隔離開關的米級遠距離激光除銹工藝研究

楊明昆，黃繼盛，陸軍，高勇，程志萬，馬儀

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.云南電網有限責任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000)

0 前言

電氣設備銹蝕將導致其不能有效接通，虛接，發熱，導致短路、跳閘甚至火災、爆炸等，嚴重縮短電氣設備的使用壽命。不同于一般情況下的除銹作業，電氣設備除銹通常需要在高壓帶電條件下進行，從而保證電力系統的正常運行，減少因停電帶來的巨大經濟損失。對于高壓帶電設備，其安全距離通常在米級甚至數米量級。傳統的除銹方法難以適用，迫切需要研發一種安全、能夠遠距離無接觸的除銹方法。

目前常用的除銹方法有：噴砂、拋丸、化學酸洗、超聲波、高壓水射流等。這些方法均無法用于電氣設備特別在高壓帶電狀態的除銹。激光除銹是一種新穎的除銹技術，它是采用高峰值功率的激光照射銹蝕部位，銹層或是基體吸收激光能量后溫度急劇升高，進而產生一系列物理效應，如膨松、氣化、熱沖擊與熱振動、聲波震碎等，最終使得銹蝕與基體脫離，實現除銹同時又不會損壞工件[1-3]。激光除銹的研究已經有十多年的歷史，涉及各種工業用激光器，研究結果表明：波長為1.06 μm 激光更適合用于激光除銹[4-9]。目前激光除銹裝備已經走向工業應用，其技術路線主要有兩種，分別以法國Quantel 公司和美國Adapt 公司為代表：分別采用波長為1 064 nm 的脈沖YAG 激光器或者脈沖光纖激光器，其作用距離只有數百mm。

本論文采用自行研制的米級遠距離激光除銹系統，對隔離開關進行2 米遠距離激光除銹實驗研究，獲得了工藝參數的影響以及除銹機制。

1 實驗裝置及方法

實驗所用實驗裝置示意圖如圖1 所示。采用的激光器為IPG 生產的YLR-400-WC 型激光器，最高輸出功率為400 W。根據高壓安全距離要求，固定工作距離為2 m。激光經焦距為2 m的聚焦鏡聚焦后作用于工件表面。實驗用隔離開關為廢棄的配電站常用的隔離開關，其材質為紫銅，年久失修，表面有一層致密的氧化膜。

圖1 實驗裝置示意圖

所采用激光除銹實驗工藝參數為：固定的激光功率為400 W，掃描速度范圍為500 mm/s～4 000 mm/s，掃描間距為0.01 mm～0.09 mm，掃描次數為1～3 次。定義面能量密度E 為：

式中，P 為激光功率，V 為掃描速度，S 為掃描間距。除銹后試樣用相機拍照，照片采用Photoshop 灰度值進行定量標定。表面粗糙度采用日本基恩士公司生產的VK-X200K 型激光共聚焦顯微鏡測量，統計區域為長3 mm、寬2 mm 的矩形。

2 實驗結果及分析

2.1 潔凈度

圖2 為400 W 激光功率，0.01 mm 掃描間距，1 次掃描，掃描速度為500 mm/s-4 000 mm/s 所除銹后的隔離開關的照片。由圖中可以看出：在其他工藝參數不變的條件下，隨著掃描間距的減小，除銹表面越亮，預示除銹潔凈度越高。

圖2 不同掃描間距（mm）的影響

將照片在photoshop 中進行灰度值處理，獲得不同工藝下的除銹后的試樣灰度值對比，如圖3～5 所示。圖3 為圖2 處理后的數值，證實了肉眼觀察的結果。圖4 為固定激光功率為400 W，掃描間距為0.01 mm，不同掃描速度下的灰度值。由圖可見：隨著掃描速度的增加，灰度值下降，即除銹潔凈度下降。圖5 是掃描次數的影響，由圖可見：隨著掃描次數的增加，灰度值增江，即潔凈度增加，但是當由2 次掃描增加到3 次時，灰度值增幅大大減少，預示試樣表面的潔凈度已經足夠高。

圖3 不同掃描間距下除銹灰度值對比

圖4 不同掃描速度下隔離開關除銹灰度值對比

圖5 不同掃描次數下隔離開關除銹灰度值對比

2.2 表面粗糙度

圖6 為激光功率400 W，掃描速度1 000 mm/s 時，不同掃描間距下的表面粗糙度Ra 和Rz。圖中可以觀察到：在其他工藝參數恒定的情況下，隨著掃描間距的增加，表面粗糙度呈Ra呈先減小后增大趨勢，表面粗糙度Rz 基本不變。

圖6 表面粗糙度Rz隨掃描間距的關系

圖7 表面粗糙度Ra和Rz隨掃描速度的關系

圖7 為激光功率400 W，掃描間距0.01 mm時，不同掃描速度下的表面粗糙度Ra 和Rz。由圖中可以觀察到：在其他工藝參數恒定的情況下，隨著掃描速度的增加，表面粗糙度Ra 和Rz 都呈減小趨勢。

2.3 激光除銹機制

在激光除銹實驗時，發現有飛濺物產生。使用高速攝像機進行拍攝觀察飛濺是如何產生以及飛濺量的多少。高速攝像機型號Phantom V2012，激光照明光源型號CAVILUX HF。拍攝的資料經過索尼Pcc 專業攝像分析軟件分析，采用幀數為15 幀，工藝參數為400 W，掃描間距為0.05 mm，不同掃描速度下均勻選區4 個時間間隔。

1 000 mm/s 時的顆粒狀飛濺物相對最多，500 mm/s 時的白煙相對最多。這是因為掃描速度為500 mm/s 時，輸入的激光能量最多，銹層吸收激光能量后直接氣化成為白煙，產生的顆粒狀飛濺物相對較少。當掃描速度為1 000 mm/s 時，輸入的激光能量較少，銹層吸收激光能量后既發生了氣化形成白煙，也發生受熱膨脹分離產生大量顆粒狀飛濺物。當掃描速度為2 000 mm/s 時，飛濺物和白煙都比較少。

3 結束語

本論文采用400 W 的連續光纖激光器，對2 m 遠的隔離開關進行了激光除銹工藝研究，實現了2 m 遠的激光除銹，得到的結論如下：

1）激光除銹可以實現2 m 遠的隔離開關除銹，因此可以實現高壓帶電除銹。

2）隨掃描間距和掃描速度減小，除銹潔凈度增加；隨掃描次數增加，潔凈度增加，但是當掃描次數從2 次增加到3 次時，增幅放緩。

3）隔離開關激光除銹機制與工藝參數有關。當掃描速度低時，其機制為氣化為主；當掃描速度較高時，其機制為受熱膨脹與基體分離產生大量顆粒狀飛濺物為主。