海洋工程建造中應(yīng)用激光除銹可行性研究

趙光瑞，程國東，王長軍，姜偉，付正強

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

海洋工程建造鋼結(jié)構(gòu)物長期處于海洋腐蝕環(huán)境，通常需采用重防腐涂層進行涂裝，對涂裝前表面處理的要求十分嚴格，表面處理常采用的方式為噴砂，但存在高能耗、高污染、清砂困難等諸多缺點[1]。激光除銹與噴砂相比具有清潔、可控、能耗低等優(yōu)勢[2]，2021年國際標準化組織色漆和清漆技術(shù)委員會涂覆涂料前鋼材表面處理分技術(shù)委員會（ISO/TC3 5/SC12）全會上，由中國代表團提出的《涂覆涂料前鋼材表面處理表面處理方法第6部分：激光除銹》成功列為預(yù)備工作項目（PWI）[3]，激光除銹在海洋工程建造領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

激光本質(zhì)是電磁波，物質(zhì)吸收激光能量，在極短的時間內(nèi)會形成光熱效應(yīng)，利用這一原理，激光在加工領(lǐng)域可用于激光切割/焊接、激光清洗。激光清洗主要是利用附著物與基材對特定波長激光吸收率不同，采用脈沖激光電離附著物形成等離子體，等離子體快速膨脹形成沖擊波振動實現(xiàn)清洗。激光除銹相關(guān)研究[4-10]主要考慮銹層的清除，多是基于激光清洗的拓展性研究，在無二次氧化的情況下實現(xiàn)的表面粗糙度普遍較低（低于15 μm）。

本研究在激光清洗相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過采用大功率、長脈寬、高頻率和高掃描速度的脈沖光纖激光器進行激光除銹，實現(xiàn)對金屬基體的可控熔融重塑，首次在無惰性氣體保護下實現(xiàn)微觀形貌可控的＞40 μm的粗糙度，以期達到海洋工程涂裝要求的35～75 μm表面粗糙度范圍，并對其涂裝性能進行實驗驗證。

1 實驗部分

1.1 激光參數(shù)分析

1.1.1 能量密度（I）

激光能量密度的計算如式（1）所示。

式中：I—激光能量密度，J/cm2；d—光斑直徑，mm；P—激光平均功率，W；f—脈沖頻率，kHz。

附著物剝離的能量閾值為清洗閾值，研究表明[4]，鐵基氧化物理論清洗閾值為0.65 J/cm2，鐵基體理論熔融閾值為8.6 J/cm2，激光作用后微觀凹凸會形成局域場增強效應(yīng)。因此通過調(diào)整合適的能量密度，可以實現(xiàn)金屬基材的熔融，疊加振動效應(yīng)重塑形成可控粗糙度。由式（1）可知，在光斑直徑（d）不變時，激光能量密度（I）與激光平均功率（P）成正比，與脈沖頻率（f）成反比。f與掃描速度決定了激光施工效率，因此f應(yīng)盡可能地大，而提高P是獲得較高能量密度的首選方案。

1.1.2 脈沖寬度（τ）

脈沖寬度反映單個激光脈沖能量的輸出效率。研究證明[4]脈沖寬度（τ）對溫升影響較大，τ越大，作用物質(zhì)的升溫時間和溫度升高持續(xù)時間越長，熱效應(yīng)影響增強，但峰值溫度越低。如，當能量密度I=1.6 J/cm2的激光作用于鋼鐵表面，脈沖寬度τ=100 ns時峰值溫度為2 200℃，脈沖寬度τ=10 ns時峰值溫度為7 000℃。

對金屬進行微觀充分熔融重塑，應(yīng)在保證峰值溫度達到金屬熔融溫度的情況下，適當延長τ，同時為避免長時間的熱影響效應(yīng)，τ不宜過長，ns級較為適宜。

1.1.3 光斑搭接率

表面全覆蓋示意圖如圖1所示，激光掃描速度決定了2次光斑之間的距離d1，而填充間距決定了橫排光斑間的距離d2，當d1=d2時可以實現(xiàn)各項均勻的密布排列，為實現(xiàn)激光光斑的全覆蓋，可知d3應(yīng)小于光斑直徑d，則d1=d2=0.7d。而當d1=d2≤0.5d時，會導(dǎo)致2個光斑部分區(qū)域出現(xiàn)3個以上的光斑重疊，易導(dǎo)致熱量堆積而發(fā)生二次氧化。研究表明[5]，當d1=0.6d時清潔效果最佳，此時2個光斑間的搭接率為40%，因此測試過程通過調(diào)節(jié)掃描速度來保持實驗光斑搭接率40%不變。

圖1 表面全覆蓋示意圖Fig.1 Schematic diagram of full surface coverage

1.2 激光設(shè)備選擇

激光除銹多采用對金屬及金屬氧化物吸收率較高的，擁有波長（λ）為1 064 nm的激光器[11-12]，因此優(yōu)先考慮具有光源質(zhì)量高、可操作性強等優(yōu)點的脈沖光纖激光器。脈沖光纖激光器分為單模和多模2種，多模脈沖激光器通過合束器耦合多束光源后輸出，可得到更高功率的光束。相同功率的激光器，單模脈沖激光器的光斑能量集中度更高，光斑質(zhì)量更好，但大功率單模脈沖激光器末端需增加隔離器，無法做到手持（500 W設(shè)備末端質(zhì)量達7 kg左右）。因此實驗選取一臺200 W單模脈沖光纖激光器（A）和一臺1 000 W多模脈沖光纖激光器（B）進行對比實驗，2臺設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 激光除銹設(shè)備參數(shù)Table 1 Parameters of laser rust removal equipment

1.3 實驗參數(shù)設(shè)定

控制設(shè)備脈沖寬度τ、光斑直徑d不變（設(shè)備A：τ=350 ns、d=0.25 mm；設(shè)備B：τ=400 ns、d=2.00 mm），通過調(diào)節(jié)脈沖頻率f、功率P來使A、B設(shè)備獲得相近 的激光能量密度I，實驗參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 設(shè)備工況調(diào)節(jié)-不同能量密度Table 2 Equipment condition adjustment-different energy densities

1.4 實驗樣板的制備

實驗共設(shè)置了11組不同表面狀態(tài)的樣板，其中對樣板1～5進行激光除銹實驗，對樣板6～11進行激光除漆實驗，樣板情況見表3。

表3 激光除銹和除漆實驗樣板Table 3 Laser rust and paint removal experimental samples

1.5 測試與表征

采用手持式數(shù)字顯微鏡（Inskam-316，Inskam公司）實時觀察激光處理表面放大50倍的形貌；采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（JEOL JSM-7800F，日本電子）觀察微觀形貌和元素分析；依據(jù)ASTM D4541—2017測試涂層附著力；依據(jù)ISO 8502-3：2017壓敏膠帶法檢測表面清潔度；依據(jù)NACE RP0287：2016復(fù)制膠帶法檢測表面粗糙度；依據(jù)ISO 8502-6：2020（Bresle法取樣）、ISO 8502-9：2020（分析）檢測表面鹽分含量；表面處理標準參照ISO 8501-1：2007進行評定。

2 結(jié)果與討論

2.1 光斑形貌與能量分布

表4給出了不同參數(shù)處理11個樣板后的表面清除效果。表5為A3工況下11個樣板的表面狀況。

由表4可知，2臺設(shè)備采用相近的能量密度，除銹/除漆的實驗結(jié)果卻不相同。設(shè)備A在A3工況下（I=3.06 J/cm2）達到了很好的除銹和除漆效果，并實現(xiàn)了一定的粗糙度，如表5所示，其中右圖為放大50倍的效果。設(shè)備B在B3工況下（I=3.18 J/cm2）實現(xiàn)了部分樣板除漆，其中8號樣板清潔后表面是暗灰色（圖2）。主要是因為單模脈沖光纖激光器的光斑能量呈高斯函數(shù)分布（圖3），中心處能量最高，往外圍呈高斯函數(shù)降低，在A3工況下光斑平均能量密度（I=3.06 J/cm2）未達到金屬熔融能量閾值（I=8.6 J/cm2），光斑中心能量密度高，已使金屬熔融，與空氣接觸的光斑外圍能量密度低，升溫小，有效降低二次氧化幾率。高斯光斑能量分布特點是實現(xiàn)金屬熔融且避免二次氧化的關(guān)鍵。而多模脈沖光纖激光器B因進行了能量耦合，光斑的能量分布比較平均，稱為平頂光斑。在B3工況下（I=3.18 J/cm2），光斑各處能量均未達到金屬熔融能量閾值（I=8.6 J/cm2），無法熔融金屬，無法實現(xiàn)有效粗糙度。多模光斑面積過大（可達單模設(shè)備的64倍），產(chǎn)生局部的熱效應(yīng)聚集，光斑外圍能量密度較高，雙重因素導(dǎo)致發(fā)生二次氧化（暗灰色），B4工況能量密度I進一步增大加劇了二次氧化。

圖2 8號樣經(jīng)A3、B3工況處理后的表面對比Fig.2 The surface comparison diagram of No.8 sample treated by A3 and B3 working conditions

圖3 激光器光斑能量分布模擬Fig.3 Simulation of laser spot energy distribution

表4 11個樣件8種工況激光處理結(jié)果Table 4 Laser processing results of 11 samples in eight working conditions

表5 11個樣件A3工況處理后宏觀狀態(tài)及微觀形貌Table 5 Macroscopic state and microscopic morphology of 11 samples after processing in A3 condition

2.2 SEM表征及EDS元素分析

樣件7（含結(jié)構(gòu)涂層）、樣件1（熱軋鋼）在A3工況下，采用激光線性掃描處理，對樣件1旋轉(zhuǎn)90°后二次掃描，使表面形成網(wǎng)格狀紋路作為對比樣（樣件1′）。對3個樣品進行SEM表征及EDS元素分析，結(jié)果見圖4和表6。

圖4 激光除銹/除漆后SEM表征Fig.4 SEM characterization after laser rust/paint removal

表6 激光除銹/除漆后EDS元素分布Table 6 Distribution of EDS elements after laser rust/paint removal

由圖4可知，樣件7激光作用后微觀形貌是噴砂形成的不規(guī)則山地形貌與激光光斑規(guī)則移動形成的規(guī)則網(wǎng)格布形貌的疊加，相比噴砂作用后的表面，激光作用后表面微觀形貌具有可控性、均一性等優(yōu)點。樣件1和樣件1′激光作用后微觀形貌是激光光斑規(guī)則移動形成的規(guī)則網(wǎng)格布形貌，樣件1′網(wǎng)格布形貌更為密實，棱角規(guī)則，是激光二次作用后對表面形貌二次熔融重塑的結(jié)果。上述3個樣品的微觀形貌均符合涂裝對基體表面形成粗糙度的要求，可見激光除銹形成的粗糙度微觀形貌更加可控。

由表6可知，激光作用后所有樣件表面均有少量氧元素的存在，微觀存在不同程度的氧化。光斑中心處氧含量明顯低于光斑交匯處，分析原因主要是光斑交匯處多次受熱及光斑外圍更易接觸空氣等綜合因素導(dǎo)致。樣件7因不涉及氧化鐵去除，激光作用時間短，表面氧化程度低，樣件1′激光作用次數(shù)比樣件1多，氧化程度最高。

2.3 粗糙度與表面鹽分

對樣件7、樣件1、樣件1′的表面狀態(tài)進行檢測，結(jié)果見表7。

由表7可知，樣件1、樣件1′激光作用后50倍放大觀察形貌為規(guī)整的橫紋狀、網(wǎng)格狀，粗糙度均＞40 μm，樣件1粗糙度略高于樣件1′；樣件7基材原始粗糙度在75～100 μm，激光作用后實測粗糙度87 μm，還原了基材原始粗糙度，50倍放大觀察形貌為橫紋狀和基材原始山地粗糙形貌混合形貌。樣板的鹽分檢測值在10 mg/m2左右，遠低于海洋工程建造涂裝常規(guī)要求的30 mg/m2。清潔度達到ISO 8502-3：2017中1級的標準，高于海洋工程建造涂裝常規(guī)要求的2級。激光處理后的表面清理等級達到等同ISO 8501-1：2007中Sa2.5的標準，滿足常規(guī)海洋工程建造涂裝要求。

表7 表面狀態(tài)檢測Table 7 Surface condition detection

2.4 涂層附著力及耐腐蝕性

對上述激光處理后的樣件1、樣件1′，參照樣件10的涂層體系重新涂裝，待涂層完全固化后對局部進行激光逐層除漆（涂層拉毛），測試激光涂層拉毛可行性。對涂層修補后，按照ASTM D4541—2017標準測試修補處附著力，結(jié)果如表8所示。

表8 激光拉毛后修補涂層的附著力測試結(jié)果Table 8 Adhesion test results of repaired coatings after laser brushing

由表8可知，激光拉毛涂層后，涂層間附著力仍能滿足海洋工程建造涂裝常規(guī)要求（≥5 MPa），樣件1′的附著力低于樣件1。相較于樣件1，樣件1′經(jīng)過2次激光掃描后的網(wǎng)格狀形貌雖宏觀效果（均勻性、清潔度）更佳，粗糙度卻有所降低，微觀形貌觀察谷峰差距變小，綜合因素導(dǎo)致涂層附著力較低。

對上述激光處理后的樣件1、樣件1′，分別涂裝2種配套涂層，并進行間斷式鹽霧實驗測試。實驗樣板經(jīng)過中性鹽霧實驗480 h后，在大氣中放置480 h，觀察表面狀態(tài)及腐蝕情況后進行附著力測試，結(jié)果如表9所示。

表9 鹽霧試驗結(jié)果Table 9 Salt spray test results

表9實驗數(shù)據(jù)表明，經(jīng)長時間鹽霧試驗后涂層防護性能仍較好，激光除銹表面滿足海洋工程建造重防腐涂層對表面處理的要求。鹽霧實驗后測得樣件1′附著力明顯低于樣件1，結(jié)合EDS分析氧化程度、粗糙度等因素綜合考慮，激光二次作用形成網(wǎng)格布紋路僅外觀目測更均勻，實際效果并不利于海洋工程建造涂裝作業(yè)。

3 結(jié)語

本研究采用200 W單模脈沖光纖激光器進行激光除銹，首次在無惰性氣體保護下實現(xiàn)微觀形貌可控的＞40 μm的粗糙度。激光處理后表面清潔度、表面殘留鹽分及涂裝涂層的附著力等測試結(jié)果均滿足海洋工程建造重防腐涂層涂裝前表面處理標準要求。

單模脈沖光纖激光器激發(fā)光斑的能量分布呈中心高、外圍低的高斯函數(shù)分布特性。高斯光斑在較低平均能量密度時，光斑中心快速升溫使金屬基材熔融，同時光斑外圍升溫較低，這一特性是實現(xiàn)表面粗糙度同時避免二次氧化的關(guān)鍵。