激光除锈技术在海洋工程建造领域运用范文

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摘要：随着我国环保力度的不断加大，各个地方也相应制定了更加严格的环保法规，为各类型建造企业划定了环保红线。传统海洋工程除锈做法是通过动力工具打磨或者干式喷砂方法来实现的，该传统除锈方法产生的大量粉尘（铁锈碎渣、油漆渣）不仅对作业范围内的环境造成严重破坏，而且对从业人员的健康损害较大，有严重的职业危害。此外，传统除锈方法的除锈效果并不能一劳永逸，相反较为容易发生基材返锈现象。相比传统除锈技术，激光除锈技术具有除锈效率高、基材零损害以及环保的优势。本文以海洋工程为对象，从激光除锈技术作用原理、激光除锈参数与除锈质量关系等方面进行了论述，对未来激光除锈技术在海洋工程中应用具有一定的参考价值。

关键词：激光除锈；海洋工程；除锈原理；除锈工艺参数

0引言

激光除锈技术虽然效率高，但是其作用过程较为复杂，涉及到的作用机理包括材料表面蚀烧、气化、剥离以及膨胀等多种化学物理变化。现阶段较为成熟的激光除锈技术有三种，一种是液膜辅助式激光除锈技术、另外一种是干式激光除锈技术、最后一种是激光冲击波式除锈技术。但这三种激光除锈技术并不都适合海洋工程除锈。其中液膜辅助式激光除锈技术在清除基材表面锈迹的同时，会在基材表面残留大量的液膜，液膜气泡炸裂后形成的水滴会导致基材返锈，而且在复杂的化学作用下会产生其他物质，对海洋工程钢结构表面质量造成不利影响，严重会影响海洋工程钢结构的正常使用。激光冲击波除锈主要是清除基材表面的纳米级微粒，而海洋工程钢结构表面的氧化层颗粒要远远大于纳米级微粒，所以激光冲击波除锈也不适用于海洋工程钢结构除锈。干式激光除锈技术可以针对不同海洋工程进行设备选型和工艺参数优化，可以清除海洋工程钢结构表面的锈蚀、漆层以及油膜等污浊物。所以，最适宜海洋工程钢结构表面除锈的激光技术是干式激光除锈技术。

1激光除锈技术作用机理

激光除锈过程实际上是基材表面与激光发生反应的过程。激光除锈机制包括气化剥离、烧蚀、相爆炸以及表面瞬时热处理机制。在干式激光除锈的不同阶段，以上4种机制的侧重点各不相同。因钢结构基材的辐射吸收长度与激光热扩散的半径和激光光斑半径相比来说要小很多，所以在激光除锈的初始阶段，可以将除锈过程看作是钢结构基材表面被激光热效应加热的过程，在热辐射的作用下，基材表面锈蚀发生热膨胀现象，但此时热膨胀的温度还没有达到基材表面锈蚀发生气化的温度，多以此阶段的除锈过程实际上是非气化除锈阶段。通过建立干式激光除锈的力学模型，将激光除锈效果和钢结构材料变形特质综合考虑，认为除锈的过程实际上是材料克服变形的过程，变形的过程中保证了锈蚀粒子获得了足够的加速度，此加速度足以使基材表面锈蚀逃离基材，继而实现除锈的目的。以上一定程度上分析了激光除锈非气化除锈作用机理，可以近似的将激光除锈过程看作基材在激光作用下出现了热膨胀和弹性振动现象，此现象使基材本体产生了一定位移的同时，也在基材与表面锈蚀之间产生了排斥力，因为基材与锈蚀并不是一个统一不可分割的整体，所以基材表面和锈蚀之间为了克服范德华力，使锈蚀颗粒产生了垂直与基材表面方向的弹出动力，继而达到激光除锈的目的。

2激光除锈设备选择

激光除锈的机理以及激光除锈的使用范围主要由激光光源种类来决定，换言之，激光除锈的对象不同，其除锈所选择的光源也不相同。例如激光除锈机理依靠的是烧蚀效应时，其激光光源应选择连续激光或者选择脉冲宽度为微秒量级的只有运转激光，因为此类型的激光光源在与被清洗的材料相互作用后，可以产生较为明显的热效应，即烧蚀效应，可以达到较好的除锈效果；与脉冲宽度为微秒量级的长脉冲除锈机理不同，脉冲宽度为几十个纳秒的短脉冲激光器的除锈机理主要靠物理的力学效应，所谓激光力学除锈机理指的就是通过峰值功率密度高的等离子体的高速冲击效应、冲击波与被除锈构建碰撞产生的弹性振动来去除锈迹。在海洋工程钢结构除锈过程中，考虑到海洋工程结构的复杂多孔性以及海洋工程钢结构所处的恶劣环境导致的海洋工程钢结构的锈蚀层厚度较大，在海洋工程钢结构除锈过程中综合利用激光的热效应和激光的物理力学效应会达到更加理想的效果，而要达到激光的热效应和激光的物理力学效应综合作用除锈的目的，需要改变激光光源脉冲宽度，脉冲宽度要介于长脉冲宽度和短脉冲宽度之间，采用脉冲宽度为100ns的激光器，该类型的激光器产生的激光脉冲处于中等宽度，既具有热效应又具有力学效应，可以较好地完成海洋工程钢结构除锈任务。现阶段在钢结构激光除锈领域，常用的激光除锈设备有波长为10.6μm、中红外波段的CO2激光器、波长为1064nm、近红外波段的YAG激光器以及属于紫外波段的准分子激光器三种。其中非金属材料对CO2激光器的吸收系数要远远高于金属材料对CO2激光器的吸收系数，所以CO2激光器在非金属材料表面除锈效果较好，通常在金属除锈过程中不选择CO2激光器；金属材料对YAG激光器的吸收率在40%左右，所以该激光器适用于金属表面的除锈作业；虽然准分子激光器属于紫外波段的一种激光光源，金属材料对他具有更高的吸收率，但是该激光器的输出功率较低，只能做金属表面的精细加工作业，不适宜做金属表面的除锈作业。基于此，海洋工程钢结构金属表面的激光除锈设备通常选用波长在1064nm附近的激光器。

3激光功率与光斑大小对除锈效果影响

在将离焦量、扫描速度以及重复频率设定为定值的情况下，将激光功率从5W逐渐提高到20W后，激光的除锈效果随着激光功率的变化出现了显著的变化。当功率逐渐增大时，金属表面的黑色杂质越少，除锈效果较好。激光功率从5W增加到10W时，金属表面的黑色杂质逐渐减少，但是仍有黑色杂质；当激光功率从10W增加到15W时，金属表面黑色杂质全部清除，漏出金属白色原底。当继续增加激光功率至20W时，金属表面开始由白色变成了黄色的氧化层，形成了新的杂质，降低了除锈效果。可见，激光功率并非越大越好，要有一个损伤阈值，如果超过这个损伤阈值，已经被清理干净的金属表面会重新氧化。作为海洋工程钢结构除锈最主要的工艺参数，激光功率直接影响了激光能量继而影响了除锈的效果。在激光除锈过程中，基材表面吸收能量的密度与激光功率大小成正比，激光功率越大，基材表面吸收的能量密度越大，反之亦然。当激光功率逐渐增加时，基材和锈迹之间发生了剧烈的气化、烧蚀等化学物理反应，使得更多的锈迹脱离基材表面，继而达到了激光除锈的目的。通过对20μm蚀锈层激光除锈的实践研究可知，当激光功率较低时，钢结构表面光斑的形状和熔池边缘变得模糊不清，而且钢结构表面的粗糙度开始下降，碳元素和氧元素的含量降到1%以下。为了达到更好的清除效果，开始逐渐增加激光功率，当功率在除锈最佳预知范围内时，除锈效果非常明显。但是当激光功率继续增加且超过最佳阈值时，基材表面出现边缘堆砌现象，无论是基材表面粗糙度还是碳元素与氧元素的含量都大幅度上升，极易发生基材二次氧化情况。通过对海洋工程钢结构工程常用的且为B级锈蚀程度的Q235钢进行激光除锈实践结果可知，激光功率大小与基材表面粗糙度成正比，当激光功率超过最佳除锈阈值后，基材将出现部分熔凝层表面损伤情况，实践结果与20μm蚀锈层激光除锈实践结果一致。相关实践表明，光斑的重叠率与光斑面积有密切关系，而光斑面积与负离焦量有关，当负离焦量增加时，光斑面积增加，光斑的重叠率增加，重叠率增加同等于增加了激光的扫描次数，继而提高了激光除锈的效率。基于此，较小或者较大的光斑面积都会影响除锈效果。

4激光扫描速度与清洗次数对除锈效果影响

海洋工程钢结构的激光除锈效率与激光扫描速度和除锈次数密不可分。如果激光扫描速度过快，就会降低光斑的搭接率，降低了光斑在基材表面锈蚀上的作用时间，作用时间降低就会减少能量累计，较低的能量累计无法使得锈蚀表面发生烧蚀气化与振动剥离，继而达不到除锈的最终目的。但是对于不同厚度的基材锈蚀，激光扫描速度也是不同的。如果是锈蚀相对较浅的钢板，如果采取较小的扫描速度，则会导致过大的激光沉积能量，继而造成钢板二次氧化出现锈蚀。而深度锈蚀的海洋工程钢结构，要采取不同频率不同速度的激光交替进行，先用低速低频激光扫描，再用高速高频激光扫描，这种交替频率作业，不但可以有效去基材除锈蚀氧化层，还不会产生新的氧化层，将除锈效果达到最佳状态。不仅扫描速度会对除锈效果造成影响，扫描次数也会对除锈效果造成影响。相关实践表明，扫描次数增加，基材表面会因为单脉冲能量的累计而形成熔道，而且随着扫描次数的增多，熔道数量也增多。而且激光扫描次数与除锈效果之间在达到一定次数后将会出现反作用关系，当扫描次数增加到3次时，再继续增加激光扫描次数，除锈效果并没有明显改善，说明扫描次数对除锈效果具有一定的饱和性。

5扫描间距对除锈效果影响

激光扫描间距的大小对除锈效果同样具有较大影响，其影响除锈效果的中间步骤是改变了光斑的重叠面积，也就是当激光扫描间距变小，光斑的搭接率变大，除锈效果较好。相关实践表明，60%的光斑搭接率是除锈效果的分水岭。当光斑搭接率小于60%且大于50%时，除锈效果最佳，当光斑搭接率大于60%时，由于持续热量累计对基材表面造成了不同程度的损伤，一方面导致基材表面粗糙度增加，另一方面导致基材表面的电流密度增大，使得基材耐腐蚀性能降低。从以上对除锈效果影响因素的分析结果可知，只要在激光器输出功率恒定的情况下，改变除锈效果的关键因素是金属表面的峰值功率密度。峰值功率密度指的是单位时间单位面积作用在物体表面能量的大小，该功率密度决定着金属表面温度上升的速度。因为金属物体本身具有一定的导热能力，所以作用在金属物体表面的能量如果过小，就不会形成除锈要求的热量，所以要求作用在金属物体表面的峰值功率密度要足够大，大到抵消金属表面传递一部分热量后所剩余的热量仍能够具有除锈能力的热量，较高的峰值功率密度，可以使金属表面小区域范围内温度快速升高，通过一系列的物理化学作用达到了较好的除锈效果。通过大量的现场实际施工实践，激光除锈的最佳参数设置是应满足金属表面的锈层完全脱离钢板表面但钢板表面没有二次生成其他任何氧化物质。经过多次现场实际除锈实践确定，激光的峰值功率密度在108W/cm2的数量级而激光的能量密度在10J/cm2的数量级时是最佳的除锈阈值区间，因为在该阈值范围内的激光既不会形成新的氧化物质造成金属表面底材二次伤害，又可以彻底清除锈蚀层。

6结语

现阶段，在海洋工程钢结构除锈领域，激光除锈技术仍然处于理论与实验研究阶段，所以无论是激光除锈工艺还是激光除锈设备都没有经过大范围的实践。究其原因有两方面，一方面是海洋工程属于劳动密集型工业体系范畴，其利润率相对较低，之前的除锈过程一直采用的是粗放式的人工除锈策略，而且粗放式人工除锈已经形成了产业规模。另一方面就是，海洋工程作业空间和除锈对象较为复杂，针对不同除锈对象要单独投入研发力量，这就导致了激光除锈的成本大幅度增加，此外，激光除锈设备造价较高等限制了激光除锈在海洋工程领域的推广。但随着国家对环保要求的不断加码以及企业员工健康管理体系的不断完善，海洋工程对绿色环保除锈技术的需求是迫切的，在国家大力度支持海洋工程产学研发的基础上，海洋工程钢结构激光除锈技术已经上升到了一定战略高度，相关研发成果与实践结合越来越紧密，相信在不久的将来，激光除锈技术一定会在海洋工程领域大面积推广。

参考文献：

[1]陈浩，余兴建，肖浩宇，等.双光激光除锈装置及新材料防腐技术[J].材料保护，2020,53(09):183-184.

[2]朱明．Q345C钢锈层的纳秒激光清洗工艺与表面质量研究[D].江苏大学，2020．

作者：杨国伟 邓文志 孙杰 陈百民 单位：海洋石油工程（青岛）有限公司