備和空壓機(jī)等設(shè)備有關(guān)，平均使用壽命為10 年?？梢姡す馇逑丛O(shè)備使用壽命高于噴砂除銹設(shè)備。

整體上激光清洗設(shè)備前期投資成本較高、高于噴砂除銹設(shè)備，但是其耗電成本、使用壽命和除銹效果等方面均優(yōu)于后者。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)汽輪機(jī)葉片表面銹蝕問題進(jìn)行了清洗實(shí)驗(yàn)，分別設(shè)置了兩種激光清洗方案，利用激光清洗技術(shù)對(duì)3 種不同銹蝕狀態(tài)的汽輪機(jī)葉片表面銹蝕進(jìn)行清洗，并對(duì)清洗效果進(jìn)行比較。

（1）兩種激光清洗方案均可以有效清除表面保護(hù)漆未完全破壞或存在部分銹蝕的汽輪器葉片上的銹蝕，并且銹蝕清除效率較高。方案1 中樣板a 和樣板b 的銹蝕清除效率為0.6 m2/h，方案2 的銹蝕清除效率為0.8 m2/h。

（2）提高激光清洗設(shè)備聚焦能量密度有利于提高銹蝕清除效率，在相同作業(yè)時(shí)間下，方案2 銹蝕清除效率提升了0.2 m2/h，且能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)去除Fe3O4氧化層。此外，減小激光聚焦鏡焦距可以降低葉片表面粗糙度，利用實(shí)驗(yàn)方案2 處理后的汽輪機(jī)葉片表面粗糙度均有一定程度下降。

（3）與噴砂除銹技術(shù)相比，激光清洗技術(shù)前期投資成本較高，但是其在耗電成本、使用壽命、除銹效果和環(huán)境保護(hù)方面均優(yōu)于噴砂除銹技術(shù)。