张金星

（宝宇（武汉）激光技术有限公司，湖北武汉 430024）

0 引言

喷砂除锈技术是通过空气压缩压力冲击钢铁表面，将钢材表面锈蚀、氧化皮、底漆等杂志清除的一种技术，其在使用过程中会产生大量封尘，不仅会污染环境，对操作人员的身体健康还具有一定危害。激光除锈技术作为一种绿色清洗技术，其能耗低、污染小，配备机器人或机器手可实现智能化、自动化操作，有利于进一步提高锈蚀清除作业的质量和效率。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

选取3 个锈蚀状态相似的汽轮机叶片，其中实验样板a 粗糙度为70～80 μm，叶片底漆厚度为50 μm；样板b 和c 粗糙度为20～30 μm，叶片底漆厚度为30 μm。这3 种实验样板中，样板a 表面保护漆完好，样板b 表面漆部分被破坏、叶片表面呈现部分锈蚀状态，样板c 表面漆全部被破坏、叶片表面呈现完全锈蚀状态[1]。

1.2 实验装置

激光清洗技术利用高能高频激光脉冲设备照射对设备表面进行除锈，此时设备锈层将吸收激光能量，以此来使设备表面锈蚀剥离或蒸发。

本实验设备为脉冲光纤激光器，主要由传输光纤、控制系统、激光器和导光头组成（表1）。利用设备去除叶片锈蚀时，激光器将脉冲激光传导至振镜，然后通过传输光纤将激光传导至枪头发出光线，此时设备冷风机启动对激光设备进行降温，以此来稳定设备温度[2]。

表1 激光清洗设备参数

2 实验结果与分析

2.1 实验过程

实验1：选择焦距为330 mm 的激光聚焦镜，同时设置激光设备光斑直径为0.1 mm，扫描面积为50 mm×50 mm，线间距为0.07 mm，光斑速度为6000 mm/s，除锈时间设置为120 s。实验过程中由实验人员持激光设备在锈蚀区域从上至下、从左至右对实验样本进行清洗[3]。

实验2：利用相同激光设备，选择焦距为254 mm 的激光聚焦镜，设置激光设备光斑直径为0.07 mm，激光扫描面积为50 mm×50 mm，线间距为0.046 mm，光斑速度为6000 mm/s。减小激光焦距可以增激光能量密集性，进而提高除锈效果。

2.2 实验分析

2.2.1 除锈效果对比分析

利用实验方案1 对对样板a 和样板b 进行处理后，叶片表面呈现金属光泽且表面平滑，与喷砂除锈技术效果基本一致。由于样板c 底部存在少量Fe3O4氧化层，而激光设备功率较小，在规定时间内无法有效去除氧化层，并且增加了叶片表面粗糙度，因此该实验数据不具备参考价值[4]。实验测试数据如表2 所示，方案1 和方案2 激光能量密度数据如表3 所示。

表2 激光清洗实验结果

表3 激光能量密度数据

从表2、表3 可以看出，方案1 的除锈结果与传统喷砂除锈效果基本一致，同时样板a 和样板b 除锈效率为0.6 m2/h，而传统喷砂除锈效率为17.0 m2/h，可见激光清洗技术在清洗效率方面优于喷砂除锈技术[5]；方案2 的激光能量密度高于方案1，其除锈效果明显改善，经过处理后的叶片表面粗糙度基本达到最小值，叶片表面粗糙度较方案1 下降了3～8 μm；在相同时间下，方案2 除锈效果有一定提升，实验样板a 和除锈效率均提高了0.2，而样板c 在规定时间内可以有效去除Fe3O4氧化层。由此可见，减小激光能量密度可以有效提高激光清洗效果[6]。

另外，在不破坏叶片底漆的情况下，两种方案的除锈效果均可以达到良好的级别，尤其是在叶片存在局部锈蚀、叶片底漆并未被破坏的情况下，两种除锈技术均能有效去除锈蚀。从表3 还可以看出，在激光设备效率相同的情况下，提高激光能量密度可以改善除锈效果。

在粗糙度方面，方案2 与优于方案1，可见提升激光能量密度也可以在一定程度上提高除锈后的粗糙度[7]。

2.2.2 作业环境

激光清洗技术为一种绿色、环保的清洗技术，在除锈过程中不会产生油污，并且设备配备的吸尘器可以在除锈的同时收集激光剥离的铁屑、氧化皮等物质，对环境污染较小。而喷砂除锈技术不适用于复杂钢构件，尤其是不规则或存在死角的钢构件，除锈难度较大。另外，喷砂设备主要通过压缩空气的方式、用铁砂或石英砂冲击钢铁表面，达到清除锈蚀的目的，在除锈过程中会产生大量粉尘污染环境，甚至会危害操作人员的健康。因此，从环保角度来看，激光清洗技术环保效果优于喷砂除锈技术[8]。

2.2.3 运营成本

以单个除锈车间为例，除锈车间尺寸为42 m×36 m×16 m，喷砂面积为4000 m2/d，采用喷砂除锈作业时的设备配置和能耗如表4 所示。

表4 喷砂除锈设备配置和能耗

从表4 可以看出，喷砂设备日耗电量较大，除锈车间所有设备日耗电量总计为18 506 kW·h，按照0.488 元/（kW·h）的电价计算，该车间日电费成本为0.903 万元，年时基础按照250 d计算，年电费成本约为225.773 万元[9]。

通常情况下，1 台功率为100 W 的激光清洗设备除锈效率为2 m2/h，大功率激光清洗设备除锈效率为小功率除锈设备的10倍，因此按照1 台500 W 功率激光清洗设备除锈效率为20 m2/h，设备工作时间为8 h/d 为标准进行计算，一台功率为500 W 的激光清洗设备尺寸为1130 mm×830 mm×1300 mm，按照喷砂车间实际尺寸，激光清洗设备可以配置35 台，车间全室通风设备耗电量按照喷砂设备2640 kW·h 计算，激光清洗设备日耗电量为2844 kW·h，日电费成本为0.23 万元。按照年时基数250 d 计算，激光清洗设备年均电费成本为57.50 万元，电费成本仅为喷砂除锈的15%。可见，激光清洗设备虽然在购置设备方面成本较高，但是电费成本较少，因此总体经济性优于喷砂除锈技术[10]。

另外，激光清洗设备的使用寿命与激光器的寿命有直接关系，假设一台激光器使用寿命为10～12 万小时，考虑到激光清洗设备工作时间较长，会增加设备损坏的概率，因此激光器使用寿命按照6 万小时，激光清洗设备工作时间按照8 h 计算，激光清洗设备使用寿命约为20 年。而喷砂除锈设备使用寿命与喷砂缸、磨料回收设备、真空吸砂设备、局部除尘设备和空压机等设备有关，平均使用寿命为10 年。可见，激光清洗设备使用寿命高于喷砂除锈设备。

整体上激光清洗设备前期投资成本较高、高于喷砂除锈设备，但是其耗电成本、使用寿命和除锈效果等方面均优于后者。

3 结束语

本文针对汽轮机叶片表面锈蚀问题进行了清洗实验，分别设置了两种激光清洗方案，利用激光清洗技术对3 种不同锈蚀状态的汽轮机叶片表面锈蚀进行清洗，并对清洗效果进行比较。

（1）两种激光清洗方案均可以有效清除表面保护漆未完全破坏或存在部分锈蚀的汽轮器叶片上的锈蚀，并且锈蚀清除效率较高。方案1 中样板a 和样板b 的锈蚀清除效率为0.6 m2/h，方案2 的锈蚀清除效率为0.8 m2/h。

（2）提高激光清洗设备聚焦能量密度有利于提高锈蚀清除效率，在相同作业时间下，方案2 锈蚀清除效率提升了0.2 m2/h，且能在规定时间内去除Fe3O4氧化层。此外，减小激光聚焦镜焦距可以降低叶片表面粗糙度，利用实验方案2 处理后的汽轮机叶片表面粗糙度均有一定程度下降。

（3）与喷砂除锈技术相比，激光清洗技术前期投资成本较高，但是其在耗电成本、使用寿命、除锈效果和环境保护方面均优于喷砂除锈技术。