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摘要：隨著我國環保力度的不斷加大，各個地方也相應制定了更加嚴格的環保法規，為各類型建造企業劃定了環保紅線。傳統海洋工程除銹做法是通過動力工具打磨或者干式噴砂方法來實現的，該傳統除銹方法產生的大量粉塵（鐵銹碎渣、油漆渣）不僅對作業范圍內的環境造成嚴重破壞，而且對從業人員的健康損害較大，有嚴重的職業危害。此外，傳統除銹方法的除銹效果并不能一勞永逸，相反較為容易發生基材返銹現象。相比傳統除銹技術，激光除銹技術具有除銹效率高、基材零損害以及環保的優勢。本文以海洋工程為對象，從激光除銹技術作用原理、激光除銹參數與除銹質量關系等方面進行了論述，對未來激光除銹技術在海洋工程中應用具有一定的參考價值。

關鍵詞：激光除銹；海洋工程；除銹原理；除銹工藝參數

0引言

激光除銹技術雖然效率高，但是其作用過程較為復雜，涉及到的作用機理包括材料表面蝕燒、氣化、剝離以及膨脹等多種化學物理變化。現階段較為成熟的激光除銹技術有三種，一種是液膜輔助式激光除銹技術、另外一種是干式激光除銹技術、最后一種是激光沖擊波式除銹技術。但這三種激光除銹技術并不都適合海洋工程除銹。其中液膜輔助式激光除銹技術在清除基材表面銹跡的同時，會在基材表面殘留大量的液膜，液膜氣泡炸裂后形成的水滴會導致基材返銹，而且在復雜的化學作用下會產生其他物質，對海洋工程鋼結構表面質量造成不利影響，嚴重會影響海洋工程鋼結構的正常使用。激光沖擊波除銹主要是清除基材表面的納米級微粒，而海洋工程鋼結構表面的氧化層顆粒要遠遠大于納米級微粒，所以激光沖擊波除銹也不適用于海洋工程鋼結構除銹。干式激光除銹技術可以針對不同海洋工程進行設備選型和工藝參數優化，可以清除海洋工程鋼結構表面的銹蝕、漆層以及油膜等污濁物。所以，最適宜海洋工程鋼結構表面除銹的激光技術是干式激光除銹技術。

1激光除銹技術作用機理

激光除銹過程實際上是基材表面與激光發生反應的過程。激光除銹機制包括氣化剝離、燒蝕、相爆炸以及表面瞬時熱處理機制。在干式激光除銹的不同階段，以上4種機制的側重點各不相同。因鋼結構基材的輻射吸收長度與激光熱擴散的半徑和激光光斑半徑相比來說要小很多，所以在激光除銹的初始階段，可以將除銹過程看作是鋼結構基材表面被激光熱效應加熱的過程，在熱輻射的作用下，基材表面銹蝕發生熱膨脹現象，但此時熱膨脹的溫度還沒有達到基材表面銹蝕發生氣化的溫度，多以此階段的除銹過程實際上是非氣化除銹階段。通過建立干式激光除銹的力學模型，將激光除銹效果和鋼結構材料變形特質綜合考慮，認為除銹的過程實際上是材料克服變形的過程，變形的過程中保證了銹蝕粒子獲得了足夠的加速度，此加速度足以使基材表面銹蝕逃離基材，繼而實現除銹的目的。以上一定程度上分析了激光除銹非氣化除銹作用機理，可以近似的將激光除銹過程看作基材在激光作用下出現了熱膨脹和彈性振動現象，此現象使基材本體產生了一定位移的同時，也在基材與表面銹蝕之間產生了排斥力，因為基材與銹蝕并不是一個統一不可分割的整體，所以基材表面和銹蝕之間為了克服范德華力，使銹蝕顆粒產生了垂直與基材表面方向的彈出動力，繼而達到激光除銹的目的。

2激光除銹設備選擇

激光除銹的機理以及激光除銹的使用范圍主要由激光光源種類來決定，換言之，激光除銹的對象不同，其除銹所選擇的光源也不相同。例如激光除銹機理依靠的是燒蝕效應時，其激光光源應選擇連續激光或者選擇脈沖寬度為微秒量級的只有運轉激光，因為此類型的激光光源在與被清洗的材料相互作用后，可以產生較為明顯的熱效應，即燒蝕效應，可以達到較好的除銹效果；與脈沖寬度為微秒量級的長脈沖除銹機理不同，脈沖寬度為幾十個納秒的短脈沖激光器的除銹機理主要靠物理的力學效應，所謂激光力學除銹機理指的就是通過峰值功率密度高的等離子體的高速沖擊效應、沖擊波與被除銹構建碰撞產生的彈性振動來去除銹跡。在海洋工程鋼結構除銹過程中，考慮到海洋工程結構的復雜多孔性以及海洋工程鋼結構所處的惡劣環境導致的海洋工程鋼結構的銹蝕層厚度較大，在海洋工程鋼結構除銹過程中綜合利用激光的熱效應和激光的物理力學效應會達到更加理想的效果，而要達到激光的熱效應和激光的物理力學效應綜合作用除銹的目的，需要改變激光光源脈沖寬度，脈沖寬度要介于長脈沖寬度和短脈沖寬度之間，采用脈沖寬度為100ns的激光器，該類型的激光器產生的激光脈沖處于中等寬度，既具有熱效應又具有力學效應，可以較好地完成海洋工程鋼結構除銹任務。現階段在鋼結構激光除銹領域，常用的激光除銹設備有波長為10.6μm、中紅外波段的CO2激光器、波長為1064nm、近紅外波段的YAG激光器以及屬于紫外波段的準分子激光器三種。其中非金屬材料對CO2激光器的吸收系數要遠遠高于金屬材料對CO2激光器的吸收系數，所以CO2激光器在非金屬材料表面除銹效果較好，通常在金屬除銹過程中不選擇CO2激光器；金屬材料對YAG激光器的吸收率在40%左右，所以該激光器適用于金屬表面的除銹作業；雖然準分子激光器屬于紫外波段的一種激光光源，金屬材料對他具有更高的吸收率，但是該激光器的輸出功率較低，只能做金屬表面的精細加工作業，不適宜做金屬表面的除銹作業。基于此，海洋工程鋼結構金屬表面的激光除銹設備通常選用波長在1064nm附近的激光器。

3激光功率與光斑大小對除銹效果影響

在將離焦量、掃描速度以及重復頻率設定為定值的情況下，將激光功率從5W逐漸提高到20W后，激光的除銹效果隨著激光功率的變化出現了顯著的變化。當功率逐漸增大時，金屬表面的黑色雜質越少，除銹效果較好。激光功率從5W增加到10W時，金屬表面的黑色雜質逐漸減少，但是仍有黑色雜質；當激光功率從10W增加到15W時，金屬表面黑色雜質全部清除，漏出金屬白色原底。當繼續增加激光功率至20W時，金屬表面開始由白色變成了黃色的氧化層，形成了新的雜質，降低了除銹效果。可見，激光功率并非越大越好，要有一個損傷閾值，如果超過這個損傷閾值，已經被清理干凈的金屬表面會重新氧化。作為海洋工程鋼結構除銹最主要的工藝參數，激光功率直接影響了激光能量繼而影響了除銹的效果。在激光除銹過程中，基材表面吸收能量的密度與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。當激光功率逐漸增加時，基材和銹跡之間發生了劇烈的氣化、燒蝕等化學物理反應，使得更多的銹跡脫離基材表面，繼而達到了激光除銹的目的。通過對20μm蝕銹層激光除銹的實踐研究可知，當激光功率較低時，鋼結構表面光斑的形狀和熔池邊緣變得模糊不清，而且鋼結構表面的粗糙度開始下降，碳元素和氧元素的含量降到1%以下。為了達到更好的清除效果，開始逐漸增加激光功率，當功率在除銹最佳預知范圍內時，除銹效果非常明顯。但是當激光功率繼續增加且超過最佳閾值時，基材表面出現邊緣堆砌現象，無論是基材表面粗糙度還是碳元素與氧元素的含量都大幅度上升，極易發生基材二次氧化情況。通過對海洋工程鋼結構工程常用的且為B級銹蝕程度的Q235鋼進行激光除銹實踐結果可知，激光功率大小與基材表面粗糙度成正比，當激光功率超過最佳除銹閾值后，基材將出現部分熔凝層表面損傷情況，實踐結果與20μm蝕銹層激光除銹實踐結果一致。相關實踐表明，光斑的重疊率與光斑面積有密切關系，而光斑面積與負離焦量有關，當負離焦量增加時，光斑面積增加，光斑的重疊率增加，重疊率增加同等于增加了激光的掃描次數，繼而提高了激光除銹的效率。基于此，較小或者較大的光斑面積都會影響除銹效果。

4激光掃描速度與清洗次數對除銹效果影響

海洋工程鋼結構的激光除銹效率與激光掃描速度和除銹次數密不可分。如果激光掃描速度過快，就會降低光斑的搭接率，降低了光斑在基材表面銹蝕上的作用時間，作用時間降低就會減少能量累計，較低的能量累計無法使得銹蝕表面發生燒蝕氣化與振動剝離，繼而達不到除銹的最終目的。但是對于不同厚度的基材銹蝕，激光掃描速度也是不同的。如果是銹蝕相對較淺的鋼板，如果采取較小的掃描速度，則會導致過大的激光沉積能量，繼而造成鋼板二次氧化出現銹蝕。而深度銹蝕的海洋工程鋼結構，要采取不同頻率不同速度的激光交替進行，先用低速低頻激光掃描，再用高速高頻激光掃描，這種交替頻率作業，不但可以有效去基材除銹蝕氧化層，還不會產生新的氧化層，將除銹效果達到最佳狀態。不僅掃描速度會對除銹效果造成影響，掃描次數也會對除銹效果造成影響。相關實踐表明，掃描次數增加，基材表面會因為單脈沖能量的累計而形成熔道，而且隨著掃描次數的增多，熔道數量也增多。而且激光掃描次數與除銹效果之間在達到一定次數后將會出現反作用關系，當掃描次數增加到3次時，再繼續增加激光掃描次數，除銹效果并沒有明顯改善，說明掃描次數對除銹效果具有一定的飽和性。

5掃描間距對除銹效果影響

激光掃描間距的大小對除銹效果同樣具有較大影響，其影響除銹效果的中間步驟是改變了光斑的重疊面積，也就是當激光掃描間距變小，光斑的搭接率變大，除銹效果較好。相關實踐表明，60%的光斑搭接率是除銹效果的分水嶺。當光斑搭接率小于60%且大于50%時，除銹效果最佳，當光斑搭接率大于60%時，由于持續熱量累計對基材表面造成了不同程度的損傷，一方面導致基材表面粗糙度增加，另一方面導致基材表面的電流密度增大，使得基材耐腐蝕性能降低。從以上對除銹效果影響因素的分析結果可知，只要在激光器輸出功率恒定的情況下，改變除銹效果的關鍵因素是金屬表面的峰值功率密度。峰值功率密度指的是單位時間單位面積作用在物體表面能量的大小，該功率密度決定著金屬表面溫度上升的速度。因為金屬物體本身具有一定的導熱能力，所以作用在金屬物體表面的能量如果過小，就不會形成除銹要求的熱量，所以要求作用在金屬物體表面的峰值功率密度要足夠大，大到抵消金屬表面傳遞一部分熱量后所剩余的熱量仍能夠具有除銹能力的熱量，較高的峰值功率密度，可以使金屬表面小區域范圍內溫度快速升高，通過一系列的物理化學作用達到了較好的除銹效果。通過大量的現場實際施工實踐，激光除銹的最佳參數設置是應滿足金屬表面的銹層完全脫離鋼板表面但鋼板表面沒有二次生成其他任何氧化物質。經過多次現場實際除銹實踐確定，激光的峰值功率密度在108W/cm2的數量級而激光的能量密度在10J/cm2的數量級時是最佳的除銹閾值區間，因為在該閾值范圍內的激光既不會形成新的氧化物質造成金屬表面底材二次傷害，又可以徹底清除銹蝕層。

6結語

現階段，在海洋工程鋼結構除銹領域，激光除銹技術仍然處于理論與實驗研究階段，所以無論是激光除銹工藝還是激光除銹設備都沒有經過大范圍的實踐。究其原因有兩方面，一方面是海洋工程屬于勞動密集型工業體系范疇，其利潤率相對較低，之前的除銹過程一直采用的是粗放式的人工除銹策略，而且粗放式人工除銹已經形成了產業規模。另一方面就是，海洋工程作業空間和除銹對象較為復雜，針對不同除銹對象要單獨投入研發力量，這就導致了激光除銹的成本大幅度增加，此外，激光除銹設備造價較高等限制了激光除銹在海洋工程領域的推廣。但隨著國家對環保要求的不斷加碼以及企業員工健康管理體系的不斷完善，海洋工程對綠色環保除銹技術的需求是迫切的，在國家大力度支持海洋工程產學研發的基礎上，海洋工程鋼結構激光除銹技術已經上升到了一定戰略高度，相關研發成果與實踐結合越來越緊密，相信在不久的將來，激光除銹技術一定會在海洋工程領域大面積推廣。

參考文獻：

[1]陳浩，余興建，肖浩宇，等.雙光激光除銹裝置及新材料防腐技術[J].材料保護，2020,53(09):183-184.

[2]朱明．Q345C鋼銹層的納秒激光清洗工藝與表面質量研究[D].江蘇大學，2020．

作者：楊國偉 鄧文志 孫杰 陳百民 單位：海洋石油工程（青島）有限公司