CN111495881A - 一种双光激光除锈方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双光激光除锈方法，包括以下步骤：通过波长为10.6μm的脉冲激光器对金属电力设备的待处理部位的锈蚀污染层进行清洗除锈；清洗除锈完成后，通过波长为1.06μm的钝化激光器对待处理部位进行均匀钝化，使待处理部位形成致密氧化膜层。该双光激光除锈方法能对腐蚀生锈的电力设备进行短时高效除锈，并对其表面进行均匀钝化延缓金属腐蚀。

Description

一种双光激光除锈方法
技术领域
本发明涉及电力设备维护技术领域，特别涉及一种双光激光除锈方法。
背景技术
电力工业是国民经济的基础产业，电力的安全生产关系到千家万户，关系到经济的发展和社会的稳定。但由于大部分的电力设备常年暴露在户外，受到环境和气候因素的影响，许多设备都出现了金属部分生锈情况，给企业生产埋下了严重的安全隐患。贵州作为山区省份，由于其地处低纬度，北回归线横贯全区中部，全区大部地区热量丰富，雨水丰沛，且其糖厂、酒厂分布广泛，更加加剧了电力设备的腐蚀生锈。
与变电站设备腐蚀相关的因素有三个，分别是气候条件、环境条件及大气条件。金属的大气腐蚀是一种液膜下的电化学腐蚀，而液膜的形成与大气的相对湿度密切相关。贵州地处山区，常年高湿高盐雾，极易造成设备产生严重的电化学腐蚀；另外，气温通过影响金属表面液膜状态，如水膜厚度、电阻率、盐类溶解度等，从而影响金属腐蚀。贵州由于其地理环境与气候的原因，盛产甘蔗，使得贵州成为了我国产糖最多的地区，因糖厂分布众多，空气中传播附着在电力设备表面的糖分加剧了设备的腐蚀程度。
上述三个因素已成为电力设备安全稳定运行和可靠供电的隐患，甚至曾酿成过一些严重后果。鉴于上述分析，有必要依据现阶段推行的绿色发展理念，加强电力设备清洗新技术的研究、应用，解决在复杂环境下电力设备除污难、抗腐蚀性能差的客观难题，在进一步降低维修强度的前提下，有效提高电力设备的除锈去污能力，从根本上解决了设备维修难的问题，提高了电力设备的使用寿命，解决了电力设备的安全隐患，切实提升电力系统的运维质量。
发明内容
本申请提供了一种双光激光除锈方法，解决了或部分解决了现有技术中复杂环境下电力设备除污难、抗腐蚀性能差的技术问题，实现了对腐蚀生锈的电力设备进行短时高效除锈，并对其表面进行均匀钝化延缓金属腐蚀的技术效果。
本申请提供的一种双光激光除锈方法，包括以下步骤：
通过波长为10.6μm的脉冲激光器对金属电力设备的待处理部位的锈蚀污染层进行清洗除锈；
所述清洗除锈完成后，通过波长为1.06μm的钝化激光器对所述待处理部位进行均匀钝化，使所述待处理部位形成致密氧化膜层。
作为优选，所述脉冲激光器为横向激励高气压二氧化碳激光器。
作为优选，所述脉冲激光器的谐振腔采用平凹腔结构，最大单脉冲输出能量可达15J，激光脉冲的10％极大值处的全宽度约为3μs，半极大值处全宽度小于200ns。
作为优选，所述清洗除锈过程中，所述脉冲激光器以线扫描方式运行，扫描多次，在最后一次扫描时，同步开启所述钝化激光器。
作为优选，所述脉冲激光器进行扫描时，
先采用低扫描速度对所述锈蚀污染层进行处理，将严重锈蚀清除，同时会产生二次氧化产物；
再采用高扫描速度将所述二次氧化产物进行清除。
作为优选，所述脉冲激光器的扫描分为：第一扫描阶段、第二扫描阶段及第三扫描阶段，其中，
所述第一扫描阶段的扫描次数为5次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为500mm/s；
所述第二扫描阶段的扫描次数为2次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为1500mm/s；
所述第三扫描阶段的扫描次数为2次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为2500mm/s。
作为优选，所述脉冲激光器的扫描分为：第一扫描阶段及第二扫描阶段，其中，
所述第一扫描阶段的扫描次数为4次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为800mm/s；
所述第二扫描阶段的扫描次数为2次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为2500mm/s。
作为优选，所述钝化激光器为高重复频率激光器或连续激光器。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
通过采用10.6μm波长的脉冲激光器作为清洗用激光器，由于10.6μm激光的吸收较低，故不易对金属电力设备的待处理部位的基底造成黄化等损伤，其次是10.6μm光的穿透深度很大，穿透深度正比于波长，脉冲激光烧蚀机制下，一个脉冲能够烧掉的污染层厚度与光穿透深度与热扩散深度的较大者的量级一致，因此清洗效率更高。另外再采用1.06μm波长的钝化激光器处理清洗除锈后的待处理部位,使待处理部位的金属基底的表面及浅层区域形成致密氧化层，能有效延缓金属电力设备表面的腐蚀。这样，有效解决了现有技术中复杂环境下电力设备除污难、抗腐蚀性能差的技术问题，实现了对腐蚀生锈的电力设备进行短时高效除锈，并对其表面进行均匀钝化延缓金属腐蚀的技术效果。
附图说明
图1为本申请实施例提供的双光激光除锈方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的激光除锈示意图；
图3为本申请实施例提供的不同扫描速度的除锈效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参见附图1，本申请提供的一种双光激光除锈方法，包括以下步骤：
S1：通过波长为10.6μm的脉冲激光器对金属电力设备的待处理部位的锈蚀污染层进行清洗除锈；
S2：清洗除锈完成后，通过波长为1.06μm的钝化激光器对待处理部位进行均匀钝化，使待处理部位形成致密氧化膜层。
通过采用10.6μm波长的脉冲激光器作为清洗用激光器，由于10.6μm激光的吸收较低，故不易对金属电力设备的待处理部位的基底造成黄化等损伤，其次是10.6μm光的穿透深度很大，穿透深度正比于波长，脉冲激光烧蚀机制下，一个脉冲能够烧掉的污染层厚度与光穿透深度与热扩散深度的较大者的量级一致，因此清洗效率更高。另外再采用1.06μm波长的钝化激光器处理清洗除锈后的待处理部位,使待处理部位的金属基底的表面及浅层区域形成致密氧化层，能有效延缓金属电力设备表面的腐蚀。
进一步的，清洗除锈过程中，脉冲激光器以线扫描方式运行，扫描多次，在最后一次扫描时，同步开启钝化激光器。脉冲激光器进行扫描时，先采用低扫描速度对所述锈蚀污染层进行处理，将严重锈蚀清除，同时会产生二次氧化产物；再采用高扫描速度将所述二次氧化产物进行清除。
下面通过具体实施例来详细描述本申请的双光激光除锈方法的步骤和原理：
对于多孔疏松结构的层状污染物，使用湿式激光清洗的效率要比使用干式激光清洗高得多。湿式清洗中常用的液膜溶液是水。可是对于电力设备除锈，水的引入如果处理不当，会造成金属的二次腐蚀，降低了这种清洗方式的有效性。在本除锈方法中，同时拥有两束激光，一束是用于除锈的清洗用激光，一束用于去除前面湿洗时的液体残余。清洗用激光使用重复频率几十赫兹，高单脉冲能量的脉冲激光器，这样在保证清洗效率的前提下，不会由于热沉积造成基底的不可逆损伤。清洗激光以线扫描方式运行，往复多次，在最后一次清洗时(即这次清洗后锈层会被完全去除)，同步开启钝化用激光器，这种激光器釆用高重复频率激光器或连续激光器，在较低功率下运行，给基底表面均匀加热，去除液膜残余的同时，实现表面的均匀钝化。
对于被腐蚀的电力系统相关金属设备先选取脉冲激光器进行清洗，选取此种激光设备的原因：一是相比于紫外、可见与近红外YAG激光，电力系统设备中的金属对10.6μmCO2激光的吸收较低，不易对基底造成黄化等损伤，二是10.6μmCO2光的穿透深度很大，穿透深度正比于波长，脉冲激光烧蚀机制下，一个脉冲能够烧掉的污染层厚度与光穿透深度与热扩散深度的较大者的量级一致，因此清洗效率更高。
对于脉冲激光器的要求一是峰值功率高，能够达到清洗对象的烧烛阈值，二是平均功率也较高，能够实现较高效率的清洗作业。可以采用中科院电子所研制的横向激励高气压二氧化碳激光器(Transversely Excited Atmospheric pressure laser)，简记作TEA激光器。该激光器的谐振腔采用平凹腔结构，波长10.6μm，最大单脉冲输出能量可达15J，激光脉冲的10％极大值处的全宽度约为3μs，半极大值处全宽度小于200ns。
对于钝化激光器，可选用波长为1.06μm的高重复频率Nd:YAG激光器，其作用原因恰恰与前面使用的脉冲激光器的作用原理相反。一是1.06YAG激光是铁质材料的强吸收波长，这样激光加热时的使用效率较高，二是1.06μm波长的激光穿透深度较浅，激光作为一种热源，提供的热量主要存在于金属基底的表面及浅层区域。
下面介绍激光湿洗除锈的清洗阈值和物理机制：
清洗阈值
假设清洗用激光是模输出，基模高斯光束能量密度的空间分布为：
Figure BDA0002449808910000061
其中Φ0是中心处的激光能量密度，r0是束腰半径。
激光清洗过程存在清洗阈值，只有能量密度高于阈值才能实现有效的清洗。高斯光束的特点就是中心能量密度最高，沿径向递减，因此清洗区域是一个圆，面积为：
Figure BDA0002449808910000062
由(1-1)和(1-2)不难得出清洗面积与激光能量密度之间的关系为
Figure BDA0002449808910000063
使用激光能量计能够测量整个激光脉冲的能量：
Figure BDA0002449808910000064
通过刀口法可确定r0的值，继而确定f(r0)的值。
由(1-3)和(1-4)我们可以得到清洗面积A与激光单脉冲能量之间的关系为
Figure BDA0002449808910000065
由(1-5)我们知道清洗面积A与激光单脉冲能量的对数成线性关系。
激光洗除锈的物理机制
参见附图2，一般说来，当固体材料表面吸收的激光功率密度足够大时，物质就会离开表面，被发射出去，其中有些物质还会变成气态。气态物质的主要成分是被激发、被电离的原子和电子。激光与物质的反应类型与反应过程由众多因素决定，如材料的天然性质，物理与化学特性，材料的表面状态；使用激光的波长、脉冲宽度、功率密度；环境的影响，例如周围大气的组分、湿度、气压等等。
激光与层状材料之间的相互作用为脉冲激光烧蚀作用，大体可以分成三大类：光热过程、光物理过程与光化学过程。光物理过程与光化学过程相似，都是将大块物质分解为小块物质的过程，其中光物理过程吸收光能破坏的是小块物质之间的物理结合力，如范德瓦尔斯力与静电力，而光化学过程是吸收光能，尤其是紫外激光，破坏大分子的化学键，使大分子分解为小分子的过程。
激光除锈采用高峰值功率的脉冲激光照射锈蚀部位，锈层或是基体吸收激光能量后温度急剧升高，进而产生膨松、气化、热冲击与热振动、声波震碎等一系列变化，最终使得锈蚀与基体脱离，同时又不会损坏工件。
设备表面的均匀钝化
激光电力设备基底吸收，而激光的穿透深度与激光光斑的面积相比很小，因此这一激光加热过程可使用一维模型来描述。
采用一维前端导热无限长度矩形脉冲模型
Figure BDA0002449808910000071
边界条件为
Figure BDA0002449808910000072
由上式(1-6)和(1-7)得温度分布的解析解：
Figure BDA0002449808910000081
连续激光器的重复频率很高，只需很短时间就可以通过基底加热实现钝化，使电力设备表面生成一层致密的氧化膜，延缓了金属设备的腐蚀，实现第一层防腐保护，避免了二次腐蚀的可能性。
脉冲激光器的扫描速度
在激光除锈工艺参数中，扫描速度直接决定了除锈效率。因此，为了得到高的激光除锈效率，必须选择合适的扫描速度。固定激光功率为19.5W，实验采用了三种扫描速度：500mm/s，1500mm/s，2500mm/s，得到的除锈样品照片如图3所示。
采用低扫描速度能有效地将顽固锈蚀清除掉，但同时会导致严重的二次氧化使得除锈效果不理想，如图3(a)；采用中等扫描速度能将大部分锈蚀清除干净，并且有效地避免了二次氧化，但无法清除掉顽固锈蚀，使得除锈效果也不尽如人意，如图3(b)；采用高扫描速度处理的样品，表面大部分锈蚀仍无法清除掉，除锈效果也不理想，如图3(c)。这是因为，样品表面的锈蚀的分布是不均匀的，锈蚀较厚的地方需要更大的激光能量才能将其清除掉，而对于锈蚀较薄的部位，过高的激光能量会在清除锈蚀的同时导致严重的二次氧化。
采用单一的扫描速度对样品进行处理是得不到理想的除锈效果；需先采用低速对样品进行处理将严重锈蚀清除掉，再采用高扫描速度对二次氧化产物进行清除，才能获得很好的除锈效果。为了获得较好的激光除锈效果以及高的除锈效率，本实验采取了将扫描速度进行组合、多次扫描的策略，具体如下：
实施例1
脉冲激光器的扫描分为：第一扫描阶段、第二扫描阶段及第三扫描阶段，其中，第一扫描阶段的扫描次数为5次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为500mm/s；第二扫描阶段的扫描次数为2次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为1500mm/s；第三扫描阶段的扫描次数为2次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为2500mm/s。
实施例2
脉冲激光器的扫描分为：第一扫描阶段及第二扫描阶段，其中，第一扫描阶段的扫描次数为4次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为800mm/s；第二扫描阶段的扫描次数为2次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为2500mm/s。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双光激光除锈方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过波长为10.6μm的脉冲激光器对金属电力设备的待处理部位的锈蚀污染层进行清洗除锈；
所述清洗除锈完成后，通过波长为1.06μm的钝化激光器对所述待处理部位进行均匀钝化，使所述待处理部位形成致密氧化膜层。
2.如权利要求1所述的双光激光除锈方法，其特征在于，所述脉冲激光器为横向激励高气压二氧化碳激光器。
3.如权利要求2所述的双光激光除锈方法，其特征在于，所述脉冲激光器的谐振腔采用平凹腔结构，最大单脉冲输出能量可达15J，激光脉冲的10％极大值处的全宽度约为3μs，半极大值处全宽度小于200ns。
4.如权利要求1所述的双光激光除锈方法，其特征在于，所述清洗除锈过程中，所述脉冲激光器以线扫描方式运行，扫描多次，在最后一次扫描时，同步开启所述钝化激光器。
5.如权利要求4所述的双光激光除锈方法，其特征在于，所述脉冲激光器进行扫描时，
先采用低扫描速度对所述锈蚀污染层进行处理，将严重锈蚀清除，同时会产生二次氧化产物；
再采用高扫描速度将所述二次氧化产物进行清除。
6.如权利要求5所述的双光激光除锈方法，其特征在于，所述脉冲激光器的扫描分为：第一扫描阶段、第二扫描阶段及第三扫描阶段，其中，
所述第一扫描阶段的扫描次数为5次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为500mm/s；
所述第二扫描阶段的扫描次数为2次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为1500mm/s；
所述第三扫描阶段的扫描次数为2次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为2500mm/s。
7.如权利要求5所述的双光激光除锈方法，其特征在于，所述脉冲激光器的扫描分为：第一扫描阶段及第二扫描阶段，其中，
所述第一扫描阶段的扫描次数为4次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为800mm/s；
所述第二扫描阶段的扫描次数为2次，激光功率调整为19.5W，扫描速度为2500mm/s。
8.如权利要求1所述的双光激光除锈方法，其特征在于，所述钝化激光器为高重复频率激光器或连续激光器。
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