面向掃砂工藝的鋼板表面噴砂處理特性試驗(yàn)

王晶晶

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一六研究所，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

在船舶分段建造過(guò)程中，鋼板表面的底漆由于焊接、切割、機(jī)械碰撞等原因受到破壞，鋼材表面產(chǎn)生銹蝕，因此需要對(duì)分段表面銹蝕部位再次進(jìn)行處理，稱為二次處理[1]。目前船廠常用的二次處理方法為噴砂處理。噴砂處理以壓縮空氣為動(dòng)力源，將磨料以一定的速度噴向鋼板表面，通過(guò)磨料對(duì)鋼板表面的沖擊和磨削作用，去除鋼板表面的銹跡、氧化層和其他污染物，以達(dá)到鋼板表面清潔的目的[2-3]。

隨著造船技術(shù)的進(jìn)步及節(jié)能減排增效的要求，掃砂工藝被越來(lái)越多的船廠采納。掃砂工藝通過(guò)在船舶分段建造過(guò)程中確保車間底漆的完整性及清潔度，以輕度噴砂的方式對(duì)鋼板表面進(jìn)行二次處理，大幅減少在分段涂裝前的表面處理工作量[4-5]。噴砂工藝參數(shù)的選擇對(duì)掃砂工藝的實(shí)施具有重要影響。

1 噴砂工藝分析

為滿足綠色環(huán)保要求，降低污染物排放，自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備得到較為廣泛的應(yīng)用。自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備由壓縮空氣將儲(chǔ)砂罐中的砂料運(yùn)送至噴砂槍形成噴砂，通過(guò)真空回收設(shè)備將噴砂槍中的砂料與廢屑混合物回收至分離器進(jìn)行分離，分離后的砂料進(jìn)入儲(chǔ)砂罐循環(huán)利用。影響噴砂作業(yè)效果的主要參數(shù)包括噴砂壓力、噴砂距離、噴砂速度和噴砂角度等[6]。掃砂工藝作為一種輕度噴砂技術(shù)，在自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備的基礎(chǔ)上，可通過(guò)改變噴砂壓力和噴砂速度的方式實(shí)現(xiàn)輕度的噴砂表面處理，因此主要研究噴砂壓力和噴砂速度對(duì)噴砂工藝效果的影響。

1.1 噴砂壓力

噴砂壓力主要是指砂料輸送空氣閥處的壓力，該壓力最終決定砂料噴出時(shí)的動(dòng)能大小。若壓力過(guò)小，則氣體無(wú)法帶動(dòng)出砂管的丸料運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致噴砂斷斷續(xù)續(xù)，不穩(wěn)定，粗糙度無(wú)法得到保證；若壓力過(guò)大，則丸料動(dòng)能變大，導(dǎo)致其切削在船體分段表面時(shí)，丸料自身磨損嚴(yán)重，甚至直接粉化，使用壽命降低，且丸料與壓縮空氣無(wú)法充分混合，即壓縮空氣沒(méi)有得到最大化利用，造成動(dòng)能浪費(fèi)。

1.2 噴砂速度

在噴砂程序中兩點(diǎn)間距離恒定，伺服電機(jī)通過(guò)輸入的時(shí)間改變機(jī)器人的行進(jìn)速度。噴砂速度不僅影響最終粗糙度，而且影響型材表面的均勻性。若噴砂速度過(guò)快，則船舶分段表面的粗糙度將較不均勻，噴砂痕跡呈現(xiàn)波浪式，僅痕跡內(nèi)的粗糙度合格，而痕跡外的粗糙度值則偏低，甚至未經(jīng)噴砂處理。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置

試驗(yàn)系統(tǒng)采用自動(dòng)化設(shè)備以提高試驗(yàn)精度，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人與自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備集成為試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展噴砂試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)組成如圖1所示，主要包括噴砂機(jī)器人本體及門架、電控系統(tǒng)、自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備等。按照功能，噴砂機(jī)器人本體分為機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴槍安裝機(jī)構(gòu)；自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備分為噴砂槍、粉塵分離單元、動(dòng)力單元、回收單元。

圖1 自循環(huán)式噴砂工藝試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖2所示。自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備的儲(chǔ)砂罐與氣源連接，通過(guò)過(guò)濾器對(duì)氣體進(jìn)行過(guò)濾，通過(guò)調(diào)壓閥控制氣體壓力以調(diào)節(jié)噴砂壓力。自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備通過(guò)砂料輸送管路為噴砂槍提供動(dòng)力，與砂料形成噴砂，鋼板表面噴砂處理后的砂料及廢屑通過(guò)真空泵及回收管路進(jìn)入分離器進(jìn)行分離，分離后的砂料進(jìn)入儲(chǔ)砂罐進(jìn)行循環(huán)利用。機(jī)器人懸掛安裝在門架上以實(shí)現(xiàn)多自由度的大范圍運(yùn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)器人搭載噴砂槍對(duì)鋼板表面進(jìn)行處理。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)原理

噴砂機(jī)器人本體采用多關(guān)節(jié)型六軸工業(yè)機(jī)器人，重復(fù)定位精度為±0.1 cm。自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備氣源壓力為0.4～0.8 MPa，耗氣量為3.0～6.0 m3/min。試驗(yàn)平臺(tái)鋼板材料為Q235，鋼板厚度為7.0 mm，在試驗(yàn)平臺(tái)上均勻噴涂底漆，底漆的平均漆膜厚度為20.8 μm。

噴砂槍為自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備的主要部件之一，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。噴砂槍原理為：壓縮空氣以高速將磨料混合，沿噴槍噴嘴組件噴射至工件表面；磨料保護(hù)毛刷頭將磨料局限于噴槍體，噴射出去的磨料及廢屑由旋渦真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓回收至噴砂機(jī)的儲(chǔ)砂罐內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)噴砂時(shí)的無(wú)粉塵作業(yè)。

圖3 噴砂槍結(jié)構(gòu)示例

試驗(yàn)采用棕剛玉作為鋼板表面處理砂料，平均粒徑為700.0 μm，莫式硬度>9.0，軟化溫度為2 250 ℃，沖擊強(qiáng)度為60.0 MPa。

試驗(yàn)步驟如下：(1)根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)，通過(guò)示教器確定機(jī)器人動(dòng)作；(2)開(kāi)啟自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備，調(diào)整噴砂參數(shù)，按照設(shè)定的運(yùn)行軌跡運(yùn)行機(jī)器人，開(kāi)始鋼板表面噴砂作業(yè)；(3)噴砂結(jié)束，關(guān)閉砂料輸送，機(jī)器人復(fù)位；(4)數(shù)據(jù)采集。

噴砂處理后的鋼板表面形態(tài)如圖4所示。通過(guò)粗糙度儀對(duì)鋼板表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，分析不同噴砂工藝參數(shù)對(duì)鋼板表面處理粗糙度的影響。

圖4 噴砂處理后的鋼板表面形態(tài)

3 結(jié)果與討論

3.1 噴砂壓力的影響

在噴砂距離為60.0 mm、噴砂速度為70.0 mm/s、噴砂角度為90°保持不變的情況下，噴砂壓力分別為0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa和0.7 MPa進(jìn)行鋼板表面處理，噴砂作業(yè)完成，通過(guò)相機(jī)采集處理后的鋼板表面形態(tài)。放大30倍的鋼板表面特征如圖5所示。從噴砂效果來(lái)看，隨著壓力的增大，鋼板表面的粗糙度逐漸增大，原因主要在于：隨著壓力的增大，砂料獲取更大的動(dòng)能，粒料顆粒對(duì)機(jī)體材料表面沖撞力量增大，從而局部粗糙度增大。在噴砂壓力為0.4 MPa時(shí)，鋼板表面仍有部分漆料的殘留物，說(shuō)明在其他條件保持不變的情況下，0.4 MPa的噴砂壓力對(duì)鋼板表面的處理效果不理想。

圖5 不同噴砂壓力下的鋼板表面形態(tài)

對(duì)不同噴砂壓力下的鋼板表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，在不同區(qū)域測(cè)量共計(jì)100組數(shù)據(jù)，取平均值作為該工況的噴砂處理表面粗糙度值。圖6為不同噴砂壓力下的鋼板表面粗糙度變化曲線。由圖6可知：鋼板表面粗糙度隨著壓力的增大而逐漸增大，在壓力為0.5 MPa、0.6 MPa和0.7 MPa時(shí)，鋼板表面粗糙度分別為41.0 μm、59.0 μm和65.0 μm，滿足鋼板后續(xù)涂覆30.0～70.0 μm的粗糙度要求[7]。

圖6 不同噴砂壓力下的鋼板表面粗糙度

3.2 噴砂速度的影響

噴砂速度對(duì)噴砂效果的影響主要在于鋼板表面噴砂時(shí)間的長(zhǎng)短。在噴砂壓力為0.6 MPa、噴砂距離為60.0 mm、噴砂角度為90°保持不變的情況下，噴砂速度分別為50.0 mm/s、60.0 mm/s、70.0 mm/s和90.0 mm/s進(jìn)行鋼板表面處理，噴砂作業(yè)完成，通過(guò)相機(jī)采集處理后的鋼板表面形態(tài)。放大30倍的鋼板表面特征如圖7所示。從噴砂效果來(lái)看，在其他條件保持不變時(shí)，隨著噴砂移動(dòng)速度的增大，鋼板表面粗糙度逐漸減小。原因主要在于：隨著速度的增大，相同大小區(qū)域內(nèi)的噴砂時(shí)間減少，砂料顆粒對(duì)機(jī)體材料表面沖撞次數(shù)減少，從而局部粗糙度減小。

圖7 不同噴砂速度下的鋼板表面形態(tài)

對(duì)不同噴砂速度下的鋼板表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，在不同區(qū)域測(cè)量共計(jì)100組數(shù)據(jù)，取平均值作為該工況的噴砂處理表面粗糙度值。圖8為不同噴砂速度下的鋼板表面粗糙度變化曲線，噴砂速度為50.0 mm/s、60.0 mm/s、70.0 mm/s和90.0 mm/s時(shí)，鋼板表面粗糙度分別為66.0 μm、63.0 μm、59.0 μm和51.0 μm，鋼板表面粗糙度隨著噴砂速度的增大而逐漸減小，與理論分析結(jié)果一致。

圖8 不同噴砂速度下的鋼板表面粗糙度

4 結(jié) 語(yǔ)

自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備可通過(guò)調(diào)節(jié)噴砂壓力和噴砂速度實(shí)現(xiàn)掃砂工藝的應(yīng)用?；谧匝h(huán)式噴砂工藝試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行鋼板表面噴砂處理試驗(yàn)，通過(guò)控制變量的方法對(duì)噴砂壓力和噴砂速度的影響特性進(jìn)行研究，對(duì)噴砂處理后的鋼板表面粗糙度情況進(jìn)行測(cè)量，鋼板表面粗糙度隨著噴砂壓力的增大而增大，隨著噴砂速度的增大而減小，與理論結(jié)果一致。