隔離開關(guān)的米級(jí)遠(yuǎn)距離激光除銹工藝研究

楊明昆，黃繼盛，陸軍，高勇，程志萬(wàn)，馬儀

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000)

0 前言

電氣設(shè)備銹蝕將導(dǎo)致其不能有效接通，虛接，發(fā)熱，導(dǎo)致短路、跳閘甚至火災(zāi)、爆炸等，嚴(yán)重縮短電氣設(shè)備的使用壽命。不同于一般情況下的除銹作業(yè)，電氣設(shè)備除銹通常需要在高壓帶電條件下進(jìn)行，從而保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，減少因停電帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于高壓帶電設(shè)備，其安全距離通常在米級(jí)甚至數(shù)米量級(jí)。傳統(tǒng)的除銹方法難以適用，迫切需要研發(fā)一種安全、能夠遠(yuǎn)距離無(wú)接觸的除銹方法。

目前常用的除銹方法有：噴砂、拋丸、化學(xué)酸洗、超聲波、高壓水射流等。這些方法均無(wú)法用于電氣設(shè)備特別在高壓帶電狀態(tài)的除銹。激光除銹是一種新穎的除銹技術(shù)，它是采用高峰值功率的激光照射銹蝕部位，銹層或是基體吸收激光能量后溫度急劇升高，進(jìn)而產(chǎn)生一系列物理效應(yīng)，如膨松、氣化、熱沖擊與熱振動(dòng)、聲波震碎等，最終使得銹蝕與基體脫離，實(shí)現(xiàn)除銹同時(shí)又不會(huì)損壞工件[1-3]。激光除銹的研究已經(jīng)有十多年的歷史，涉及各種工業(yè)用激光器，研究結(jié)果表明：波長(zhǎng)為1.06 μm 激光更適合用于激光除銹[4-9]。目前激光除銹裝備已經(jīng)走向工業(yè)應(yīng)用，其技術(shù)路線主要有兩種，分別以法國(guó)Quantel 公司和美國(guó)Adapt 公司為代表：分別采用波長(zhǎng)為1 064 nm 的脈沖YAG 激光器或者脈沖光纖激光器，其作用距離只有數(shù)百mm。

本論文采用自行研制的米級(jí)遠(yuǎn)距離激光除銹系統(tǒng)，對(duì)隔離開關(guān)進(jìn)行2 米遠(yuǎn)距離激光除銹實(shí)驗(yàn)研究，獲得了工藝參數(shù)的影響以及除銹機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1 所示。采用的激光器為IPG 生產(chǎn)的YLR-400-WC 型激光器，最高輸出功率為400 W。根據(jù)高壓安全距離要求，固定工作距離為2 m。激光經(jīng)焦距為2 m的聚焦鏡聚焦后作用于工件表面。實(shí)驗(yàn)用隔離開關(guān)為廢棄的配電站常用的隔離開關(guān)，其材質(zhì)為紫銅，年久失修，表面有一層致密的氧化膜。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

所采用激光除銹實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)為：固定的激光功率為400 W，掃描速度范圍為500 mm/s～4 000 mm/s，掃描間距為0.01 mm～0.09 mm，掃描次數(shù)為1～3 次。定義面能量密度E 為：

式中，P 為激光功率，V 為掃描速度，S 為掃描間距。除銹后試樣用相機(jī)拍照，照片采用Photoshop 灰度值進(jìn)行定量標(biāo)定。表面粗糙度采用日本基恩士公司生產(chǎn)的VK-X200K 型激光共聚焦顯微鏡測(cè)量，統(tǒng)計(jì)區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)3 mm、寬2 mm 的矩形。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 潔凈度

圖2 為400 W 激光功率，0.01 mm 掃描間距，1 次掃描，掃描速度為500 mm/s-4 000 mm/s 所除銹后的隔離開關(guān)的照片。由圖中可以看出：在其他工藝參數(shù)不變的條件下，隨著掃描間距的減小，除銹表面越亮，預(yù)示除銹潔凈度越高。

圖2 不同掃描間距（mm）的影響

將照片在photoshop 中進(jìn)行灰度值處理，獲得不同工藝下的除銹后的試樣灰度值對(duì)比，如圖3～5 所示。圖3 為圖2 處理后的數(shù)值，證實(shí)了肉眼觀察的結(jié)果。圖4 為固定激光功率為400 W，掃描間距為0.01 mm，不同掃描速度下的灰度值。由圖可見：隨著掃描速度的增加，灰度值下降，即除銹潔凈度下降。圖5 是掃描次數(shù)的影響，由圖可見：隨著掃描次數(shù)的增加，灰度值增江，即潔凈度增加，但是當(dāng)由2 次掃描增加到3 次時(shí)，灰度值增幅大大減少，預(yù)示試樣表面的潔凈度已經(jīng)足夠高。

圖3 不同掃描間距下除銹灰度值對(duì)比

圖4 不同掃描速度下隔離開關(guān)除銹灰度值對(duì)比

圖5 不同掃描次數(shù)下隔離開關(guān)除銹灰度值對(duì)比

2.2 表面粗糙度

圖6 為激光功率400 W，掃描速度1 000 mm/s 時(shí)，不同掃描間距下的表面粗糙度Ra 和Rz。圖中可以觀察到：在其他工藝參數(shù)恒定的情況下，隨著掃描間距的增加，表面粗糙度呈Ra呈先減小后增大趨勢(shì)，表面粗糙度Rz 基本不變。

圖6 表面粗糙度Rz隨掃描間距的關(guān)系

圖7 表面粗糙度Ra和Rz隨掃描速度的關(guān)系

圖7 為激光功率400 W，掃描間距0.01 mm時(shí)，不同掃描速度下的表面粗糙度Ra 和Rz。由圖中可以觀察到：在其他工藝參數(shù)恒定的情況下，隨著掃描速度的增加，表面粗糙度Ra 和Rz 都呈減小趨勢(shì)。

2.3 激光除銹機(jī)制

在激光除銹實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有飛濺物產(chǎn)生。使用高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝觀察飛濺是如何產(chǎn)生以及飛濺量的多少。高速攝像機(jī)型號(hào)Phantom V2012，激光照明光源型號(hào)CAVILUX HF。拍攝的資料經(jīng)過(guò)索尼Pcc 專業(yè)攝像分析軟件分析，采用幀數(shù)為15 幀，工藝參數(shù)為400 W，掃描間距為0.05 mm，不同掃描速度下均勻選區(qū)4 個(gè)時(shí)間間隔。

1 000 mm/s 時(shí)的顆粒狀飛濺物相對(duì)最多，500 mm/s 時(shí)的白煙相對(duì)最多。這是因?yàn)閽呙杷俣葹?00 mm/s 時(shí)，輸入的激光能量最多，銹層吸收激光能量后直接氣化成為白煙，產(chǎn)生的顆粒狀飛濺物相對(duì)較少。當(dāng)掃描速度為1 000 mm/s 時(shí)，輸入的激光能量較少，銹層吸收激光能量后既發(fā)生了氣化形成白煙，也發(fā)生受熱膨脹分離產(chǎn)生大量顆粒狀飛濺物。當(dāng)掃描速度為2 000 mm/s 時(shí)，飛濺物和白煙都比較少。

3 結(jié)束語(yǔ)

本論文采用400 W 的連續(xù)光纖激光器，對(duì)2 m 遠(yuǎn)的隔離開關(guān)進(jìn)行了激光除銹工藝研究，實(shí)現(xiàn)了2 m 遠(yuǎn)的激光除銹，得到的結(jié)論如下：

1）激光除銹可以實(shí)現(xiàn)2 m 遠(yuǎn)的隔離開關(guān)除銹，因此可以實(shí)現(xiàn)高壓帶電除銹。

2）隨掃描間距和掃描速度減小，除銹潔凈度增加；隨掃描次數(shù)增加，潔凈度增加，但是當(dāng)掃描次數(shù)從2 次增加到3 次時(shí)，增幅放緩。

3）隔離開關(guān)激光除銹機(jī)制與工藝參數(shù)有關(guān)。當(dāng)掃描速度低時(shí)，其機(jī)制為氣化為主；當(dāng)掃描速度較高時(shí)，其機(jī)制為受熱膨脹與基體分離產(chǎn)生大量顆粒狀飛濺物為主。