鋼結(jié)構(gòu)高膜厚熱噴鋅施工工藝研究

吳偉，王洋,*，姜其岳，宋瑛華

（1.山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 海陽 265100；2.煙臺市核電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東 海陽 265100）

熱噴鋅的原理是將噴鋅機三相交流電經(jīng)變壓器降到36 V安全電壓以下，然后通過整流裝置輸出直流電，正、負(fù)兩極分別接到噴槍和鋅絲上，利用大電流使鋅絲熔化，由電磁閥控制壓縮空氣，將熔融狀態(tài)下的鋅液噴射到金屬表面，隨著鋅液溫度的降低，形成鋅膜附著在金屬表面。熱噴鋅技術(shù)不僅具有施工工藝簡單、可操作性強、涂層美觀等特點，而且陰極保護可靠，防腐性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電法蘭、橋梁、港口碼頭等大型鋼結(jié)構(gòu)部件、設(shè)備的重防腐以及海洋工程等的長效保護。近幾年，海上風(fēng)電、港口碼頭防沖浪板等長周期臨海防腐產(chǎn)品對熱噴鋅涂層厚度提出了更高的要求[1]，熱噴鋅涂層厚度甚至要達(dá)到150 ~ 200 μm，然而熱噴鋅涂層厚度的增加容易產(chǎn)生開裂、附著力差、易脫落等問題。因此，熱噴鋅涂層厚度的提高已經(jīng)成為亟待研究和解決的重要課題。

1 熱噴鋅設(shè)備及工藝流程

熱噴鋅設(shè)備選用PT-600A型電弧噴鋅機，輸入電壓380 V，額定功率32.6 kV·A，電壓調(diào)級為9級，輸出電流DC600A。采用拉絲噴槍，電機功率75 W，送絲速率1.0 ~ 6.1 m/min。熱噴鋅工藝流程為：除油→噴砂除銹→灰塵清潔→表面清潔度檢查→表面粗糙度檢查→熱噴鋅。

2 熱噴鋅工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.1 送絲電壓與噴涂電流優(yōu)化實驗

噴涂電流與送絲電壓之間呈正比例關(guān)系，送絲電壓越大，送絲速率越快，需要維持噴涂的噴涂電流也就越大。然而隨著噴涂電流和送絲速率的增大，熱噴鋅層厚度并不會呈正比例增加。這是因為部分鋅絲在熱熔狀態(tài)下已被燒損，并且噴至金屬表面會發(fā)生飛濺，造成鋅絲沉積下降[2]。送絲電壓(送絲速率)會影響熱噴鋅的施工效率，噴涂電流則影響熱噴鋅涂層的致密性。為了保證熱噴鋅涂層的施工品質(zhì)，需確定送絲電壓、噴涂電壓及噴涂電流的最優(yōu)設(shè)置。本文在設(shè)備說明書建議的熱噴鋅送絲電壓(最大30 V)下，采用直徑為3.0 mm的鋅絲，詳細(xì)研究了送絲電壓(送絲速率)與噴涂電流的關(guān)系以及對涂層性能的影響。

通過表1可知，隨著噴涂電流的增大，噴涂會經(jīng)歷起弧、噴涂連續(xù)、噴涂穩(wěn)定沉積及鋅絲爆炸飛濺的過程。當(dāng)噴涂電流過小時，設(shè)備無法引弧和正常噴涂。當(dāng)噴涂電流為300 A時，鋅絲出現(xiàn)爆炸和嚴(yán)重的飛濺現(xiàn)象。當(dāng)噴涂電流在200 A以上，送絲電壓在20 V以上時，可維持連續(xù)的噴涂。噴涂電流為200 A、送絲電壓為20 V時，以及噴涂電流為250 A、送絲電壓為25 V時，均可獲得良好的沉積。

表1 不同送絲電壓與噴涂電流下熱噴鋅的情況Table 1 Thermal zinc spraying at different zinc wire feeding voltages and spraying current

為了從上述兩組較優(yōu)參數(shù)中選取最優(yōu)的一組，采用300 mm × 100 mm × 12.7 mm的Q345B試驗板，按照上述兩組工藝參數(shù)各制備了3塊試驗件，待其冷卻24 h后采用拉開法附著力測試儀對涂層進行附著力測試。

圖1顯示，噴涂電流為250 A、送絲電壓為25 V時3塊試樣的附著力測試結(jié)果分別為6.0、6.1和6.0 MPa。

圖1 噴涂電流250 A、送絲電壓25 V下得到的3塊鋅層試樣的附著力測試照片F(xiàn)igure 1 Photos showing the adhesion test results of the zinc coatings prepared at spraying current 250 A and wire feeding voltage 25 V

圖2顯示，噴涂電流為200 A、送絲電壓為20 V時3塊試樣的附著力測試結(jié)果分別為8.2、7.9和8.4 MPa。

圖2 噴涂電流200 A、送絲電壓20 V下得到的3塊鋅層試樣的附著力測試照片F(xiàn)igure 2 Photos showing the adhesion test results of the zinc coatings prepared at spraying current 200 A and wire feeding voltage 20 V

對比可知，噴涂電流和送絲電壓的降低使得制備的熱噴鋅涂層獲得更高的附著力，涂層與基材的結(jié)合更好。較低的噴涂電流和送絲速率能明顯降低鋅絲熱熔燒損，提高熱噴鋅的施工效率和鋅的沉積速率，從而提高熱噴鋅的成型和上膜率，有利于獲得更致密的鋅層[3]。

2.2 鋅絲直徑的優(yōu)化

以噴涂電流200 A和送絲電壓20 V作為優(yōu)化工藝參數(shù)，進一步考察鋅絲直徑對噴鋅層品質(zhì)的影響，以便在保證噴鋅層品質(zhì)的前提下，獲得高質(zhì)量、低成本的熱噴鋅施工工藝。

分別選用直徑1.6、2.0和3.0 mm 3種規(guī)格的鋅絲(純度≥99.99%)進行對比試驗，試驗前先稱重，然后在相同面積的試驗板(Q345B材質(zhì)，規(guī)格為1 600 mm × 1 000 mm × 12.7 mm)上以30 V的電壓噴涂厚度200 μm左右的熱噴鋅涂層，稱量試驗后剩余鋅絲的質(zhì)量，根據(jù)鋅絲耗量來計算鋅絲的實際損耗率，并觀察實驗板的外觀品質(zhì)，測量鋅層的厚度，結(jié)果見表2和圖3。

表2 噴涂試驗前后鋅絲量對比Table 2 Weight comparison before and after spraying test

圖3 采用不同直徑的鋅絲熱噴鋅的涂層照片F(xiàn)igure 3 Photos of zinc coatings thermally sprayed with zinc wires in different diameters

對比可知，鋅絲耗量以直徑2.0 mm的鋅絲為最小，其次是1.6 mm的鋅絲，耗量最大的是直徑3.0 mm的鋅絲。鋅絲較細(xì)時，鋅絲處于完全熔融狀態(tài)[4]，燒損較多，鋅粉噴涂到表面上造成的飛濺嚴(yán)重[5]，因此鋅絲損耗較大；鋅絲較粗時，鋅絲處于半熔融狀態(tài)，較粗的鋅絲噴涂到表面上令沉積層厚度不均，表面較為粗糙，鋅絲損耗更嚴(yán)重。綜合鋅層外觀品質(zhì)和鋅絲耗量，在相同的噴涂工藝參數(shù)下，選用直徑為2.0 mm的鋅絲時，綜合性能最好。

3 熱噴鋅施工的注意事項

(1) 噴砂除銹后4 h之內(nèi)應(yīng)完成熱噴鋅工作，防止金屬表面隨著時間的推移而發(fā)生氧化，令鋅層與基體的結(jié)合強度下降。

(2) 噴射角度是指噴槍中心線與工作面之間的夾角，一般應(yīng)為90°，即噴槍中心線垂直于工作面。工件形狀復(fù)雜特殊時，噴射角度不應(yīng)低于75°[6]。

(3) 噴射距離是指噴槍嘴至工作面的垂直距離，一般為100 ~ 120 mm。若噴射距離過小，鍍層受到熱化作用，使鍍層與工作表面存在較大溫差而收縮，鍍層容易脫落；若噴射距離過大，金屬微粒的噴射速率會降低，鋅層與工作表面的撞擊力隨之減小，鋅層的沉積密度會受到影響[7]。

(4) 送絲速率控制在120 ~ 150 cm/min。送絲過快會造成絲材不均勻熔化，使微粒超出正常范圍而令鋅層品質(zhì)降低[8]；送絲過慢會使鋅粒變細(xì)，粒子的面積增加，鋅層中氧化物增多，從而影響鋅層的附著力。

(5) 噴涂間隔：大面積噴涂時，每區(qū)域第一層噴涂完畢后應(yīng)保持清潔，不允許手等觸及噴涂表面，每層噴完后過10 min方可進行下一次噴涂，以防止產(chǎn)生氫脆開裂。

(6) 噴束的重疊：噴束的扇面高度應(yīng)不超過50 mm，每次噴涂時噴束重疊率為50%。

(7) 噴涂環(huán)境：噴射時環(huán)境溫度以15 °C左右為宜，適宜的溫度可以使鋅層在基體上獲得較高的附著力。若工件表面的溫度低于0 °C，可先將工件表面預(yù)熱至30 ~ 40 °C。當(dāng)環(huán)境的相對濕度超過90%或直接暴露于雨雪、冰雹等天氣之下時，不允許直接噴涂。

4 熱噴鋅質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)

4.1 表面品質(zhì)

目視檢查之下，熱噴鋅后的表面應(yīng)無氣孔、裂紋、起皮、鼓包、脫落等現(xiàn)象，外觀顏色均勻一致。

4.2 涂層厚度

按照SSPC-PA2實地測量，采用磁性漆膜測厚儀檢測鍍層的干膜厚度(DFT)。每10 m2檢測一次，如總表面積小于10 m2，也應(yīng)進行一次檢測。每次取5個點，實測值不得超過規(guī)定的最大涂層厚度，也不得小于最小允許DFT的80%。

4.3 附著力

按照ASTM D4541的要求，選用III類設(shè)備進行拉開法附著力測試。每組3塊試板，附著力測試值均應(yīng)不低于6.0 MPa。

5 總結(jié)

(1) 高、低送絲電壓(送絲速率)的熱噴鋅試驗結(jié)果表明，送絲過快容易造成鋅絲的不均勻熔化，使熔化后的鋅顆粒超出正常尺寸范圍，金屬基體表面鋅顆粒的排列變得不緊密，從而導(dǎo)致鋅層的附著力降低。熱噴鋅時降低送絲電壓(送絲速率)和噴涂電流有利于鋅絲充分熔化，提高熱噴鋅表面品質(zhì)。

(2) 熱噴鋅工藝參數(shù)相同而鋅絲直徑不同的熱噴鋅試驗對比表明：在相同的噴涂電流下，直徑小的鋅絲更易熔化均勻，噴鋅層整體更為均勻，但鋅絲過細(xì)會導(dǎo)致噴涂過程中顆粒更小、更分散，不利于附著成膜，此時鋅絲質(zhì)量損失較大，成膜厚度較??；直徑較大的鋅絲在相對低的噴涂電流下不容易均勻熔化，令外觀品質(zhì)降低。用較粗的鋅絲時需調(diào)高噴涂電流和增加熱量輸入，在同等熱噴鋅厚度下，采用粗鋅絲時能耗更高。

6 工程應(yīng)用

目前，該熱噴鋅工藝已經(jīng)被成功應(yīng)用于碼頭防沖板和海上風(fēng)電法蘭的施工，共計施工面積約2 500 m3。該工藝施工簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)批量化工業(yè)生產(chǎn)，效率高、品質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的經(jīng)濟性。