杨明昆,黄继盛,陆军,高勇,程志万,马仪
(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院,昆明 650217;2.云南电网有限责任公司临沧供电局,云南 临沧 677000)
电气设备锈蚀将导致其不能有效接通,虚接,发热,导致短路、跳闸甚至火灾、爆炸等,严重缩短电气设备的使用寿命。不同于一般情况下的除锈作业,电气设备除锈通常需要在高压带电条件下进行,从而保证电力系统的正常运行,减少因停电带来的巨大经济损失。对于高压带电设备,其安全距离通常在米级甚至数米量级。传统的除锈方法难以适用,迫切需要研发一种安全、能够远距离无接触的除锈方法。
目前常用的除锈方法有:喷砂、抛丸、化学酸洗、超声波、高压水射流等。这些方法均无法用于电气设备特别在高压带电状态的除锈。激光除锈是一种新颖的除锈技术,它是采用高峰值功率的激光照射锈蚀部位,锈层或是基体吸收激光能量后温度急剧升高,进而产生一系列物理效应,如膨松、气化、热冲击与热振动、声波震碎等,最终使得锈蚀与基体脱离,实现除锈同时又不会损坏工件[1-3]。激光除锈的研究已经有十多年的历史,涉及各种工业用激光器,研究结果表明:波长为1.06 µm 激光更适合用于激光除锈[4-9]。目前激光除锈装备已经走向工业应用,其技术路线主要有两种,分别以法国Quantel 公司和美国Adapt 公司为代表:分别采用波长为1 064 nm 的脉冲YAG 激光器或者脉冲光纤激光器,其作用距离只有数百mm。
本论文采用自行研制的米级远距离激光除锈系统,对隔离开关进行2 米远距离激光除锈实验研究,获得了工艺参数的影响以及除锈机制。
实验所用实验装置示意图如图1 所示。采用的激光器为IPG 生产的YLR-400-WC 型激光器,最高输出功率为400 W。根据高压安全距离要求,固定工作距离为2 m。激光经焦距为2 m的聚焦镜聚焦后作用于工件表面。实验用隔离开关为废弃的配电站常用的隔离开关,其材质为紫铜,年久失修,表面有一层致密的氧化膜。
图1 实验装置示意图
所采用激光除锈实验工艺参数为:固定的激光功率为400 W,扫描速度范围为500 mm/s~4 000 mm/s,扫描间距为0.01 mm~0.09 mm,扫描次数为1~3 次。定义面能量密度E 为:
式中,P 为激光功率,V 为扫描速度,S 为扫描间距。除锈后试样用相机拍照,照片采用Photoshop 灰度值进行定量标定。表面粗糙度采用日本基恩士公司生产的VK-X200K 型激光共聚焦显微镜测量,统计区域为长3 mm、宽2 mm 的矩形。
图2 为400 W 激光功率,0.01 mm 扫描间距,1 次扫描,扫描速度为500 mm/s-4 000 mm/s 所除锈后的隔离开关的照片。由图中可以看出:在其他工艺参数不变的条件下,随着扫描间距的减小,除锈表面越亮,预示除锈洁净度越高。
图2 不同扫描间距(mm)的影响
将照片在photoshop 中进行灰度值处理,获得不同工艺下的除锈后的试样灰度值对比,如图3∼5 所示。图3 为图2 处理后的数值,证实了肉眼观察的结果。图4 为固定激光功率为400 W,扫描间距为0.01 mm,不同扫描速度下的灰度值。由图可见:随着扫描速度的增加,灰度值下降,即除锈洁净度下降。图5 是扫描次数的影响,由图可见:随着扫描次数的增加,灰度值增江,即洁净度增加,但是当由2 次扫描增加到3 次时,灰度值增幅大大减少,预示试样表面的洁净度已经足够高。
图3 不同扫描间距下除锈灰度值对比
图4 不同扫描速度下隔离开关除锈灰度值对比
图5 不同扫描次数下隔离开关除锈灰度值对比
图6 为激光功率400 W,扫描速度1 000 mm/s 时,不同扫描间距下的表面粗糙度Ra 和Rz。图中可以观察到:在其他工艺参数恒定的情况下,随着扫描间距的增加,表面粗糙度呈Ra呈先减小后增大趋势,表面粗糙度Rz 基本不变。
图6 表面粗糙度Rz随扫描间距的关系
图7 表面粗糙度Ra和Rz随扫描速度的关系
图7 为激光功率400 W,扫描间距0.01 mm时,不同扫描速度下的表面粗糙度Ra 和Rz。由图中可以观察到:在其他工艺参数恒定的情况下,随着扫描速度的增加,表面粗糙度Ra 和Rz 都呈减小趋势。
在激光除锈实验时,发现有飞溅物产生。使用高速摄像机进行拍摄观察飞溅是如何产生以及飞溅量的多少。高速摄像机型号Phantom V2012,激光照明光源型号CAVILUX HF。拍摄的资料经过索尼Pcc 专业摄像分析软件分析,采用帧数为15 帧,工艺参数为400 W,扫描间距为0.05 mm,不同扫描速度下均匀选区4 个时间间隔。
1 000 mm/s 时的颗粒状飞溅物相对最多,500 mm/s 时的白烟相对最多。这是因为扫描速度为500 mm/s 时,输入的激光能量最多,锈层吸收激光能量后直接气化成为白烟,产生的颗粒状飞溅物相对较少。当扫描速度为1 000 mm/s 时,输入的激光能量较少,锈层吸收激光能量后既发生了气化形成白烟,也发生受热膨胀分离产生大量颗粒状飞溅物。当扫描速度为2 000 mm/s 时,飞溅物和白烟都比较少。
本论文采用400 W 的连续光纤激光器,对2 m 远的隔离开关进行了激光除锈工艺研究,实现了2 m 远的激光除锈,得到的结论如下:
1)激光除锈可以实现2 m 远的隔离开关除锈,因此可以实现高压带电除锈。
2)随扫描间距和扫描速度减小,除锈洁净度增加;随扫描次数增加,洁净度增加,但是当扫描次数从2 次增加到3 次时,增幅放缓。
3)隔离开关激光除锈机制与工艺参数有关。当扫描速度低时,其机制为气化为主;当扫描速度较高时,其机制为受热膨胀与基体分离产生大量颗粒状飞溅物为主。