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    激光处理在表面清洁和文物修复方面的应用

    发布时间:2020-06-10 浏览数:

        在桥梁设计和施工过程中,适当考虑日后如何进行养护的观念,在近几十年才被工程师们广泛接受。因此,许多旧桥的业主单位和运营单位都面临着一个严峻的挑战,那就是如何在保证桥梁正常运营的同时维护大桥的结构安全。以下将以著名的澳大利亚悉尼港湾大桥为例来讲述他们的养护经验。

     

        具有成本效益的激光处理方法

     

        悉尼港湾大桥是一座单孔拱桥,1932年建成通车以后一直服役至今,曾号称世界第一单孔拱桥,是悉尼早期的代表性建筑。

     

        每天,悉尼港湾大桥都承载着200多辆火车、160000辆汽车和大约2000辆自行车的往返交通量。这座桥不仅是悉尼文化的象征,更是悉尼城市交通基础设施至关重要的组成部分。负责这座大桥养护与运营的机构是新南威尔士州道路与海事服务公司(RMS),主要任务是对大桥的钢结构部分、石质墩台以及其他区域进行清理和重新喷漆。

     

        由于这座大桥的钢结构部分最初的防腐涂料含铅,导致目前大桥钢桁架存在普遍的老化现象。因此,桥梁养护单位决定使用更耐用、更环保的现代涂料替代之前的防腐涂层。清除原有防腐涂料和钢结构锈蚀的传统做法,是使用电动工具和喷砂除锈法,但是这种方法需要耗费大量的体力劳动,而且极易造成工人受伤。不仅如此,在桥梁某些特殊位置,这些养护设备根本无法到达,有时甚至是操作人员也很难到达。为了解决这些难题,新南威尔士州道路和海事服务公司联合澳大利亚国立大学共同研发了一款结构内部激光清洗设备,整个研发项目为期三年,由澳大利亚研究委员会资助。最近,该团队首次对这款最新的激光清理技术进行测试,以确定其是否可以在悉尼港湾大桥养护工程中得到应用。

     

        使用连续激光和纳秒脉冲激光技术进行油漆剥离的方法已经使用多年,已经形成了一定的工业规模体系,随处可以找到大量的供应商。但是,纳米级脉冲激光在清理结构物体表面锈蚀时会产生大量的热量,温度足以使钢铁表面达到熔化的程度。因此,有些工程师担心,如果将纳秒激光脉冲技术应用于悉尼港湾大桥,将有可能导致老化的钢结构更加脆弱,从而引起裂缝的扩散。另外,高温也容易造成作业工人被灼伤,而且激光处理点周围的材料也容易被损坏。

     

        为了解决上述问题,养护团队采用了一种钢结构表面清理的新技术,这种新技术是基于安德烈·罗德教授(Andrei Rode)和斯蒂芬·马登(Stephen Madden)教授在澳大利亚国立大学的一项最新研究,这是一种在飞秒范围内使用的、强大的超短脉冲冷激光新技术,比纳秒脉冲短100万倍。

     

        这种处理技术不仅能够快速清理金属和石材表面厚厚的防护底漆,达到工业化应用规模,而且对金属和石材表面的损害也能达到最小。“飞秒级冷激光脉冲不会造成金属表层熔化,就像啄木鸟啄掉油漆一样,不会造成底层金属出现裂缝。”悉尼道路及海事服务公司战略基础设施经理皮特·曼恩(Peter Mann)说。“这项技术以及它的物理特性非常有价值,因为底部材料的粗糙度会增加防护涂料的附着性。”曼恩继续说,“钢结构桥梁在养护过程中会遇到很多问题,比如腐蚀和疲劳载荷。因此,在运用激光技术对桥梁进行维护时需要格外小心,以免其对桥梁使用寿命产生不利影响。我们此次研究的目的是找出迄今为止最具成本效益的激光处理方法,并验证这种方法不会对钢结构产生损伤。”

     

        传统的表面处理方法是喷砂处理法,但是由于悉尼港湾大桥的特殊性,喷砂处理法在该项目中无法得以应用。原因有以下几点:1.大桥拱门由数量庞大的中空钢结构杆件拼接而成,这些杆件形成了一个总长约7.2公里的密闭作业空间,无法进行喷砂处理;2.这些杆件位于拱圈的不同位置,工程技术人员作业困难;3.杆件每6米有一个出入孔洞,但是这些孔洞直径只有300毫米,大多数工人无法进入;4.杆件内部空间狭窄、位置错综复杂、可见度低。由于上述原因,大桥自建成以来,拱圈内部从未进行再喷涂。但是,随着科技的进步,激光清理技术逐渐成为一种可能的解决方案。

     

        高效的超快激光清洁设备

     

        养护团队面临的第二个挑战是钢结构杆件清理机器人研发,这种清理机器人不仅需要在空间狭窄的钢结构杆件中行走,还需要携带激光清理设备。虽然养护团队之前已经开发出一款可行走机器人,但是他们还需要缩小激光处理设备,以便机器人携带并进入作业区域。

     

        曼恩表示,激光处理还没有成为基础设施养护技术的主流,还有一些困难需要克服。“目前的后勤部门面临的困难,是如何在现场部署和使用这种激光设备,尤其是在桥梁工程上。考虑到悉尼港湾大桥的规模和杆件的难以接近性,激光设备和机器人需要足够小才能进入结构内部。但是对于大多数有足够功率的既有激光器,都需要使用大型电力设备来驱动镭射头,比如激光扫描仪、制冷设备和真空装置。”他说。

     

        虽然镭射头上有一个用于净化激光照射区域的小型真空吸尘器,但是设备另外还安装了一个独立的集尘设备,用以过滤空气中的杂质。在喷漆之前,机器人会使用真空吸尘器清理钢结构表面掉落的较大碎屑,并将把表面吹干净。

     

        澳洲国立大学研发团队的首要任务,是开发出一种在最佳激光辐射条件和最高效率情况下的超快激光清洁技术,清洁速度按照1平米/小时,激光功率按照1平米/小时瓦特,所有技术的前提是最小化残余应力和金属破坏。澳大利亚核科学技术与技术组织和悉尼大学将对残余应力和疲劳强度性能进行测试,道路及海事服务公司将为测试提供桥梁实际使用的钢材和油漆样本,并组织桥梁现场测试。堪培拉大学的专家将评估激光处理技术在桥梁主塔花岗岩部分的测试情况。

     

        一旦激光清理技术通过测试以后,下一阶段将是开发一种可以安装在沃姆博特(Waumbot)上的特殊辅助连接设备。沃姆博特是道路与海事服务公司和悉尼理工大学(University of Technology,Sydney)经过数年共同研发的一种桥梁养护机器人,目前已经应用于桥梁工程。这种激光清理技术不仅适用于钢构件内壁清理,通过使用手持式激光器,也适用于结构外部的维修。

     

        假设这个研究项目能够成功,根据现在的激光处理设备使用数量,对桥梁内部结构进行清理和重新喷涂仍然需要5年时间才能完成。按照目前的估计,即使有10个功率为1千瓦的激光器每天工作24小时,每周工作7天,那么完成这项工作仍需3-5年的时间。

     

        尽管如此,激光处理技术仍然拥有巨大的潜在市场,而且不仅仅局限于交通运输领域。单从桥梁方面说,世界范围内就有数以万计的钢结构桥梁亟待维护。对于其他基础设施,这种技术也能派上用场,比如飞机整修方面。如果一项技术可以消除基础材料损坏所带来的风险,那这项技术将在未来大有可为。

     

        这项新技术也有可能应用于文物修复领域,因为在进行文物修复时,技术人员不用担心温度过高的问题。一些实际的案例也证明使用纳秒脉冲激光清理技术,对雕塑、青铜雕像、精美的陶土,甚至整个建筑立面进行修复也是非常经济的。然而,对于像绘画、镀金表面和纺织物等不能承受温度上升的精致物品来说,超短脉冲法也许能够提供一些启发。超快激光清洁已经被用于清理复杂而且易碎的镀金层,这在之前是无法处理的。但是,随着大功率新技术的出现,这种技术的应用范围将会更大,比如应用于严重污染的结构。

     

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