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基于海洋工程建造领域探讨激光除锈的应用

2020-06-08 302 上传者：管理员

摘要：从激光除锈方面探究其在海工建造领域的应用前景，选取型号为P-LASERQF-50的一款激光清洗设备进行海洋平台表面处理测试，介绍了该设备的工作原理、优势和应用领域，根据实际测试结果，分析了其在海工建造版块基材除锈的效果。

关键词：
光学
海工建造版块基材除锈
海洋工程
激光除锈
表面处理
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海洋石油钢结构物主要用于海上油气资源勘探、开发，在建造过程中，场地油漆修补表面处理的传统方式大多采用干式喷砂、动力工具打磨等，而干式喷砂及打磨过程会产生大量粉尘，工人在施工过程中极易吸入喷砂粉尘或打磨过程产生的漆渣、铁锈粉尘等，存在较大职业病风险危害，同时由于喷砂及打磨过程通常采用压缩空气作为动力，也存在高压气体伤人或者磨料伤人的风险。

同时，受限于国内严峻的环保形势，各地均制定了不同标准的环保相关法律法规，严峻的环保要求致使干式喷砂的使用越来越局限，进而给总装场地油漆修补表面处理带来极大的考验。为了缓解传统表面处理方式存在的弊端，越来越多的公司开始着手研究新技术新工艺在海洋工程平台建造过程的应用，近年来，激光除锈技术[1]、高压水喷射技术得以应用，本文针对激光除锈技术探究其在海洋工程建造领域的应用。

1、设备简介

1.1设备名称、型号及技术参数

本次实验测试所使用的仪器为激光清洗设备，型号：P-LASERQF-50，如图1所示。

P-LASERQF-50激光功率为50W，主机质量为32kg，扫描枪质量为1.2kg，其余技术参数如表1所示。

图1激光清洗设备P-LASERQF-50

1.2激光清洗设备应用领域

（1）金属或者玻璃表面涂覆层去除，快速除漆；

（2）快速除锈及各种氧化物；

（3）去除油脂、树脂、胶、粉尘、污渍、生产残渣；

（4）金属表面粗糙化；

（5）焊接前或粘合前脱漆、除锈、去油污，焊接后氧化物、残渣处理；

（6）模具清洗，如轮胎模具、电子模具、食品模具；

（7）精密部件生产加工后油污去除；

（8）核电部件维修的快速清理；

（9）航空航天兵器，船舶生产或维护过程中的氧化物处理，除漆、除锈；

（10）狭小空间金属表面清洗。

1.3P-LASERQF-50的优势

P-LASERQF-50与传统表面清理工艺相比具有快速、光洁的清洗或表面除漆；准确的清洗或除漆效果；对基材无损伤；成本低；投资回收快；无须喷砂砂粒或化学药剂；产品无需架设时间；无噪音及维修需求低等优点。此外，与传统激光清洗设备[2]相比，具有如下几个方面的优点。

表1P-LASERQF-50技术规格参数

（1）全光纤结构，利用增益光纤与泵浦源的尾纤等熔接成一体，从而避免二色镜和透镜带来的损耗，提高了激光转换的效率，增加激光器结构的稳定、提高设备性价比，并且能够保证在较大冲击、震动、高温、粉尘等恶劣环境下的正常使用；

（2）易于实现较高的转换效率和高功率输出。双包层内光纤横截面和孔径相对增加，从而泵浦光整形光速后，可以高效耦合进入内包层，因此，通过合理的调整与设计内包层参数和形状，选择与增益光纤相匹配的发射波长与光纤，进而大大增加了全光纤激光器实现高效率与大功率的激光输出；

（3）优良的散热性能。增益光纤“表面积/体积”比相对较高，从而使全光纤激光系统散热效果较优，进而使其工作温度范围在-20℃与+70℃的环境中运行；

（4）高输出激光光束质量。采用盘绕增益光纤的方法，使高阶模有较大的损耗，从而激光器运行在单模输出状态。此外，光纤光栅反射谱较窄、波长选择特性和低损耗特性较好；

（5）激光器光谱范围约455～3500nm，其运行范围较宽，并且可调谐输出，可实现较宽范围内的波长调谐，具有很好的单色性和稳定性。

2、激光除锈原理

激光清洗技术是指利用高频高能激光脉冲照射工件表面，涂覆层可以瞬间吸收聚集的激光能量，使表面的油污、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，高速有效地清除表面附着物或表面涂层的清洁方式，而作用时间很短的激光脉冲，在适当的参数下不会伤害金属基材[3]。

激光清洗是基于激光与物质相互作用效应的一项新技术，与传统的机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法（湿清洗工艺）不同，它不需要任何破坏臭氧层的CFC类有机溶剂，无污染，无噪声，对人体和环境无害，是一种“绿色”清洗技术，除锈原理见图2。

3、P-LASERQF-50测试情况

3.1未经处理的原始钢板除锈

图2P-LASERQF-50除锈原理示意图

3.1.1实验概况

在结构预制车间选取一块未经喷砂等表面处理过的原始钢板进行实验作业，选取15cm×10cm区域作为激光清理区域，如图3所示。

图3待激光除锈的原始钢板

对图3所示原始钢板进行激光除锈作业，达到检验标准后，测试处理区域粗糙度、油漆附着力等参数。

图4正在对原始钢板进行激光除锈

3.1.2测试结果

图4为正在对原始钢板进行激光除锈处理；图5为处理后达到检验标准后的效果，达到检验标准后，随后对实验区域的粗糙度进行测试。

激光除锈后区域的粗糙度测试结果如图6所示，其中试纸厚度为50μm，两次测试结果分别为150μm和135μm，所以原始钢板经过激光除锈后的粗糙度分别为100μm和85μm。

对经过激光除锈后的原始钢板进行涂装工作，首先对处理后的区域全部刷Intersheild300底漆，待底漆干后再行选择其中一半区域刷Intersheild300中漆，随后放置两周时间，待完全干透后进行拉拔试验，本次实验采用机械拉拔的方法，图7为检验人员进行拉拔试验。

图5激光除锈后效果

图6激光除锈后原始钢材表面粗糙度测试结果

图7检验人员进行拉拔试验

Intersheild300底漆进行拉拔试验的试验结果如图8所示，从结果中可以看出，本次拉拔应力为10MPa，底漆与基材之间完全剥离，满足项目要求的机械拉拔应力>4MPa的要求。

Intersheild300中漆进行拉拔试验的试验结果如图9所示，从结果中可以看出，本次拉拔应力为7MPa，中漆与底漆之间完全剥离，满足项目要求的机械拉拔应力>4MPa。

3.2油漆烧糊位置除锈

3.2.1实验概况

在总装场地选择某平台模块栏杆烧糊处进行实验作业，选取15cm×6cm烧糊位置作为激光清理区域，如图10所示。

对图10所示烧糊位置进行激光除锈作业，达到检验标准后，测试处理区域功效等参数。

3.2.2测试结果

图11为厂家人员利用激光除锈仪对试验区域进行除锈过程，图12为处理至检验标准后的效果。

图8底漆拉拔试验结果

图9中漆拉拔试验结果

图10烧糊位置激光除锈实验区域

在激光除锈过程中，激光除锈仪对烧糊处再次返锈的区域清理速度较快，大约1min即可完成15cm×3.5cm烧糊区域的处理。因此，利用激光除锈仪进行烧糊区域除锈处理时功效大致为：（15×3.5×10-4)/（1/60)=0.315m2/h，该功效较高。但是使用P-LASERQF-50激光除锈仪对于基材表面附着油漆的处理功效较低，主要原因为本次展示激光除锈仪的激光功率为50W，相对较小，所以处理涂层相对困难。

4、结语

（1）激光除锈仪是利用高频高能激光脉冲照射工件表面，涂覆层可以瞬间吸收聚集的激光能量，使表面的油污、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，其基本不改变基材表面微观形态，但是经过激光除锈后的涂层与基材表面的附着力较大，经过测试，其能够满足该项目机械拉拔不小于4MPa的要求；

（2）本次实验所采用的激光除锈仪由于功率相对较小，其对于烧糊位置返锈区域的处理功效较高，能够达到2.52m2/工日，但对于完整涂层及原始钢材表面氧化层的处理功效相对较低，建议采用功效较高的激光除锈仪。

图11激光除锈过程中

图12达到检验标准后效果

参考文献：

[1]侯玫,张传俊.现代工业中几种先进除锈方法的对比研究[J].机械研究与应用,2007,20(4):19-20.

[2]王泽敏.曾晓雁,黄维玲.激光清洗工艺的发展现状与展望[J].激光技术,2000,24(2):68-73.

[3]邱兆飚,朱海红.脉冲激光除锈工艺研究[J].应用激光,2013,33(4):416-420.

何宾,姜伟,樊志勇,丛立志,李艳强,潘继海,张庆宇,季文翔.激光除锈在海洋工程建造领域的应用前景[J].涂层与防护,2020,41(04):40-45.