劉洪偉， 周毅鳴

(上海船舶工藝研究所， 上海200032)

船用板材激光除銹應(yīng)用技術(shù)

劉洪偉， 周毅鳴

(上海船舶工藝研究所， 上海200032)

針對(duì)船舶行業(yè)除銹應(yīng)用需求，開展船用板材激光除銹工藝研究。通過(guò)點(diǎn)激光試驗(yàn)，得到如下結(jié)果：當(dāng)激光能量密度達(dá)到0.5～5.0 J/mm2時(shí)，能夠清除鋼板表面的銹蝕，清潔度可以達(dá)到Sa1/2級(jí)；點(diǎn)激光除銹后，鋼板表面呈現(xiàn)有規(guī)律的溝槽特征；為獲得一定數(shù)值的粗糙度Rz，需要有一定熔深(溝槽深度)；點(diǎn)激光除銹，漆膜的附著力隨粗糙度增加而降低，且與粗糙度Rz有一個(gè)最佳匹配范圍；激光除銹鋼板的防腐性能能夠與噴砂除銹的指標(biāo)相當(dāng)。結(jié)果表明，激光除銹的質(zhì)量及試樣的防腐性能滿足使用要求。

光纖激光；激光除銹；船舶；粗糙度

0 引言

船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)期工作于高腐蝕性的海洋環(huán)境中，且服役周期長(zhǎng)，使得它們的防腐要求都較高。船舶及海洋工程行業(yè)現(xiàn)有的表面處理工藝有打磨、噴砂、高壓水清理等幾種常用工藝。打磨工藝生產(chǎn)效率低，粉塵、噪聲污染嚴(yán)重。噴砂工藝效率高、清理質(zhì)量好，在修、造船行業(yè)應(yīng)用廣泛，但是該工藝勞動(dòng)強(qiáng)度大、粉塵污染嚴(yán)重、職業(yè)病危害等問(wèn)題突出。當(dāng)鋼板強(qiáng)度較高時(shí)，上述除銹工藝的處理效果明顯變差。高壓水清理工藝沒有粉塵污染，清潔環(huán)保，近幾年在修船行業(yè)受到青睞，但由于其存在返銹問(wèn)題，該工藝并沒有在造船行業(yè)得到重用。

一般情況下，鋼板基體與其表面所附著的污染物之間結(jié)合力有:共價(jià)鍵、雙偶極子、毛細(xì)作用、氫鍵、范德瓦爾斯力和靜電力,其中范德瓦爾斯力、毛細(xì)作用、靜電力最難破壞[1]。激光除銹原理是利用激光的高溫汽化、熱膨脹撕裂效應(yīng)、等離子沖擊效應(yīng)和激光產(chǎn)生的聲波振蕩作用將銹蝕從鋼板表面清除掉。激光除銹工藝具有節(jié)能、粉塵污染小、除銹無(wú)死角、除銹效果不受鋼板強(qiáng)度影響等優(yōu)點(diǎn)，屬于綠色環(huán)保型的表面清理方式，未來(lái)在船舶及海洋工程行業(yè)具有良好的發(fā)展前景。

船舶及海洋工程行業(yè)除銹標(biāo)準(zhǔn)要求：鋼板涂裝前的表面處理清潔度需要達(dá)到Sa1/2級(jí)，粗糙度Rz30～75 μm[2]，激光除銹質(zhì)量必須滿足行業(yè)防腐要求才具有實(shí)用價(jià)值。目前，激光除銹技術(shù)還處于研究階段，激光除銹技術(shù)在船舶及海洋工程行業(yè)離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。本文采用脈沖激光除銹工藝[3]對(duì)船用鋼板除銹的激光能量、粗糙度形成、漆膜附著力及試件的防腐性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 激光除銹試驗(yàn)

1.1 除銹試驗(yàn)裝置及方法

激光除銹工藝試驗(yàn)采用光纖激光加工機(jī)。該設(shè)備由光纖脈沖激光器、二維直線移動(dòng)工作臺(tái)、工控機(jī)、激光加工頭和氣體保護(hù)系統(tǒng)等組成。激光器輸出的激光波長(zhǎng)為1 070 μm，連續(xù)狀態(tài)下平均功率為250 W，準(zhǔn)連續(xù)脈沖模式下工作峰值功率為1 550 W。該激光器最小脈寬為0.2 ms，最大重復(fù)頻率為2 kHz。激光光斑的尺寸可調(diào)，工控機(jī)與顯示器用于控制激光器和二維平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡。激光加工頭端部與保護(hù)氣體相連。激光除銹系統(tǒng)如圖1所示。試驗(yàn)材料為AH32船用B級(jí)鋼板，試件尺寸為150 mm×70 mm×8 mm，鋼板表面銹層厚度為20 μm，試樣的規(guī)格和表面狀態(tài)如圖2所示。

圖1 激光除銹系統(tǒng)示意圖

圖2 試樣規(guī)格與表面狀態(tài)

1.2 激光除銹試驗(yàn)

激光除銹所用的功率、光斑尺寸、重復(fù)頻率、脈沖寬度均對(duì)除銹激光的能量產(chǎn)生影響[4-5]。試驗(yàn)中激光峰值功率選用最大值1 550 W，脈沖寬度選用0.2 ms，光斑直徑為1.4 mm，掃描速度為20 mm/s，列偏移量為670 μm，740 μm，790 μm，840 μm，880 μm。分別用190 Hz，275 Hz，360 Hz，444 Hz，528 Hz脈沖頻率進(jìn)行掃描，獲得不同的能量密度。保護(hù)氣體對(duì)金屬表面實(shí)行保護(hù)，保護(hù)氣體壓力為0.5 MPa。激光除銹的實(shí)質(zhì)是采用激光對(duì)鋼板表面進(jìn)行一次加工，通過(guò)對(duì)試樣的金相組織和力學(xué)性能進(jìn)行觀察和測(cè)試試驗(yàn)，確定激光除銹工藝對(duì)材料自身力學(xué)性能的影響。

1.3 防腐性能試驗(yàn)

為檢驗(yàn)漆膜結(jié)合力[6]和試樣的防腐性能，開展防腐性能試驗(yàn)。試驗(yàn)采用150 mm×70 mm×3 mm規(guī)格的B級(jí)Q235 低碳鋼板。上述試樣的一部分采用激光除銹工藝除銹，一部分采用噴砂除銹工藝除銹。試樣除銹后，在鋼板表面噴涂佐敦車間底漆，漆膜厚度為100 μm。為比較兩種除銹工藝試樣的防腐性能，每組試樣選擇一件噴砂試件作對(duì)比。試驗(yàn)內(nèi)容包括漆膜附著力試驗(yàn)(GB/T 5210.9-2006)，人造氣氛腐蝕試驗(yàn)即鹽霧試驗(yàn)(GB/T 10125-1997)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試樣表面特征及Rz形成原因

應(yīng)用點(diǎn)激光除銹后，鋼板表面均呈現(xiàn)為周期性線形溝槽形貌特征，如圖3所示。溝槽形貌產(chǎn)生的原因可以結(jié)合圖4進(jìn)行說(shuō)明。采用點(diǎn)激光進(jìn)行第一道除銹加工時(shí)，會(huì)在鋼板的截面上產(chǎn)生一個(gè)近似正態(tài)分布的溝槽，同時(shí)將表面的銹蝕和一部分基體金屬除去。為了獲得連續(xù)的除銹效果，進(jìn)行第二道除銹時(shí)光斑必須有一個(gè)合適的偏移量δ， 這樣可以有效清除兩道溝槽之間的銹蝕。如此重復(fù)進(jìn)行除銹就可以全部清除鋼板表面的鐵銹，同時(shí)也獲得了一定數(shù)值的粗糙度Rz。

圖3 溝槽形貌特征

圖4 溝槽形貌特征形成原理

2.2 激光參數(shù)與粗糙度Rz的關(guān)系

固定其它參數(shù)不變，采用不同重復(fù)頻率進(jìn)行除銹。當(dāng)激光能量密度I>2.1 J/mm2時(shí)，鋼板表面的銹蝕將被清理干凈并露出金屬光澤，鋼板的表面沒有鐵銹、油污，除銹后的鋼板表面均勻一致，清潔度達(dá)到了Sa1/2級(jí)。當(dāng)激光能量密度I=2.1 J/mm2時(shí)，對(duì)應(yīng)的粗糙度為30 μm，隨著激光能量的增加，粗糙度Rz的數(shù)值也隨之增加。當(dāng)激光能量密度I=5.85 J/mm2時(shí)，粗糙度達(dá)到了70 μm，但因輸入能量過(guò)高，除銹后的鋼板表面出現(xiàn)了氧化現(xiàn)象。激光能量密度與粗糙度Rz之間的關(guān)系如圖5所示。隨著激光重復(fù)頻率的增加，激光能量也隨之增加，因此粗糙度Rz也隨著重復(fù)頻率的增加而增加，如圖6所示。此外，激光除銹后的粗糙度Rz還隨著掃描次數(shù)的增加而增加。

圖5 激光能量密度I與粗糙度Rz的關(guān)系

圖6 重復(fù)頻率f與粗糙度Rz的關(guān)系

2.3 除銹試樣的力學(xué)性能變化

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 228-2002制作8 mm厚度的AH32板材拉伸試樣兩組，對(duì)一組試樣的拉伸部位進(jìn)行激光除銹，另一組為原始表面狀態(tài)。試樣在Zwick/Roell萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上拉伸，結(jié)果如表1所示。為比較激光除銹對(duì)材料性能的影響，將兩條拉伸曲線合并到一個(gè)圖中，如圖7所示。從拉伸數(shù)據(jù)和拉伸曲線可知，激光除銹試樣除彈性模量稍有降低外，其它指標(biāo)在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi)基本一致。由于激光熱加工過(guò)程有一定的熱處理作用，它對(duì)金屬原子間的鍵合強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響，彈性模量略有下降。表面細(xì)小馬氏體組織的形成使得除銹試件強(qiáng)度略增而塑性略降。

表1 拉伸力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果

圖7 試樣拉伸曲線

2.4 金相組織和硬度分布

對(duì)AH32鋼板試樣進(jìn)行激光除銹后，垂直于掃描方向?qū)⒊P區(qū)域切開。經(jīng)硝酸酒精腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察橫截面沿深度方向的組織變化，試樣截面的金相組織如圖8所示。從基材到加工表面大致分為3個(gè)區(qū)域，最上層的基材組織為鐵素體+珠光體，最下層的加工區(qū)域?yàn)閺?qiáng)度和硬度較高的板條狀馬氏體組織，中間層為過(guò)渡區(qū)域如圖9所示。與組織分布相對(duì)應(yīng)，從加工表面到基體內(nèi)部的硬度分布存在一個(gè)下降趨勢(shì)，最后趨于平穩(wěn)，橫截面上的硬度分布如圖10所示。

圖8 試樣金相組織

圖9 試樣過(guò)渡區(qū)域顯微金相組織

圖10 橫截面硬度分布

2.5 漆膜附著力與Rz之間的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激光除銹試樣的粗糙度Rz在35～45 μm范圍內(nèi)，與同樣條件下的噴砂試樣的漆膜附著力強(qiáng)度基本相同，漆膜的附著強(qiáng)度可以達(dá)到23 MPa左右。隨著Rz數(shù)值的增加，激光除銹試樣的漆膜附著力反而下降。其產(chǎn)生的原因是由于點(diǎn)激光除銹后的表面呈規(guī)律性的溝槽樣貌，溝槽越小試樣的表面積越大，拉伸棒表面與試樣表面接觸面積越大，因此附著力強(qiáng)度越高，反之則附著力強(qiáng)度越小。涂層附著力隨粗糙度的變化規(guī)律如圖11所示。

圖11 涂層附著力與粗糙度關(guān)系

2.6 激光除銹試樣的防腐性能

將試樣進(jìn)行噴砂除銹或激光除銹處理后，在試樣表面噴涂100 μm保護(hù)涂層。將試樣統(tǒng)一放進(jìn)鹽霧箱內(nèi)進(jìn)行1 000 h的人造氣氛腐蝕試驗(yàn)，即鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)論是噴砂除銹試樣還是激光除銹試樣均無(wú)起泡和銹蝕現(xiàn)象?？梢姡谠囼?yàn)條件下，激光除銹試樣的防腐性能與傳統(tǒng)的噴砂除銹試樣的防腐性能相當(dāng)。

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)激光能量密度達(dá)到0.5～5.0 J/mm2時(shí)，能夠清除鋼板表面的銹蝕，而能量過(guò)高會(huì)發(fā)生氧化和熔渣殘留現(xiàn)象。選擇合適的除銹工藝，可以使除銹后鋼板的清潔度達(dá)到Sa1/2級(jí)，粗糙度達(dá)到30～70 μm。

(2) 點(diǎn)激光除銹后，鋼板表面會(huì)呈現(xiàn)出有規(guī)律的溝槽特征。為獲得一定數(shù)值的粗糙度Rz，需要有一定的熔深(溝槽深度)。

(3) 采用激光除銹工藝處理后，除銹試樣的力學(xué)性能與基體材料相當(dāng)。除銹可在鋼板表面形成馬氏體組織，馬氏體相變膨脹產(chǎn)生的壓應(yīng)力有利于提高金屬的力學(xué)性能。

(4) 漆膜附著力隨粗糙度Rz增加而降低，漆膜附著力有一個(gè)最佳的Rz匹配范圍。

(5) 在一定條件下，采用點(diǎn)激光除銹工藝，鋼板的防腐性能能夠與傳統(tǒng)噴砂除銹工藝的指標(biāo)相當(dāng)，能夠滿足船舶防腐涂裝的實(shí)際需求。

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Technology and Application of Optical Fiber Laser Derusting of Ship Steel Plates

LIU Hongwei, ZHOU Yiming

(Shipbuilding Technology Research Institute， Shanghai 200032， China)

For the sake of meeting the practical requirements for ship steel plates cleaning, study on the optical fiber laser derusting technology is made by pulsed laser. The result shows that the rust can be thoroughly removed with a surface condition of Sa1/2 grade if the laser energy density researches 0.5～5.0 J/mm2. When processing with spot laser light, the typical groove geometry is obtained on the plate surface after being treated. If the specified value of roughness Rzis required, proper laser penetration (or groove depth) is inevitable. The adhesive force of coating will reach a maximum value if the roughness value Rzcomes within the optimum range. Anti-corrosion properties of laser derusting samples prove to be the same as those of grit balsting samples.It is proved that laser derusting quality and anti-corrosion properties can meet the practical need.

fiber laser; laser derusting; ship; roughness

劉洪偉(1969-)，男，研究員，主要從事防腐涂裝工藝與裝備技術(shù)研究。

U671

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