压力容器激光清洗机制及除锈除漆机制研究

韩沫

摘 要：针对当前大型压力容器除锈除漆技术方法落后、环境人身健康危害大的问题，深入分析了激光清洗的基本原理，剖析了激光除锈除漆机制，为激光清洗技术在压力容器除锈除漆中的推广应用提供了理论支撑和有益的试验探索。

关键词：压力容器;激光清洗;除锈除漆

引言

在大型压力容器加工制作或检修时，需进行除锈除漆处理。传统除锈除漆方法主要分为化学试剂除锈和机械除锈两大类。化学试剂除锈主要利用强酸清洗除锈，清洗废液不仅对环境污染严重，而且对基体材料有一定程度的损伤，更危害操作人员身体健康，应用受到限制。机械除锈又常采用2种手段：一种是高压水射流除锈，但除锈后易造成基体材料再次锈蚀，且除锈操作中噪声大、污染重;另一种是喷砂抛丸除锈，但在喷砂处理过程噪声和粉尘严重，会引起二次污染，造成工作环境恶劣，严重影响操作者身心健康。

近年来，激光清洗技术凭借其清洗度高、控制性好、绿色环保等优点，具有越来越广阔的应用前景。本文在分析激光清洗机制的基础上，试验探索激光技术在大型压力容器除锈除漆应用上的可行性。

1 激光清洗基本原理

图1直观展现了激光清洗原理。高亮度和发散角小的激光，通过光学聚焦整形系统把高能量的激光束，照射被清洗对象的基体表面，激光器发射的光束被锈蚀层、漆层等污物层吸收，通过光剥离、光振动、光分解、气化等过程，使污物脱离基体表面。

为此，在激光清洗过程中，主要有以下几种过程同时作用[1-3]：

1.1燃烧气化

在激光清洗时，可以看到基体表面处有明显的烟雾、火花。这是因为在激光辐照下，基体表面能吸收入射激光束的大部分能量，表面温度迅速上升，达到一些物质的熔点、沸点及燃点以上，导致表面层一些物质瞬间发生气化挥发，或受热燃烧，从而产生火花和烟雾，使得被清洗对象脱落。

1.2热冲击与热振动

热冲击与热振动激光束辐照到漆层表面时，有一部分激光被漆层吸收。被吸收的光在漆層内部的穿透深度X与光强I遵从朗伯定律I=I0e-ax，a为吸收系数。由于激光束在漆层中的穿透深度只有几微米。而清洗对象的漆层一般可达几十微米，所以激光束并不能直接透过漆层辐照在基体表面。激光的能量几乎全部被漆层吸收，油漆在激光热流的冲击下快速加热，从而发生急剧的热振动。而金属基底开始时受热较少，产生的热膨胀极小，因而漆层热振动产生的力使其有脱离金属基底的趋势。由于脉冲激光的作用时间极短，产生的热冲击力很大，足以使一部分油漆小块克服金属基底的表面吸附力，高速地随挥发性气流飞离金属基底表面，这样可以实现初步的清洗。

1.3声波振碎

激光清洗中还能听到连续不断的轻微爆炸声。其原因在于激光清洗采用的是高重复频率脉冲激光，当激光束冲击被清洗的漆层表面时，一部分激光被漆层吸收，还有一部分激光束能量转变成了声波，声波沿着漆层厚度方向传播。当穿到两层漆膜的分界面或漆层与基底的分界面时，部分反射回漆层并与激光新产生的声波发生干涉，在干涉波的加强处产生高能波，使漆层发生微区爆炸，形成细小的粉末，从而达到清洗的目的。激光除漆是一个复杂的过程，除了以上介绍的三个主要机理外，还可能包括光子压力、激光软烧蚀、等离子体产生的爆炸等等激光脱漆的机理。

1.4激光气化

激光是一种能量、脉冲宽度和重复频率等都可控制的光源，当在适当的功率密度下辐照到被处理物件表面时，利用物件表面锈斑与基底热参数的差别，可使锈斑迅速气化。理论计算表明，调Q脉冲激光作用深度远比毫秒级脉冲激光的作用深度浅，所以使用调Q脉冲激光可避免物件的深部损伤。此外，当功率密度超过107W/cm2时，激光产生非常显著的冲击波，冲击波的反冲力也能有效地清除金属的锈垢，不会伤及金属构件本身，且表面粗糙度仅为刷除法的一半。

根据上述原理，激光可以不熔化金属表层，又能让氧化物和锈层蒸发掉。而材料表面的温升与辐射功率密度、表面吸收系数、热扩散率和激光脉宽有密切关系。可以控制激光束的能量、脉宽等因素使其不至于熔化金属，又能使金属表面被剧烈地加热，使金属表面所有的污物和锈蚀能够被直接清除掉。在激光清洗的同时，金属表面发生化学反应，改变金属微厚表层结构，形成一层几微米厚的保护层，使金属构件表面抗锈蚀能力提高3～4倍。

2 激光除锈除漆机制分析

2.1激光除漆机制分析

利用激光作用于油漆漆膜时，漆膜吸收激光受到交变加热，由于声光效应而向周围发射声波，声波能量只是激光能量的一部分。在漆膜表面产生的光致声波，相当于一个声波源向外发射声波。进入漆膜的声波在到达漆膜下的物体表面后又反射回来，因为这样产生的声波具有较大的振幅和良好的相干性，所以反射声波和入射声波就会发生干涉，因而使一些地方的振动成倍地增加，在漆膜内犹如产生了微力爆炸，将油漆变成极其微小的尘埃而清除掉。由以上原理可知，这种方法要求使用的激光器功率足够大，脉冲频率合适。

2.2激光除锈机制分析

激光到达工件表面时，聚焦后的光斑使锈蚀物迅速熔化蒸发，同时金属表面发生化学反应，形成一层几微米厚的保护层以防止金属进一步锈蚀，而不伤及金属构件本身。可以通过控制激光束的能量、脉宽等参数[3-4]，使其不至于熔化金属，又能使金属表面被剧烈地加热，致使金属表面所有的污物和锈蚀部分直接被清除掉。

3 结束语

激光清洗，就是通过高能量激光照射在基体表面产生一个被清洗对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础上，进一步分析了激光除锈除漆的机制。为激光清洗技术在压力容器除锈除漆中的推广应用提供了理论支撑和有益的试验探索。

参考文献

[1]宋峰，刘淑静，邹万芳.激光清洗—脱漆除锈[J].清洗世界，2005，21（11）：38-41.

[2]高雯雯，郭亮，许佩吟.532nm激光工艺参数对304不锈钢表面清洗的影响[J].应用激光，2016，36（2）：199-204.

[3]宋桂飞，李良春，夏福君等.激光清洗技术在弹药修理中的应用探索试验研究[J].激光与红外，2017，47（1）：29-31.

[4]俞鸿斌.金属表面激光清洗技术研究[D].湖北：武汉华中科大大学硕士学位论文，2014.