壓力容器激光清洗機制及除銹除漆機制研究

韓沫

摘 要：針對當前大型壓力容器除銹除漆技術方法落后、環境人身健康危害大的問題，深入分析了激光清洗的基本原理，剖析了激光除銹除漆機制，為激光清洗技術在壓力容器除銹除漆中的推廣應用提供了理論支撐和有益的試驗探索。

關鍵詞：壓力容器;激光清洗;除銹除漆

引言

在大型壓力容器加工制作或檢修時，需進行除銹除漆處理。傳統除銹除漆方法主要分為化學試劑除銹和機械除銹兩大類。化學試劑除銹主要利用強酸清洗除銹，清洗廢液不僅對環境污染嚴重，而且對基體材料有一定程度的損傷，更危害操作人員身體健康，應用受到限制。機械除銹又常采用2種手段：一種是高壓水射流除銹，但除銹后易造成基體材料再次銹蝕，且除銹操作中噪聲大、污染重;另一種是噴砂拋丸除銹，但在噴砂處理過程噪聲和粉塵嚴重，會引起二次污染，造成工作環境惡劣，嚴重影響操作者身心健康。

近年來，激光清洗技術憑借其清洗度高、控制性好、綠色環保等優點，具有越來越廣闊的應用前景。本文在分析激光清洗機制的基礎上，試驗探索激光技術在大型壓力容器除銹除漆應用上的可行性。

1 激光清洗基本原理

圖1直觀展現了激光清洗原理。高亮度和發散角小的激光，通過光學聚焦整形系統把高能量的激光束，照射被清洗對象的基體表面，激光器發射的光束被銹蝕層、漆層等污物層吸收，通過光剝離、光振動、光分解、氣化等過程，使污物脫離基體表面。

為此，在激光清洗過程中，主要有以下幾種過程同時作用[1-3]：

1.1燃燒氣化

在激光清洗時，可以看到基體表面處有明顯的煙霧、火花。這是因為在激光輻照下，基體表面能吸收入射激光束的大部分能量，表面溫度迅速上升，達到一些物質的熔點、沸點及燃點以上，導致表面層一些物質瞬間發生氣化揮發，或受熱燃燒，從而產生火花和煙霧，使得被清洗對象脫落。

1.2熱沖擊與熱振動

熱沖擊與熱振動激光束輻照到漆層表面時，有一部分激光被漆層吸收。被吸收的光在漆層內部的穿透深度X與光強I遵從朗伯定律I=I0e-ax，a為吸收系數。由于激光束在漆層中的穿透深度只有幾微米。而清洗對象的漆層一般可達幾十微米，所以激光束并不能直接透過漆層輻照在基體表面。激光的能量幾乎全部被漆層吸收，油漆在激光熱流的沖擊下快速加熱，從而發生急劇的熱振動。而金屬基底開始時受熱較少，產生的熱膨脹極小，因而漆層熱振動產生的力使其有脫離金屬基底的趨勢。由于脈沖激光的作用時間極短，產生的熱沖擊力很大，足以使一部分油漆小塊克服金屬基底的表面吸附力，高速地隨揮發性氣流飛離金屬基底表面，這樣可以實現初步的清洗。

1.3聲波振碎

激光清洗中還能聽到連續不斷的輕微爆炸聲。其原因在于激光清洗采用的是高重復頻率脈沖激光，當激光束沖擊被清洗的漆層表面時，一部分激光被漆層吸收，還有一部分激光束能量轉變成了聲波，聲波沿著漆層厚度方向傳播。當穿到兩層漆膜的分界面或漆層與基底的分界面時，部分反射回漆層并與激光新產生的聲波發生干涉，在干涉波的加強處產生高能波，使漆層發生微區爆炸，形成細小的粉末，從而達到清洗的目的。激光除漆是一個復雜的過程，除了以上介紹的三個主要機理外，還可能包括光子壓力、激光軟燒蝕、等離子體產生的爆炸等等激光脫漆的機理。

1.4激光氣化

激光是一種能量、脈沖寬度和重復頻率等都可控制的光源，當在適當的功率密度下輻照到被處理物件表面時，利用物件表面銹斑與基底熱參數的差別，可使銹斑迅速氣化。理論計算表明，調Q脈沖激光作用深度遠比毫秒級脈沖激光的作用深度淺，所以使用調Q脈沖激光可避免物件的深部損傷。此外，當功率密度超過107W/cm2時，激光產生非常顯著的沖擊波，沖擊波的反沖力也能有效地清除金屬的銹垢，不會傷及金屬構件本身，且表面粗糙度僅為刷除法的一半。

根據上述原理，激光可以不熔化金屬表層，又能讓氧化物和銹層蒸發掉。而材料表面的溫升與輻射功率密度、表面吸收系數、熱擴散率和激光脈寬有密切關系?？梢钥刂萍す馐哪芰?、脈寬等因素使其不至于熔化金屬，又能使金屬表面被劇烈地加熱，使金屬表面所有的污物和銹蝕能夠被直接清除掉。在激光清洗的同時，金屬表面發生化學反應，改變金屬微厚表層結構，形成一層幾微米厚的保護層，使金屬構件表面抗銹蝕能力提高3～4倍。

2 激光除銹除漆機制分析

2.1激光除漆機制分析

利用激光作用于油漆漆膜時，漆膜吸收激光受到交變加熱，由于聲光效應而向周圍發射聲波，聲波能量只是激光能量的一部分。在漆膜表面產生的光致聲波，相當于一個聲波源向外發射聲波。進入漆膜的聲波在到達漆膜下的物體表面后又反射回來，因為這樣產生的聲波具有較大的振幅和良好的相干性，所以反射聲波和入射聲波就會發生干涉，因而使一些地方的振動成倍地增加，在漆膜內猶如產生了微力爆炸，將油漆變成極其微小的塵埃而清除掉。由以上原理可知，這種方法要求使用的激光器功率足夠大，脈沖頻率合適。

2.2激光除銹機制分析

激光到達工件表面時，聚焦后的光斑使銹蝕物迅速熔化蒸發，同時金屬表面發生化學反應，形成一層幾微米厚的保護層以防止金屬進一步銹蝕，而不傷及金屬構件本身。可以通過控制激光束的能量、脈寬等參數[3-4]，使其不至于熔化金屬，又能使金屬表面被劇烈地加熱，致使金屬表面所有的污物和銹蝕部分直接被清除掉。

3 結束語

激光清洗，就是通過高能量激光照射在基體表面產生一個被清洗對象吸附力方向相反的作用力。本文在分析激光清洗基本原理的基礎上，進一步分析了激光除銹除漆的機制。為激光清洗技術在壓力容器除銹除漆中的推廣應用提供了理論支撐和有益的試驗探索。

參考文獻

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