一种重度腐蚀污染失效断口的处理装置及方法与流程

本发明涉及失效断口分析，具体为一种重度腐蚀污染失效断口的处理装置及方法。

背景技术：

1、失效断口记录了构件在载荷和服役工况下断裂的萌生、扩展以及断裂的信息，因此对断口的观察分析是失效分析工作中最重要的环节。断口分析需要技术人员在宏观和微观下仔细观察断口的形貌、色泽、粗糙度、裂纹扩展等特征。但在实际工程中，由于服役环境的复杂与苛刻，失效断口常常被一层较厚的腐蚀产物或油污等所覆盖，给技术人员观察失效断口的原始痕迹造成了很大困扰。因此，需要在不损伤断口宏观和微观形貌特征的前提下，采取有效的方法清除重度腐蚀(污染)断口表面的附着物。

2、目前，断口常见的处理技术有：(1)有机溶剂法：采用无水乙醇、丙酮、汽油等溶剂浸泡断口，并使用超声波进行清洗。该方法仅适用于轻度腐蚀(污染)的断口清理。当断口腐蚀(污染)严重时，该方法处理效果很差；(2)机械剥离法：采用ac纸(乙酸纤维)或者“乙酸纤维素+丙酮”的胶状液体(见中国专利cn101750243a)清理断口。该方法仅适用于中度腐蚀(污染)的断口清理，无法有效清除断口内部(如细小孔洞等)以及附着力很强的腐蚀(污染)物。并且乙酸纤维素很容易残留在断口粗糙的表面内，影响断口的观察质量。此外，该方法处理很难一次性完成处理。一般情况下，处理中度腐蚀(污染)的断口需要2-3天时间，花费时间较长；(3)化学试剂法：采用腐蚀性的化学试剂清洗，如稀盐酸或盐酸+缓蚀剂来清理。该方法可用于重度腐蚀(污染)的断口处理。由于使用的化学试剂具有一定的腐蚀性，操作稍微不当时容易破坏断口细节，影响后续断口显微细节的形貌分析。(4)阴极电解法：原理是释放氢气泡而机械地去除沉积物，因此断口不会受到化学腐蚀损伤。由于释放氢气泡的机械剥除力强度较低，因此适用于轻度-中度腐蚀(污染)的断口清理。

3、为了解决以上难题，现有技术中提出了多种解决方案，如下所示：

4、中国专利(公开号cn109433665a、cn110512221a)公开了失效断口清洗装置和方法。其中公开号cn109433665a提供了一种断口的自动清洗器。该清洗器无需工作人员直接操作，可以实现失效断口的自动喷洗和刷洗；公开号cn110512221a提供了一种断口清洗系统，可以将待清洗的样品固定后通过毛刷进行清洗，或加入清洗液在加热条件下进行清洗，降低清洗剂对技术人员的人身伤害，提高清洗效率。以上两种技术方案虽然降低了劳动强度，但是其本质上还是基于有机溶剂法+化学试剂法，对断口进行“喷洗+刷洗”的处理。因此仅对轻度或中度腐蚀(污染)断口处理有效果，对于重度腐蚀(污染)的断口处理效果很有限。此外如果化学试剂浓度或者操作不当，还容易破坏断口细节。

5、中国专利(公开号cn109778203a、cn108796514a)公开了失效断口的清洗溶液和方法。其中，公开号cn109778203a提供的技术方案是采用了以盐酸、六次甲基丙胺为主的化学试剂法进行清洗；公开号108796514a提供的技术方案是将“有机溶剂法”+“乙酸纤维素胶装液体机械剥离法”+“盐酸、乌洛托品为主的化学试剂法”结合进行清洗处理。以上两种技术方案虽然相比传统处理方法提升了一定的效果，但是传统技术方案处理断口的不足在这两个技术方案中依然存在。

6、中国专利(公开号202111265839.4)公开了一种金属材料断口锈蚀层清除方法。该方法主要是采用酚醛树脂镶嵌粉将断口包埋，然后在一定温度和压力下将断口镶嵌，最后剥离断口锈蚀层。虽然该技术方案是对机械剥离法进行了升级，但是该方法有以下不足：(1)热镶嵌过程需使用金相热镶嵌机。由于设备尺寸限制，只能处理尺寸较小的断口；(2)热镶嵌后，酚醛树脂与断口结合力很强，机械剥离断口面的酚醛树脂费时费力。如果剥离过程稍有不慎，还容易破坏断口面。

7、中国专利(公开号cn114119535a)和文献[基于机器视觉的钢材锈蚀表面激光清洗检测方法.应用激光,2021,41(6):6.]均公开了基于视觉检测的激光清理方法。该技术是基于视觉识别和激光清洗技术，实现了对工件表面的锈蚀层进行快速清洗。但以上两种技术，以及现有的激光清洗技术方案都仅适用于较平整的工件表面，且厚度较均匀的锈蚀层清洗。此外，实际失效断口表面往往高低起伏、凹凸不平；且腐蚀产物(污染物)厚度不均、在断口内部(如细小孔洞)也藏有腐蚀产物，难以清理。更为重要的是，失效断口处理后一般需要在光学显微镜或者扫描电镜下观察断口的微观特征，如果操作不当，容易损伤基体的微观结构，形成熔融态痕迹或枝晶乳突结构，导致无法对断口的微观形貌进行准确分析。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种重度腐蚀污染失效断口的处理装置及方法，以解决现有技术中无法在不损伤断口宏观和微观形貌特征的前提下有效、快速地清除重度腐蚀(污染)断口表面附着物的技术问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种重度腐蚀污染失效断口的处理装置，包括运动架底台、激光清洗单元、拍照照明组件、控制单元和气体保护单元；所述运动架底台包括机箱、载物台、支撑架、悬臂架和两组直流伺服电机；载物台水平装配在机箱顶部，用于放置断口样品，支撑架竖直固定在机箱上，支撑架上设有导轨；所述导轨沿着支撑架的竖直方向设置，悬臂架一端装配在导轨上，另一端活动连接翻转头；两组直流伺服电机分别装配在载物台和支撑架内；所述激光清洗单元包括激光发生器和激光清洗头；激光发生器装配在机箱内，激光清洗头装配在翻转头上，且朝向载物台设置，激光清洗头连接激光清洗单元输出端；拍照照明组件装配在翻转头上，且朝向载物台设置；控制单元的控制端分别与激光清洗单元、拍照照明组件以及两组直流伺服电机连接，气体保护单元包括氮气瓶和压力调节喷嘴，压力调节喷嘴装配在在翻转头上，且朝向载物台设置，压力调节喷嘴与氮气瓶的输出端连接。

4、优选的，控制单元内设有控制器，所述控制器的输入端连接图像接收模块，控制器的输出端分别连接图像处理模块、运动控制模块、清洗控制模块和照明驱动模块；图像接收模块的输入端连接拍照照明组件；照明驱动模块的输出端连接拍照照明组件；运动控制模块分别连接两组直流伺服电机以及翻转头的翻转驱动端；清洗控制模块的输出端连接激光发生器的驱动端。

5、进一步的，控制器的输出端还连接人机交互模块，所述人机交互模块的输入端连接图像处理模块，用于显示图像处理信息。

6、优选的，压力调节喷嘴和激光清洗头均设置在翻转头的一侧，拍照照明组件设置在翻转头的另一侧。

7、优选的，拍照照明组件包括摄像头和环形同轴光照明系统；所述摄像头装配在翻转头上，所述环形同轴光照明系统装配在摄像头上。

8、优选的，悬臂架与支撑架垂直设置，且悬臂架通过导轨水平升降。

9、优选的，激光发生器的输出端通过光纤与激光清洗头连接。

10、优选的，氮气瓶的输出端通过软管与压力调节喷嘴连接，且氮气瓶的输出端上设有电控阀。

11、优选的，运动架底台底部设有滚轮。

12、一种重度腐蚀污染失效断口的处理方法，基于上述所述的重度腐蚀污染失效断口的处理装置，包括如下步骤：

13、步骤1，将断口样品放置在载物台上，断口面朝向两侧；激光清洗单元对断口面旁侧的部分区域基材进行局部激光清洗，直至该部分区域基材漏出新鲜金属表面；

14、步骤2，观察经过局部激光清洗后的部分区域基材的微观形貌，分析是否存在熔融态痕迹或枝晶乳突结构；

15、如果存在，返回执行步骤1，降低清洗功率，换一个区域重新对基材进行局部激光清洗，直至发现基材微观结构未出现明显损伤，即可确定该基材的微观损伤阈值，执行步骤3；

16、步骤3，摄像头拍摄局部激光清洗后的基材的新鲜金属图像，并传输至控制单元内计算获得新鲜金属图像的平均灰度值信息；

17、步骤4，将断口样品放置在载物台上，断口面朝上；摄像头拍摄整个断口面的宏观图像，判断出断口的断裂源区、扩展区及瞬断区，并在控制单元内进行区域标注；

18、步骤5，设置清洗功率、扫描速度、脉冲频率、脉冲宽度等参数，使得激光能量密度不大于基材微观损伤阈值，控制单元分析整个断口形貌及轮廓特征，向发出激光清洗路径，激光清洗单元开始对断口面进行全面激光清洗；同时，开启气体保护单元，实现对断口的冷却、保护和除尘；

19、步骤6，摄像头扫描断口面的断裂源区及扩展区，当遇到高低起伏较大的区域时，采用景深合成模式，用于获取较低位置的更清晰的断口图像；控制单元通过计算获得清洗后图像的平均灰度值信息；并对清洗后断口图像进行网格划分和位置编号，与新鲜断口图像的平均灰度值信息进行比对；

20、当在发现存在没有清洗干净的断口位置时，标记出没有清洗干净的部位的图像编号；同时控制单元发出未处理干净部位的位置编号指令，执行步骤7；

21、当发现断口所有位置已清洗干净时，完成断口样品处理；

22、步骤7，对未清洗干净部位的断口，激光清洗单元进行局部激光清洗；同时，气体保护单元对断口的冷却、保护和除尘；清洗完后，摄像头对未清洗干净的部位再次进行比对检查；

23、当发现已清洗干净时，完成断口样品处理；反之重复步骤7。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

25、本发明提供了一种重度腐蚀污染失效断口的处理装置，通过在机箱上设置载物台，用于放置断口样品；支撑架竖直固定在机箱上，支撑架上设有导轨，悬臂架装配在导轨上，并通过直流伺服电机驱动导轨带动悬臂架，在竖直方向的移动，实现工作台的高度和焦距的调节，载物台内设置直流伺服电机，通过直流伺服电机驱动载物台在水平方向上移动，悬臂架的另一端装配翻转头，将拍照照明组件、压力调节喷嘴和激光清洗头分别装配在翻转头上，拍照照明组件用于扫描和拍摄低倍和高倍的断口图像，同时保证了像头拍摄的断口图像清晰且无阴影；压力调节喷嘴对断口起到了冷却、保护和除尘的作用，激光清洗头可对断口进行清洗；本发明中控制单元的控制端分别与激光清洗单元、拍照照明组件以及两组直流伺服电机连接，大大提高了对处理装置的智能控制，同时不损伤断口宏观和微观形貌特征的前提下可有效、快速地清除重度腐蚀(污染)断口表面附着物。

26、本发明提供了一种重度腐蚀污染失效断口的处理方法，通过处理装置利用激光辐射断口表面，使断口面的污染物、锈蚀物等吸收激光能量后产生瞬间剥离或蒸发，最终从断口表面上被高效去除。断口激光清洗后，通过摄像头高倍检查模式，并采用景深合成技术观察断口内部清理，可以发现断口内部未清理干净的部位，并再次对该部位清洗。由于基体材料的破坏阈值是通过激光脉冲参数调整+高倍电镜观察断口形貌所确定的，加上使用的是脉冲平顶光，光束更柔和不伤基材。此外，在激光清洗时，同时使用氮气进行吹扫，保护了断口表面不被氧化。最终实现了在不损伤断口宏观和微观形貌特征的前提下，可以有效、快速、环保地清除重度腐蚀(污染)断口表面附着物，为随后的机械装备失效分析工作提供有力的证据。