朱映瑞　朱明　石玗　張虎龍　樊丁

摘要：針對(duì)激光除漆過程中離焦量的變化會(huì)對(duì)漆層去除機(jī)理產(chǎn)生影響的問題，設(shè)計(jì)了高速攝像光學(xué)濾光放大系統(tǒng)拍攝不同離焦量下的漆層去除動(dòng)態(tài)過程，采用掃描電子顯微鏡拍攝不同離焦量下激光去除后漆層表面形貌，通過高速攝像動(dòng)態(tài)過程和掃描電子顯微鏡微觀形貌分析相結(jié)合的方法研究了不同離焦量條件下漆層去除機(jī)理的差異。結(jié)果表明：離焦量為0 mm時(shí)，漆層主要通過熱應(yīng)力、熔化、氣體沖擊三種方式去除;離焦量為±4 mm時(shí)，漆層主要通過熱應(yīng)力和熔化蒸發(fā)去除。

關(guān)鍵詞：離焦量;金屬漆;熱應(yīng)力;熔化;氣體沖擊

中圖分類號(hào)：V261.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）01-0029-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.04

0 前言

鋁合金具有高比強(qiáng)度和良好的加工性能，在航空、航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是，鋁合金在服役過程中會(huì)受到酸堿介質(zhì)的腐蝕或者表面出現(xiàn)劃擦，因此，在基體表面經(jīng)常涂有漆層進(jìn)行防護(hù)。金屬漆是近些年在表面防護(hù)漆層中應(yīng)用較為廣泛的、成熟的油漆，但其在服役一定周期后表面會(huì)出現(xiàn)老化、受損，所以漆層需要定期清洗并重新進(jìn)行涂裝，目前，漆層清洗的方法主要包括有機(jī)溶劑清洗和機(jī)械清洗。雖然工藝流程簡單，但是大量有機(jī)溶劑會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)嚴(yán)重威脅工人身體健康;機(jī)械去除則會(huì)對(duì)基材表面造成嚴(yán)重?fù)p傷，且無法保證去除質(zhì)量。

激光清洗是一種新型表面清洗技術(shù)，具有環(huán)境污染小、可達(dá)性好、可控性高、用途廣泛、適應(yīng)性好、非接觸性等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)研究也取得了一定進(jìn)展，并且在光學(xué)元件、建筑物、輪胎模具、工藝品、雕塑等的清洗中有典型的應(yīng)用[1-5]。目前，國內(nèi)外對(duì)激光除漆的研究主要集中在不同激光器去除漆層的機(jī)理，但是尚未提出完善的除漆工藝流程，去除過程主要依靠工人經(jīng)驗(yàn)和大量試驗(yàn)，很大程度降低了工作效率。究其原因是對(duì)激光除漆機(jī)理研究不夠完善。Brygo[6-7]等研究發(fā)現(xiàn)，紫外激光器去除漆層主要通過激光光子直接“切斷”高分子內(nèi)部的化學(xué)鍵，除漆過程熱作用較小。Yuvraj[8-10]等研究發(fā)現(xiàn)，紅外激光器去除漆層主要通過光子被漆層吸收后的光熱轉(zhuǎn)換作用使得漆層發(fā)生燃燒、蒸發(fā)，甚至形成等離子體沖擊波?；闹饕浅徇^程中產(chǎn)生等離子沖擊波沖擊形成凹坑和表面發(fā)生熔化兩種損傷方式。G X Chen[11-12]等研究發(fā)現(xiàn)，CO2激光器主要是通過燃燒、碳化去除漆層，在去除過程中熱作用非常明顯，基材表面主要出現(xiàn)熔化損傷。針對(duì)激光除漆過程中離焦量變化對(duì)漆層去除機(jī)理影響較大的問題，提出采用高速攝像與掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）相結(jié)合的方法，研究金屬漆在不同激光離焦量條件下的去除機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

基材選用2024鋁合金，試樣尺寸20 mm×20 mm×1 mm。漆層選用環(huán)氧底漆匹配氟碳金屬面漆，漆層總厚度200 μm。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

選用HY-TS20A脈沖激光器，波長1 064 nm，最小聚焦光斑直徑30 μm，焦距210 mm，光源類型為高斯光源，光束傳輸因子M2≤1.3，激光最大平均功率20 W。掃描電子顯微鏡選用Quanta-450 FEG （Scanning Electron Microscopy， SEM）。高速攝像光學(xué)濾光放大系統(tǒng)由高速攝像拍攝系統(tǒng)Olympus i-Speed 3高速攝像機(jī)，工業(yè)顯微鏡高清鏡頭、中心波長532 μm，帶寬±10 nm的窄帶濾光片和HSX-F300氙燈光源組成，用于拍攝不同離焦量條件下漆層的去除過程。高速攝像采樣率為4 000 fps，激光平均功率20 W，脈沖寬度300 ns，脈沖頻率30 kHz，離焦量分別為：-4 mm、0 mm、+4 mm。采用AvaSpec-ULS3648-10-usb2多通道光纖光譜儀檢測激光除漆過程中產(chǎn)生的等離子體。

2 結(jié)果與討論

2.1 離焦量為0 mm時(shí)漆層去除機(jī)理

離焦量為0 mm時(shí)漆層去除方式主要有熱應(yīng)力去除、熔化去除、氣體沖擊去除。漆層熱應(yīng)力去除的SEM圖片如圖1a所示，熔化去除的SEM圖片如圖1b所示，氣體沖擊去除過程主要通過高速攝像視頻觀察分析得到，通過高速攝像拍攝的激光作用后漆層出現(xiàn)沖擊去除的過程如圖2所示。

離焦量為0 mm時(shí)漆層去除機(jī)理：激光作用于漆層首先出現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換，溫度會(huì)向周圍擴(kuò)散，因此在漆層表面厚度方向和水平方向產(chǎn)生溫度梯度，使得漆層中存在熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力大于漆層撕裂強(qiáng)度后，漆層出現(xiàn)熱應(yīng)力去除現(xiàn)象。隨著激光作用次數(shù)的增加，光熱轉(zhuǎn)換后溫度升高，溫度高于漆層熔點(diǎn)時(shí)漆層出現(xiàn)熔化去除現(xiàn)象。上述熱應(yīng)力去除和熔化去除過程中激光尚未作用到漆層與鋁基材界面。當(dāng)漆層去除到達(dá)界面附近時(shí)，漆層去除機(jī)理發(fā)生變化，出現(xiàn)氣體沖擊去除現(xiàn)象，原因如下：在界面附近，激光作用于漆層后漆層溫度會(huì)急劇升高[9，13]，漆層出現(xiàn)劇烈燃燒、氣化現(xiàn)象，在極短時(shí)間（離焦量為0 mm時(shí)，漆層去除過程約0.02 s）和很小體積內(nèi)燃燒、氣化現(xiàn)象導(dǎo)致漆層出現(xiàn)沖擊去除現(xiàn)象，高速攝像拍攝到的氣體沖擊現(xiàn)象如圖2b、2c所示，通過光譜儀測量沖擊去除過程中未出現(xiàn)等離子體，蝕坑周圍形成的油漆堆積物的SEM如圖1c所示。

2.2 離焦量為+4 mm時(shí)漆層去除機(jī)理

離焦量為+4 mm時(shí)漆層去除方式主要為熱應(yīng)力去除和熔化蒸發(fā)去除。熱應(yīng)力去除的SEM圖如圖3a所示，熔化蒸發(fā)去除的SEM圖片如圖3b、3c所示。熔化去除過程的高速攝像圖片如圖4所示，可以觀察到圖4b、4c中漆層熔化后形成的球形隆起與圖3b中的隆起完全吻合，同時(shí)熔化油漆出現(xiàn)劇烈的蒸發(fā)現(xiàn)象。

離焦量為+4 mm時(shí)，出現(xiàn)熱應(yīng)力去除機(jī)理與離焦量為0 mm時(shí)相同。出現(xiàn)穩(wěn)定的熔化、蒸發(fā)去除現(xiàn)象的原因分析如下：離焦量為+4 mm時(shí)，激光斑點(diǎn)尺寸大于離焦量為0 mm時(shí)的激光斑點(diǎn)尺寸，約為300 μm，所以能量密度小于離焦量為0 mm時(shí)的，光熱轉(zhuǎn)換后的溫度要低于離焦量為0 mm時(shí)溫度，導(dǎo)致此時(shí)熔化蒸發(fā)現(xiàn)象較為緩慢，同時(shí)穩(wěn)定熔化現(xiàn)象可以從高速攝像視頻中得出結(jié)論（此過程持續(xù)約為0.5 s）。當(dāng)去除過程進(jìn)行到漆層與基體界面附近時(shí)溫度變化不明顯，燒蝕坑部尺寸遠(yuǎn)大于離焦量為0 mm時(shí)的尺寸，因此蒸發(fā)的油漆蒸汽不會(huì)出現(xiàn)被壓縮的過程，綜合幾方面因素，此時(shí)漆層未出現(xiàn)氣體沖擊去除過程。

2.3 離焦量為-4 mm時(shí)漆層去除機(jī)理

離焦量為-4 mm時(shí)漆層去除形式與離焦量為

+4 mm時(shí)相同，為熱應(yīng)力去除和熔化蒸發(fā)去除。熱應(yīng)力去除的SEM圖如圖5a所示，熔化蒸發(fā)去除的SEM圖片如圖5b、5c所示。高速攝像圖片如圖6所示，展示了漆層熔化蒸發(fā)去除的完整過程。圖6中白色橢圓所示區(qū)域?yàn)榧す庾饔煤蟀l(fā)生熔化產(chǎn)生蒸汽的區(qū)域，漆熔化后出現(xiàn)隆起，油漆蒸汽從熔化隆起區(qū)域向周圍擴(kuò)散。

分析離焦量為-4 mm時(shí)去除機(jī)理與離焦量為

+4 mm時(shí)相同的原因?yàn)椋焊鶕?jù)激光能量傳輸機(jī)理，由激光焦點(diǎn)向+4 mm處到-4 mm處激光能量密度先增大后減小，因此，在漆層厚度200 μm范圍內(nèi)激光能量密度變化趨勢不同，但是，在±4 mm焦距處激光能量相同，而在漆層厚度約為200 μm條件下，離焦量變化引起激光斑點(diǎn)變化對(duì)激光能量密度變化的影響可以忽略，所以在漆層去除過程中去除機(jī)理未出現(xiàn)明顯差異[14]。

3 結(jié)論

（1）離焦量為0 mm時(shí)，漆層主要通過熱應(yīng)力、熔化、氣體沖擊去除;離焦量為±4 mm時(shí)，漆層主要通過熱應(yīng)力和蒸發(fā)去除。

（2）激光除漆過程中，離焦量為0 mm時(shí)，漆層去除效率高，但是去除過程時(shí)間太短，過程較難控制，適合表層漆層去除過程;離焦量為±4 mm時(shí)，漆層去除過程穩(wěn)定，可控性高，適合界面附近漆層去除過程。

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