激光除銹在船舶分段除銹中的應用

胡孝明

(中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063)

0 引 言

船廠使用的鋼板和型材在落料加工組裝為分段過程中，鋼材表面會再次銹蝕，表面狀態已不滿足下道涂裝作業的要求。為提高分段涂層的附著性能，使鋼材得到長期的有效保護、延緩銹蝕，在分段涂裝前需要對鋼材進行再次表面處理，去除鋼材表面的舊漆層、氧化皮、銹蝕及殘留焊渣等污物，即為造船涂裝工程中的二次除銹。

目前國內外船廠二次除銹廣泛采用噴砂除銹的方式，以壓縮空氣為動力，壓縮空氣在噴砂管內與鋼砂混合，在噴槍噴嘴處形成高速噴射束噴射至工件表面，通過鋼砂的沖擊力和磨削力清除分段表面底漆、氧化皮和銹蝕等雜質。但噴砂處理過程噪聲粉塵嚴重，引起二次污染，工作環境惡劣，嚴重影響操作者身體健康[1]。在綠色造船的發展趨勢下，探索新的環保經濟可行的船舶分段除銹技術十分重要。

激光除銹技術是激光清洗技術的一種。激光清洗技術已非常成熟，在很多行業被廣泛應用，例如模具清洗、武器裝備清洗、飛機舊漆清除、樓宇外墻清洗、精密機械工業中的精確去酯清洗等[2]。與傳統的除銹方法相比，激光除銹技術具有很多優點：對環境基本不造成污染，低能耗，且可與機器手或機器人相配合實現智能清洗。通過初步試驗，分析激光除銹效果，探索其應用于分段除銹的適用性。

1 試驗設計

激光除銹技術利用高頻高能激光脈沖照射工件表面，銹層可瞬間吸收聚焦的激光能量，使表面銹斑發生瞬間蒸發或剝離，而作用時間較短的激光脈沖，若參數適當則不會傷害金屬基材。能量密度高于污染物破壞閾值的光脈沖將一直剔除污染物，直到基底材料為止，由于其能量密度低于基底材料破壞閾值，因此基底不會受到破壞。任志國等[3]認為，采用優化參數的激光除銹對金屬基底沒有造成損傷，對金屬基底表面性能沒有產生顯著影響。

激光峰值功率密度F的計算公式為

(1)

式中：P為激光平均功率；f為脈沖頻率；D為光斑直徑；τ為脈沖寬度。

2 試驗設備

整個裝置由激光器、傳輸光纖、導光頭和控制系統組成[4]，其原理如圖1所示。在設備啟動后，激光器產生ns脈沖激光傳至振鏡，再通過光纖傳導至激光器槍頭射出光線，同時冷風機對設備整體進行降溫，穩定設備溫度；觸屏控制面板可調節功率、速度和激光掃描方式等參數。設備參數如表1所示。

表1 設備參數

圖1 設備原理

3 試驗樣板

經預處理的鋼板表面會均勻涂覆一層保護底漆，但經落料、加工和制成分段后，一部分分段底漆會被破壞而重新銹蝕。試驗選取與船體分段不同銹蝕狀態相似的3塊樣板，均為經預處理的鋼板，其中：樣板a的初始粗糙度為70～80 μm，底漆漆膜厚度為50 μm；樣板b和樣板c的初始粗糙度為20～30 μm，底漆漆膜厚度為30 μm。樣板a的表面環氧漆完好。樣板b的表面大部分底漆保存完好，局部出現破損，表面呈現初始腐蝕狀態，該狀態較接近實際生產中的分段狀態。樣板c的表面底漆完全破損，整個鋼板表面呈全銹蝕狀態，在其底層已出現黑灰色Fe3O4層，該狀態在分段上存在，但比較少。試驗樣板如圖2所示。

4 試驗過程

試驗一：選用330 mm焦距聚焦鏡，光斑直徑為0.1 mm，掃描面積為50 mm×50 mm，光斑產生速度為6 000 mm/s，線間距為0.070 mm，時間限定為120 s。試驗人員手持清洗機激光槍(100 W)，激光光束在設定區域內由左至右、由上至下以十字交叉軌跡對樣板進行清洗，對達到合格粗糙度需要的時間進行記錄。清洗后的效果如圖3所示。

圖3 清洗后的效果

試驗二：使用同一設備，選用254 mm焦距聚焦鏡，光斑直徑為0.07 mm，掃描面積為50 mm×50 mm，光斑產生速度為6 000 mm/s，線間距為0.046 mm。更換聚焦鏡使光斑直徑變小，激光能量更密集。采用與試驗一相同的試驗操作處理樣板c另一位置。不同焦距聚焦鏡處理效果對比如圖4所示。

圖4 不同焦距聚焦鏡處理效果對比

5 對比分析

5.1 清洗效果

試驗一的樣板a和樣板b的整體狀態較好，基體表面可較快呈現均勻的金屬光澤，達到與噴砂處理的同樣效果；樣板c底部已出現致密的Fe3O4氧化層，由于設備功率過小，在接近120 s時仍無法去除黑色的氧化層，致使粗糙度增大，其數據不具有參考性。試驗一清洗結果如表2所示。在達到與噴砂處理的同樣效果時，樣板a和樣板b的清洗效率均為0.6 m2/h(設備商數據為2.0 m2/h，由于在試驗時達到合格粗糙度的時間未把控，因此誤差較大)，而噴砂的清洗效率為17.0 m2/h。該設備的功率較小(100 W)，因此清洗效率較低，差距比較明顯。

表2 試驗一清洗結果

試驗二的能量密度為試驗一的2倍，在同樣試驗時間內，清洗效果改善明顯，已去除黑色的氧化層，達到合格的粗糙度值26 μm，證明激光能量密度是激光清洗中的關鍵因素，大功率激光清洗機的除銹效果可期。

兩次試驗的激光束能量密度數據如表3所示。

表3 能量密度數據

激光除銹對于底漆保護完好、僅出現局部銹蝕的鋼板及鋼板表面漆層的處理效果較好，說明激光清洗在鋼板表面的輕微銹蝕和油漆的去除應用方面具有一定的可操作性。在同功率時，在激光能量密度提升后，清洗效果改善明顯，為激光除銹的進一步研究提供一定的參考。

5.2 作業環境

激光是一種清潔能源，自身并不產生附加污染，配置吸塵器可在清洗的同時直接收集從鋼板表面上剝離的氧化皮和鐵銹等被燒蝕所形成的顆粒，作業對周圍環境污染較小，作業環境可得到較大改善；而在噴砂除銹中，鋼板表面的污染物被鋼砂切削為非常細小的顆粒，鋼砂在高速撞擊鋼板表面而粉碎時產生類似的顆粒，這些顆粒在周圍空氣的帶動下到處飛揚，造成室內可見度降低，且容易被吸入呼吸道而對人體造成傷害[5]。從環保角度而言，激光除銹優于噴砂除銹。

5.3 投資及運營成本

以某船廠單個噴砂間為例：車間尺寸(長×寬×高)為42 m×36 m×16 m，生產能力為噴砂面積4 000 m2/d。設備配置及用電消耗如表4所示。設備投資約1 600萬元。企業執行一部制電價計費，僅表1設備每天電費約1.48萬元，年時基數按250 d計，每年電費為370.00萬元。

表4 設備配置及用電消耗

按設備商數據，1臺100 W激光清洗機清理類似表面的效率為2 m2/h，而1臺500 W激光清洗機清理類似表面的效率為20～30 m2/h(該數據需要進一步試驗論證)。在實際生產中，使用大功率激光清洗機，保守按20 m2/h計，工作時間為8 h/d，生產不平衡系數為1.1，設備負荷率為0.8，需要配置35臺激光清洗機。每臺激光器配置除塵器投資約150萬元，設備投資共約5 250萬元。每套設備功率為4.5 kW，全室通風設備用電量按噴砂除銹的0.6倍計算，日耗電量為2 844 kW·h，每天電費平均為0.23萬元，年時基數按250 d計，每年電費為57.50萬元，僅為噴砂除銹的15.5%。

激光清洗機內的關鍵部件為激光器，激光清洗機的使用壽命取決于激光器的使用壽命。1臺激光器的官方使用壽命為10萬～12萬h，考慮連續工作損耗較大，使用壽命按6萬h計，每天連續工作8 h，可有效使用7 500 d。按目前價格，對比噴砂設備與激光設備的投資及運營成本，如圖5所示，其中：費用僅為設備投資與運行電費的直接費用之和，未考慮設備零部件損耗更換費用及人工費用。由圖5可知：激光除銹的設備投資與運營成本上升幅度較低，11 a與噴砂除銹成本持平。激光清洗耗電量較少，后期運營成本優勢較大。

6 結 語

如何更好地利用激光除銹技術，需要進行深層次的試驗研究。長遠來看，激光除銹所帶來的好處很多，但大范圍全面推廣仍存在一定困難。激光清洗設備目前的造價相對較高，后期運行成本雖低，但設備一次性投入較大，造成分段表面處理單位面積造價大幅提升。激光除銹受光的特性決定無法清理其聚焦光線達不到的區域，例如分段各處狹小尖角“月亮孔”“漏水孔”“R孔”等切割邊緣的端面及轉角包頭焊接處。在噴砂除銹時，可利用鋼砂的反彈作用達到處理目的，但激光除銹則無法做到。今后應多進行研發，可先小范圍和局部與現有噴砂除銹工藝結合使用，如配套自動化設備實現自動化清洗，將實現涂裝車間分段除銹智能化。