楊文鋒,李 佐,劉 暢,張殊倫

(中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院,四川 廣漢 618307)

1 引 言

激光除漆(Laser paint stripping)是指將具有高能量密度的激光束照射到待除去的涂層部分,利用油漆與基體材料間熱應(yīng)力效應(yīng)和燒蝕效應(yīng)移除基材表面漆層的激光應(yīng)用技術(shù)[1],其特點(diǎn)是高效,清潔,可實(shí)時(shí)控制和反饋。運(yùn)用激光技術(shù)針對(duì)飛機(jī)表面涂層的清除工作,最早可以追溯到20世紀(jì)90年代,德國科學(xué)家 Schweizer[2]采用2 kW的 TEA CO2激光器對(duì)飛機(jī)表面進(jìn)行除漆,使用三個(gè)激光器,可以在3天內(nèi)完全去除1700 m2的飛機(jī)漆層(100 μm厚),而不會(huì)損壞金屬基板。激光除漆技術(shù)經(jīng)過近30年的發(fā)展,已經(jīng)完成了飛機(jī)整機(jī)除漆的飛躍。

國外在采用激光技術(shù)對(duì)飛機(jī)蒙皮表面除漆的研究應(yīng)用較為領(lǐng)先,荷蘭的LR System公司生產(chǎn)采用20 kW二氧化碳激光器(LCR)能夠輸出在30 m距離范圍內(nèi)激光光束來去除微米尺度下的油漆。美國猶他州希爾空軍基地(Hill AFB)的 Ogden空軍修理廠通過兩臺(tái)配備IPG光纖激光器的機(jī)器人激光涂層去除系統(tǒng)(ARLCRS),成功地完成了F-16戰(zhàn)斗機(jī)的整機(jī)除漆。國外基礎(chǔ)研究方面,2016年,Gillian[3]等人通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究了飛機(jī)蒙皮復(fù)合材料層合板在激光除漆下的熱損傷,分析了激光作用下材料的損傷機(jī)理。2017年,Han[4]等人在燒蝕形貌的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,研究了波長(zhǎng)為1064 nm多脈沖激光對(duì)鋁合金基板的脫漆參數(shù)。國內(nèi)基礎(chǔ)研究方面,2005年,中國科學(xué)院電子研究所的鄭光[5]對(duì)TEA CO2激光器應(yīng)用于飛機(jī)金屬蒙皮除漆進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,結(jié)果表明TEA CO2激光除漆不會(huì)給飛機(jī)帶來安全隱患。2008年,國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)穆景陽[6]等人研究了長(zhǎng)脈沖激光輻照下對(duì)復(fù)合材料的熱燒蝕規(guī)律。2012年,同濟(jì)大學(xué)賀鵬飛[7]等人運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)復(fù)合材料溫度場(chǎng),熱應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了激光參數(shù)對(duì)復(fù)合材料燒蝕的影響。2017年,陜西飛機(jī)工業(yè)有限公司胡久[8]等人通過對(duì)比激光除漆與溶劑除漆對(duì)飛機(jī)蒙皮零件的性能影響,驗(yàn)證了激光除漆生產(chǎn)應(yīng)用的可行性。2018年,中國工程物理研究院蔣一嵐[9]等人利用高重復(fù)頻率 CO2激光器對(duì)飛機(jī)蒙皮上的 90 μm 厚的雙層復(fù)合油漆層進(jìn)行去除研究,表明激光除漆完全不會(huì)損傷基底。國內(nèi)的工作主要探討激光除漆效果及除漆后基體材料的損傷程度,而激光除漆過程中產(chǎn)生的熱影響,熱損傷等問題卻研究甚少,同時(shí)未針對(duì)民機(jī)蒙皮除漆的行業(yè)現(xiàn)狀和需求,即效果-效率-成本-技術(shù)驗(yàn)證-一體化解決方案-設(shè)備這一總體技術(shù)路線來開展。

論文采用納秒級(jí)光纖脈沖激光進(jìn)行激光除漆后的熱影響研究。光纖激光可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離柔性傳輸,而短脈沖可有效降低單脈沖能量,從而充分利用激光平均功率,提升除漆效率。采用紅外熱像儀(非接觸式)結(jié)合溫度無紙記錄儀(接觸式)監(jiān)測(cè)除漆時(shí)漆層和基體的反應(yīng)溫度,通過掃描電子顯微鏡對(duì)除漆后基體微觀形貌進(jìn)行表征,涂層測(cè)厚儀測(cè)量除漆前后金屬基體表面氧化層的變化,研究鋁合金漆層激光除漆時(shí)的熱影響,獲得激光除漆時(shí)鋁合金溫度分布及除漆效果和氧化層變化的定量描述,分析了激光除漆時(shí)的作用機(jī)理,為研究飛機(jī)鋁合金蒙皮激光除漆時(shí)的熱影響提供了重要參考。

2 除漆機(jī)理分析

激光除漆過程中激光作用于漆層符合激光燒蝕,光-力學(xué)機(jī)理[10],較高的激光能量密度使面漆層溫度急速升高,在脈沖激光輻照下,熱量在面漆層積聚,表面溫度迅速上升,達(dá)到油漆的熔點(diǎn)、沸點(diǎn),導(dǎo)致漆層瞬間氣化且該過程中產(chǎn)生大量白色刺鼻煙霧。

對(duì)于高斯型光束,光束中心升高溫度Ts可以近似按以下公式計(jì)算[11]:

(1)

式中,F為平均激光功率密度;K為熱傳導(dǎo)率;α是熱擴(kuò)散率;R為材料對(duì)激光的反射率;(1-R)為材料表面對(duì)激光的吸收率;t為脈寬;α的典型值是10-2cm2/s,油漆為絕熱材料,熱導(dǎo)率低。假設(shè)油漆層表面對(duì)激光的吸收率為1,K=0.5 W·m-1·K-1,通過公式(1)計(jì)算分別計(jì)算3組試驗(yàn),Ts1≈616.81 ℃,Ts2≈1233.62 ℃,Ts3≈1850.43 ℃,該溫度已足夠使漆層氣化。

2024-T3鋁合金對(duì)1064 nm紅外光纖激光的吸收率在20 %左右[12],由于脈沖激光作用時(shí)間極短,當(dāng)油漆層被激光去除之后,后續(xù)激光輻照在基體表面并不會(huì)引起基體的溫度升高很多,除此之外,2024-T3鋁合金本身的熱導(dǎo)率很高,達(dá)到了193 W·m-1·K-1[13],所以激光作用結(jié)束之后,金屬基體能迅速散溫冷卻至室溫。

此外,激光燒蝕過程中產(chǎn)生的高壓可按以下公式計(jì)算[14]:

Pa=bI0.7λ-0.3τ-0.15

(2)

式中,Pa為沖擊壓強(qiáng),b為材料系數(shù)(例如銅為3.9,碳?xì)滏I材料為6.5);I為激光功率密度;λ為激光波長(zhǎng);τ為脈寬。假設(shè)鋁合金系數(shù)取5,由該公式可以知道激光燒蝕過程中沖擊壓力隨激光能量的變化規(guī)律。當(dāng)脈寬為200 ns時(shí),對(duì)于激光能量密度為12.22 J/cm2的激光束,其激光功率密度約為1.222×103kW/cm2,產(chǎn)生的沖擊壓力約為2.83 GPa(2.83×109Pa)。圖1由MATLAB軟件生成,可以看出,沖擊波的最大壓力在激光束的中心,沿徑向減小。在激光束半徑內(nèi),壓力可達(dá)幾個(gè)GPa。在高壓沖擊波沖擊下,燒蝕漆層的混合物完全可以被去除。

圖1 高斯光束的空間壓力分布

3 材料與方法

3.1 材料與噴漆

2024 T-3鋁合金板,表面陽極化處理,尺寸為15 cm×15 cm×1 mm,上海寶夕鋁業(yè)集團(tuán)； EPOXY 300環(huán)氧磷酸鋅雙組份防銹底漆； PolaneT聚氨酯紅色面漆,美國宣偉涂料(中國)有限公司。

采用靜電噴槍高壓空氣噴涂,噴槍型號(hào)為Xp60,美國固瑞克公司,保證最小壓強(qiáng)15 MPa以上均勻噴涂至2024 T-3鋁合金上,噴漆區(qū)域大小為9 cm×9 cm×50 μm(如圖2(b)所示)。其中底漆厚度20 μm,面漆厚度30 μm。

圖2 2024-T3鋁合金表面噴漆

3.2 激光除漆工藝及參數(shù)

圖3為激光除漆工藝示意圖。采用1064 nm紅外光纖激光器,最大平均功率P為120 W。通過機(jī)械臂聯(lián)結(jié),輸出光斑直徑d為50 μm的高斯圓光斑。激光頻率F為100 kHz,脈寬τ為200 ns,掃描速度v為1000 mm/s,掃描間距s為30 μm。通過調(diào)整不同激光功率,形成不同的激光能量密度對(duì)鋁合金樣品漆層進(jìn)行去除。

圖3 激光除漆工藝示意圖

為了量化激光能量分布,將激光能量密度定義為單脈沖能量在光斑面積上的能量分布[15],即:

(3)

式中,ED為激光能量密度,單位為J/cm2；P為激光功率；F為激光頻率；d為光斑直徑。表1為試驗(yàn)具體參數(shù)。

表1 各組試驗(yàn)的具體參數(shù)

3.3 測(cè)試與分析方法

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)不同除漆樣品的表面微觀形貌進(jìn)行表征,以分析不同除漆程度時(shí)表面形貌的變化差異,有助于分析除漆效果。SEM設(shè)備為SS-60-ST型臺(tái)式掃描電鏡,測(cè)試加速電壓5 kV,測(cè)試環(huán)境為真空。

采用紅外熱像儀(非接觸式)記錄不同激光能量密度除漆時(shí)的基體反應(yīng)溫度,分析漆層激光除漆時(shí)的熱影響。紅外熱像儀型號(hào)為Ti401-Pro,溫度量程為-20 ℃至1500 ℃；溫度精度為±2 ℃或2 %；美國FLUKE公司。

采用便攜式涂層測(cè)厚儀對(duì)除漆后漆層及金屬表面氧化層厚度變化進(jìn)行測(cè)量,以分析除漆效果及金屬損傷程度。測(cè)厚儀型號(hào)為Positector 6000；美國DeFelsko公司。圖4為熱電偶粘貼示意圖和金屬氧化層測(cè)量位置示意圖。

圖4 熱電偶粘貼示意圖和金屬氧化層測(cè)量位置示意圖

采用熱電偶-溫度無紙記錄儀(接觸式)記錄激光除漆時(shí)金屬基體溫度,有助于分析激光除漆時(shí)的金屬傳熱溫度。熱電偶粘貼于待除漆區(qū)域背面中心處,溫度無紙記錄儀型號(hào)為SIN-R9600G,杭州聯(lián)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)有限公司。

4 結(jié)果與討論

4.1 SEM測(cè)試

圖5為2024-T3鋁合金涂層激光除漆后的SEM照片,(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為不同激光能量密度處理后的除漆結(jié)果,圖中序號(hào)對(duì)應(yīng)表1中序號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果表明,除漆效果受到激光能量密度,激光功率因素的影響。

(a)ED=3.05 J/cm2

激光能量密度為3.05 J/cm2時(shí),對(duì)比原始面漆層,漆層開始出現(xiàn)剝離,同時(shí)部分底漆可見,在除漆過程中開始出現(xiàn)白色煙霧,沒有明火。

激光能量密度為5.11 J/cm2時(shí),面漆層清除較為徹底,氧化層表面條狀紋理顯露,但是底漆殘留較多,附著于氧化層表面,試驗(yàn)過程中白色煙霧明顯增加。

激光能量密度為6.12 J/cm2時(shí),由于激光功率和能量密度的增加,第一次掃描后面漆部分清除,底漆顯露,由于熱積累效應(yīng),樣品表面溫度不斷升高,直到第4次掃描后便將灰色底漆完全清除,對(duì)比原始漆層圖片,漆層去除較為徹底,表面無塊狀灰色底漆殘留。對(duì)比原始氧化層,除漆后表面平整度較好,金屬基底損傷不明顯,同時(shí)試驗(yàn)過程中不產(chǎn)生明火,說明除漆效果較好。

激光能量密度為12.22 J/cm2時(shí),除漆過程中產(chǎn)生大量刺鼻白色煙霧,除漆后樣品表面出現(xiàn)碳化的黑色粉末物質(zhì),該物質(zhì)質(zhì)地松軟,且易于擦去,擦去后露出金屬基體,氧化層表面損傷嚴(yán)重,條狀紋理已被刻蝕。

激光能量密度為18.34 J/cm2時(shí),可以明顯看到,光束直徑d=50 μm,掃描間距s=30 μm,符合設(shè)置的工藝參數(shù)。漆層清除徹底,但基體陽極氧化層明顯發(fā)白(如圖5(e)),基體表面氧化層已被破壞,且基底已損傷,除漆過程中能觀察到明火,除漆后激光掃描路徑痕跡明顯。

由圖6可知,當(dāng)激光能量密度達(dá)到6.12 J/cm2時(shí),漆層清除較為徹底,漆層厚度只剩下0.9 μm,已完全達(dá)到除漆的要求,繼續(xù)增大激光能量密度,漆層完全被清除,但鋁合金表面氧化層及基體受到不同程度的損傷。

圖6 不同激光能量密度處理之后的漆層厚度變化

起初激光束不能直接透過面漆層和底漆層輻照至鋁合金表面,隨著激光能量密度逐漸增大,漆層逐層脫落,厚度不斷減薄。所以,通過選擇合適的激光除漆參數(shù),能夠?qū)⒈砻嬗推釋油耆コ也粨p傷基體。圖7(a)、(b)為原始面漆層及未涂漆樣品表面。

(a)原始面漆層

4.2 紅外熱成像分析

選擇可以完全去除漆層的激光參數(shù)進(jìn)行紅外熱成像分析,圖8為紅外熱成像測(cè)試結(jié)果,(a)、(b)、(c)分別是激光能量密度為6.12 J/cm2、12.22 J/cm2、18.34 J/cm2的紅外熱成像分析。

(a)ED=6.12 J/cm2

紅外熱成像結(jié)果表明,在整個(gè)激光除漆過程中,鋁合金基體表面溫度升溫最大不超過68.54 ℃,在激光能量密度增加的過程中,除漆區(qū)域平均溫度有略微增加,在除漆過程中漆層邊緣溫度高于平均溫度。不同激光能量密度處理后基體溫度變化如表2所示。

表2 不同激光能量密度處理后基體溫度變化

4.3 溫度無紙記錄及氧化層測(cè)定

本次接觸式溫度測(cè)試采用溫度無紙記錄儀,熱電偶粘貼于除漆區(qū)域背面中心處。圖9為熱電偶溫度變化曲線。激光除漆時(shí)間共為180 s,在180 s時(shí)達(dá)到最高溫度,最高溫度分別為42.2 ℃、37.2 ℃、32.4 ℃。

圖9 不同激光能量密度除漆后金屬基底溫度變化

在激光除漆后,選擇激光能量密度為6.12 J/cm2的樣本進(jìn)行氧化層厚度測(cè)定,分別測(cè)量樣本邊界4點(diǎn)及中部位置的氧化層厚度,對(duì)比除漆前氧化層測(cè)定結(jié)果,發(fā)現(xiàn)氧化層厚度較原始樣本有略微降低。測(cè)定結(jié)果如圖10所示。

圖10 ED=6.12 J/cm2除漆前后氧化層不同測(cè)量點(diǎn)測(cè)定結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)采用掃描電子顯微鏡,對(duì)除漆后基體微觀形貌進(jìn)行表征,說明采用激光能量密度為6.12 J/cm2的光纖激光對(duì)2024-T3鋁合金待除漆樣本進(jìn)行清除,可以去除漆層的同時(shí)不造成基體損傷。

(2)采用合適的激光參數(shù),同時(shí)采用紅外熱成像和熱電偶完成除漆時(shí)漆層及基體的溫度監(jiān)控,激光除漆過程中產(chǎn)生最高溫度為49.11 ℃,熱積累溫度未產(chǎn)生熱損傷。

(3)采用涂層測(cè)厚儀對(duì)樣本漆層及氧化層厚度進(jìn)行表征。除漆后鋁合金氧化層厚度較未除漆樣本有略微降低。

(4)試驗(yàn)結(jié)果符合激光燒蝕、光-力學(xué)作用機(jī)理,激光除漆未造成鋁合金基體溫度過高,激光除漆工藝可行。