隔离开关的米级远距离激光除锈工艺研究

杨明昆，黄继盛，陆军，高勇，程志万，马仪

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.云南电网有限责任公司临沧供电局，云南 临沧 677000)

0 前言

电气设备锈蚀将导致其不能有效接通，虚接，发热，导致短路、跳闸甚至火灾、爆炸等，严重缩短电气设备的使用寿命。不同于一般情况下的除锈作业，电气设备除锈通常需要在高压带电条件下进行，从而保证电力系统的正常运行，减少因停电带来的巨大经济损失。对于高压带电设备，其安全距离通常在米级甚至数米量级。传统的除锈方法难以适用，迫切需要研发一种安全、能够远距离无接触的除锈方法。

目前常用的除锈方法有：喷砂、抛丸、化学酸洗、超声波、高压水射流等。这些方法均无法用于电气设备特别在高压带电状态的除锈。激光除锈是一种新颖的除锈技术，它是采用高峰值功率的激光照射锈蚀部位，锈层或是基体吸收激光能量后温度急剧升高，进而产生一系列物理效应，如膨松、气化、热冲击与热振动、声波震碎等，最终使得锈蚀与基体脱离，实现除锈同时又不会损坏工件[1-3]。激光除锈的研究已经有十多年的历史，涉及各种工业用激光器，研究结果表明：波长为1.06 µm 激光更适合用于激光除锈[4-9]。目前激光除锈装备已经走向工业应用，其技术路线主要有两种，分别以法国Quantel 公司和美国Adapt 公司为代表：分别采用波长为1 064 nm 的脉冲YAG 激光器或者脉冲光纤激光器，其作用距离只有数百mm。

本论文采用自行研制的米级远距离激光除锈系统，对隔离开关进行2 米远距离激光除锈实验研究，获得了工艺参数的影响以及除锈机制。

1 实验装置及方法

实验所用实验装置示意图如图1 所示。采用的激光器为IPG 生产的YLR-400-WC 型激光器，最高输出功率为400 W。根据高压安全距离要求，固定工作距离为2 m。激光经焦距为2 m的聚焦镜聚焦后作用于工件表面。实验用隔离开关为废弃的配电站常用的隔离开关，其材质为紫铜，年久失修，表面有一层致密的氧化膜。

图1 实验装置示意图

所采用激光除锈实验工艺参数为：固定的激光功率为400 W，扫描速度范围为500 mm/s～4 000 mm/s，扫描间距为0.01 mm～0.09 mm，扫描次数为1～3 次。定义面能量密度E 为：

式中，P 为激光功率，V 为扫描速度，S 为扫描间距。除锈后试样用相机拍照，照片采用Photoshop 灰度值进行定量标定。表面粗糙度采用日本基恩士公司生产的VK-X200K 型激光共聚焦显微镜测量，统计区域为长3 mm、宽2 mm 的矩形。

2 实验结果及分析

2.1 洁净度

图2 为400 W 激光功率，0.01 mm 扫描间距，1 次扫描，扫描速度为500 mm/s-4 000 mm/s 所除锈后的隔离开关的照片。由图中可以看出：在其他工艺参数不变的条件下，随着扫描间距的减小，除锈表面越亮，预示除锈洁净度越高。

图2 不同扫描间距（mm）的影响

将照片在photoshop 中进行灰度值处理，获得不同工艺下的除锈后的试样灰度值对比，如图3∼5 所示。图3 为图2 处理后的数值，证实了肉眼观察的结果。图4 为固定激光功率为400 W，扫描间距为0.01 mm，不同扫描速度下的灰度值。由图可见：随着扫描速度的增加，灰度值下降，即除锈洁净度下降。图5 是扫描次数的影响，由图可见：随着扫描次数的增加，灰度值增江，即洁净度增加，但是当由2 次扫描增加到3 次时，灰度值增幅大大减少，预示试样表面的洁净度已经足够高。

图3 不同扫描间距下除锈灰度值对比

图4 不同扫描速度下隔离开关除锈灰度值对比

图5 不同扫描次数下隔离开关除锈灰度值对比

2.2 表面粗糙度

图6 为激光功率400 W，扫描速度1 000 mm/s 时，不同扫描间距下的表面粗糙度Ra 和Rz。图中可以观察到：在其他工艺参数恒定的情况下，随着扫描间距的增加，表面粗糙度呈Ra呈先减小后增大趋势，表面粗糙度Rz 基本不变。

图6 表面粗糙度Rz随扫描间距的关系

图7 表面粗糙度Ra和Rz随扫描速度的关系

图7 为激光功率400 W，扫描间距0.01 mm时，不同扫描速度下的表面粗糙度Ra 和Rz。由图中可以观察到：在其他工艺参数恒定的情况下，随着扫描速度的增加，表面粗糙度Ra 和Rz 都呈减小趋势。

2.3 激光除锈机制

在激光除锈实验时，发现有飞溅物产生。使用高速摄像机进行拍摄观察飞溅是如何产生以及飞溅量的多少。高速摄像机型号Phantom V2012，激光照明光源型号CAVILUX HF。拍摄的资料经过索尼Pcc 专业摄像分析软件分析，采用帧数为15 帧，工艺参数为400 W，扫描间距为0.05 mm，不同扫描速度下均匀选区4 个时间间隔。

1 000 mm/s 时的颗粒状飞溅物相对最多，500 mm/s 时的白烟相对最多。这是因为扫描速度为500 mm/s 时，输入的激光能量最多，锈层吸收激光能量后直接气化成为白烟，产生的颗粒状飞溅物相对较少。当扫描速度为1 000 mm/s 时，输入的激光能量较少，锈层吸收激光能量后既发生了气化形成白烟，也发生受热膨胀分离产生大量颗粒状飞溅物。当扫描速度为2 000 mm/s 时，飞溅物和白烟都比较少。

3 结束语

本论文采用400 W 的连续光纤激光器，对2 m 远的隔离开关进行了激光除锈工艺研究，实现了2 m 远的激光除锈，得到的结论如下：

1）激光除锈可以实现2 m 远的隔离开关除锈，因此可以实现高压带电除锈。

2）随扫描间距和扫描速度减小，除锈洁净度增加；随扫描次数增加，洁净度增加，但是当扫描次数从2 次增加到3 次时，增幅放缓。

3）隔离开关激光除锈机制与工艺参数有关。当扫描速度低时，其机制为气化为主；当扫描速度较高时，其机制为受热膨胀与基体分离产生大量颗粒状飞溅物为主。