朱明，張豪，石坤，侯宵飛，石玗

(1.蘭州理工大學(xué),省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實驗室,蘭州,730050；2.蘭州理工大學(xué),有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)實驗室,蘭州,730050)

0 序言

2024 鋁合金具有出色的強(qiáng)度和耐腐蝕性，被廣泛用于飛機(jī)下翼面的蒙皮材料[1].目前，商用飛機(jī)的服役壽命通常為10～ 20 年，但蒙皮涂層卻需要在3～ 5 年后徹底去除并再次涂裝.以波音747 飛機(jī)為例，涂層的單次清除總重量為250～ 300 kg，面積近2000 m2，清洗時如果發(fā)生基材損傷，維修費(fèi)用將超過七百萬美元，這就對去除漆層的質(zhì)量與效率提出了很高的要求.目前，飛機(jī)漆層的去除工藝主要有機(jī)械摩擦去除與化學(xué)溶解去除，二者的工藝相對成熟，設(shè)備簡單易操作，但是機(jī)械摩擦去除易損傷基材，且工作效率偏低，化學(xué)溶解去除對人員與環(huán)境的危害較大，廢液二次處理成本很高，因此航空工業(yè)亟待開發(fā)無損、高效、綠色、自動化程度高的新型涂層去除技術(shù)[2-4].

激光清洗作為一種新型的熱作用去除方法，具有效率高、易實現(xiàn)自動化、成本低等優(yōu)勢[5-6]，已在能源化工、軌道交通等行業(yè)的清洗中得到了初步的應(yīng)用[7-10].現(xiàn)有研究也主要集中在激光熱源特性對不同體系材料的去除與破壞行為及如何通過工藝提高效率、減少損傷等方面[11-13].雷正龍等人[14]分別采用了CO2激光器和納秒脈沖激光器對鋁合金表面環(huán)氧漆進(jìn)行了清洗試驗，對比研究毫秒激光和納秒激光除漆機(jī)理，發(fā)現(xiàn)納秒激光除漆的主要機(jī)理為熱彈性振動機(jī)制，同時也有燒蝕去除.毫秒激光清洗的主要去除機(jī)理為燒蝕去除.此外，由于散熱作用的影響和作用機(jī)理的不同，兩種激光清洗的能量密度不同，毫秒激光能量密度為300 J/mm3，納秒激光能量密度為5 J/mm3，毫秒遠(yuǎn)高于納秒能量密度.Jasim 等人[15]利用納米脈沖光纖激光器清洗5005A 鋁合金表面20 μm 厚的高透明環(huán)氧漆，研究了光斑重疊率和激光脈沖頻率對清洗效果的影響，結(jié)果表明，光斑重疊率越高，激光掃描后漆層的粗糙度越小，當(dāng)光斑重疊率為50%時，漆層被完全去除，更大的重疊率激光導(dǎo)致鋁合金基材表面重鑄.此外，鋁合金表面環(huán)氧漆最佳去除效果對應(yīng)的油漆去除率11.7 cm2/min，除漆效率為2.9 cm3/(min·kW).Zhu 等人[16]利用中功率高能激光二極管泵浦脈沖固態(tài)激光清洗設(shè)備去除波音系列飛機(jī)蒙皮表面的BMS10-11 底漆，當(dāng)激光能量密度為5 J/cm2時，清洗效果最好，飛機(jī)蒙皮表面和鉚釘孔的耐磨性能不會降低，表面硬度增加，但塑性變形使得殘余應(yīng)力增加，影響部件穩(wěn)定性.此外，激光清洗不會削減蒙皮的抗腐蝕性.雖然激光清洗的研究已初步成體系，但在飛機(jī)漆層去除領(lǐng)域，受到漆層去除精度與基材無損的嚴(yán)苛要求，相關(guān)研究仍不完善.激光連續(xù)、多次清洗時，由于漆層表面狀態(tài)不斷變化造成其對激光的熱吸收效率動態(tài)增加，采用平整表面狀態(tài)下獲得的靜態(tài)激光工藝參數(shù)，在連續(xù)去除漆層過程中會發(fā)生熱輸入過量、燒損基材的問題，是限制激光清洗技術(shù)在航空航天領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展、應(yīng)用的重要原因之一.為此，針對激光清洗漆層過程中漆層表面出現(xiàn)粗糙程度的動態(tài)演化行為，利用高速攝像、掃描電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡等采集激光除漆過程圖片，分析漆層粗糙表面的產(chǎn)生，研究動態(tài)演化過程.建立粗糙表面變化時漆層對激光熱吸收作用的解析模型，為清洗漆層過程中動態(tài)調(diào)整激光參數(shù)提供理論依據(jù)與預(yù)測.

1 試驗方法

在試驗中，選用2024 鋁合金作為基材，試樣尺寸為30 mm × 30 mm × 1 mm.使用XF-Y50 型環(huán)氧底漆和XH-B70 型氟碳鋁粉面漆，總厚度為120 μm.

試驗系 統(tǒng)如圖1 所 示.HY-TS20A 型Nd：YAG 脈沖激光器用于去除油漆.脈沖激光束是波長為1064 nm，激光最小光斑直徑為30 μm，最大平均功率為20 W 的高斯光束.激光脈沖寬度在1～350 ns 范圍內(nèi)可調(diào)，脈沖頻率在10～ 2000 kHz 范圍內(nèi)可調(diào)，焦距為210 mm.激光掃描路徑可由計算機(jī)軟件(EzCad2.14.11) 控制.試驗選用的掃描速度為500 mm/s，激光光斑直徑為30 μm，脈沖頻率為30 kHz，激光作用路徑如圖2 所示，掃描線間距為20 μm.利用VEO 410L 型高速攝像機(jī)動態(tài)采集激光除漆過程，Quanta-450FEG 型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)用于分析漆層表面宏觀形貌，并使用其配置的X 射線能譜儀(energy dispersive,EDS)檢測漆層表面化學(xué)元素的分布和含量；LSM800 型共聚焦顯微鏡用于獲得表面形貌，從而計算表面粗糙度.表面粗糙度的表征通常使用兩個重要的參數(shù)來完成，即輪廓的算術(shù)平均偏差(Ra)和表面的算術(shù)平均高度(Sa)，這兩個參數(shù)由激光共聚焦顯微鏡軟件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)算法獲得.

圖1 激光去除飛機(jī)蒙皮漆層的試驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system for laser removal of aircraft skin paint

圖2 激光掃描路徑示意圖Fig.2 Schematic diagram of the laser scanning path

式中：Ux為激光光斑沿掃描方向的重疊率；Uy為激光光斑垂直于掃描方向的重疊率；D為激光光斑直徑；v為激光掃描速度；f為激光脈沖頻率；Ly為掃描線間距.

根據(jù)式(1)、式(2)計算得激光光斑沿掃描方向的重疊率Ux為44.4%，垂直于掃描方向的重疊率Uy為33.3%.

2 激光除漆過程中粗糙表面的形成機(jī)理與演化

2.1 漆層粗糙表面的形成機(jī)理

激光除漆過程中漆層在激光作用下會產(chǎn)生粗糙表面.漆層粗糙表面的形成與激光除漆過程中燒蝕去除機(jī)理和振動去除機(jī)理有直接關(guān)系.因此，需要分析不同去除機(jī)理下粗糙表面的形成.

2.1.1 燒蝕去除機(jī)理對漆層粗糙表面形成的影響

首先，分析了熱燒蝕作用對漆層表面狀態(tài)的影響.試驗過程采用表1 中第1 組的激光工藝參數(shù)，試驗結(jié)果如圖3 所示.可以看出漆層在激光作用前相對平整，當(dāng)激光作用到漆層后，漆層出現(xiàn)沸騰噴濺現(xiàn)象，并伴隨著大量煙塵的產(chǎn)生，激光作用結(jié)束后，在激光作用區(qū)域漆層出現(xiàn)粗糙表面,其宏觀形貌如圖4 所示.

表1 3 種激光工藝參數(shù)Table 1 Three laser process parameters

圖3 燒蝕去除機(jī)理除漆過程Fig.3 Paint layer ablation removal process.(a) original surface of the paint layer;(b) paint layer boils and produce smoke;(c) boiling paint layer splashes outward;(d) rough surface of the area is formed

圖4 燒蝕去除機(jī)理除漆后SEM圖Fig.4 SEM image of paint layer after ablation removal

從圖4 中可以看出，漆層在燒蝕去除后激光作用區(qū)域漆層出現(xiàn)凸起和凹坑，并在激光作用周圍出現(xiàn)大量顆粒狀噴濺產(chǎn)物.燒蝕去除過程分析為，激光照射漆層發(fā)生光熱轉(zhuǎn)化[17]，使漆層溫度升高，漆層被迅速加熱軟化，形成具有延展性的粘流態(tài)，從而使得漆層高分子鏈段之間的結(jié)合力降低，漆層表面達(dá)到0.9Ttc(Ttc 為熱力學(xué)臨界溫度)，導(dǎo)致氣泡均勻形核.漆層從過熱的液體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝推胶庖旱蔚幕旌衔?整個過程被稱為相爆炸，使得粘流態(tài)油漆向外噴濺[18].定義比能量(Es)為去除單位體積漆層所需激光能量，即

式中：P為激光功率；d為燒蝕寬度；t為燒蝕深度.

通過激光共聚焦顯微鏡測量了激光線掃后漆層燒蝕的寬度和深度，通過式(3) 計算比能量為10.64 J/mm3.Madhukar 等人[19]給出了比能量與輸入的熱量、溫度變化之間的關(guān)系，為

式中：ρ為漆層的密度；Cp為漆層的比熱容；ΔT為漆層溫度的升高值；Lc為輸入的熱量.

朱映瑞[20]研究了合金基體表面漆層激光清除機(jī)理，結(jié)果表明，氟碳金屬漆的比熱容為2300 J/(kg?K)，密度為1300 kg/m3.依據(jù)參考文獻(xiàn)[21-23]可知不同有機(jī)聚合物的氣化熱范圍為1.6～ 3.78 kJ/g.通過式(4) 計算得知漆層溫度的升高值在1440～2388 K 之間.當(dāng)燒蝕過程結(jié)束后油漆不能恢復(fù)原來的狀態(tài)從而凝固形成粗糙表面.為研究漆層在激光作用下的化學(xué)變化，利用能譜分析儀分別對圖4 中所示的3 個點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5 所示.發(fā)現(xiàn)激光燒蝕區(qū)域和噴濺產(chǎn)物的氧元素的原子分?jǐn)?shù)從原來的12.77% 分別增加到22.47%和20.47%.可見漆層在激光作用下燃燒，燃燒產(chǎn)生的煙霧如圖3(b)所示.燃燒使得漆層氧化，因而漆層的氧含量增加.剩余漆層的粗糙狀態(tài)變化劇烈，對于常規(guī)厚度的漆層，采用熱燒蝕作用去除時極易在單次作用后就損傷母材，因此采用較低功率的激光多次清洗漆層.

圖5 漆層燒蝕去除后的EDS 分析Fig.5 EDS analysis after ablation removal of paint layer.(a) original paint layer (spot 1);(b) splash product (spot 2);(c) laser ablation area (spot 3)

2.1.2 振動去除機(jī)理對漆層粗糙表面形成的影響

受激光直接作用的表面漆層與未受激光直接作用的深層漆層溫度升高不同，在熱膨脹系數(shù)相同的情況下產(chǎn)生了不同程度的膨脹，漆層內(nèi)部產(chǎn)生較大的分離應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力足以克服不同部分漆層間結(jié)合力時漆層就會撕裂，將這種去除機(jī)理定義為熱應(yīng)力振動去除，這種去除機(jī)理下將會產(chǎn)生應(yīng)力撕裂.此外，激光照射漆層時產(chǎn)生等離子體，等離子體的迅速膨脹對漆層產(chǎn)生反作用力也是這種應(yīng)力的來源[17].為研究振動去除過程對漆層粗糙表面形成的影響，采用表1 中第2 組激光工藝參數(shù)進(jìn)行試驗，這組激光工藝參數(shù)由于功率較高，加熱速度快，因此更有利于振動去除的產(chǎn)生.試驗結(jié)果如圖6 所示.可以看到漆層在激光作用下出現(xiàn)應(yīng)力撕裂現(xiàn)象，因此判定其出現(xiàn)了振動去除，隨著激光繼續(xù)作用漆層產(chǎn)生開裂飛濺，最終在激光作用區(qū)域漆層形成粗糙表面.

圖6 漆層振動去除過程Fig.6 Paint layer vibration removal process.(a) original surface of the paint layer;(b) paint layer begins to remove under the action of the laser;(c) paint layer cracks under thermal stress;(d) cracked paint layer splashes outward under the action of thermal stress

圖7 是激光除漆過程中出現(xiàn)振動去除后，掃描電鏡下的漆層表面宏觀形貌，從圖中可以看到漆層在激光作用后出現(xiàn)開裂，在激光作用區(qū)域出現(xiàn)漆層飛濺產(chǎn)物，漆層出現(xiàn)粗糙表面.激光除漆時振動去除過程分析為，由于漆層內(nèi)部高分子鏈段不完全規(guī)整，存在分離異物、微孔洞等缺陷，當(dāng)脈沖激光作用到漆層時，這些缺陷會導(dǎo)致漆層出現(xiàn)區(qū)域性應(yīng)力集中而使漆層發(fā)生開裂，隨著激光繼續(xù)作用，在漆層與鋁合金基體之間產(chǎn)生較大的應(yīng)力梯度，從而產(chǎn)生振動波，即熱彈性應(yīng)力，當(dāng)熱彈性應(yīng)力大于漆層與基材的結(jié)合力時，漆層開裂飛濺，最終在激光作用區(qū)域形成明顯的粗糙表面.振動去除后漆層EDS 點(diǎn)分析如圖8 所示，飛濺產(chǎn)物的氧元素原子分?jǐn)?shù)為14.45%，激光作用區(qū)域氧元素原子分?jǐn)?shù)為13.56%，與原始漆層的12.77% 相比較變化不大，這說明漆層在振動去除過程中并未發(fā)生燃燒.

圖7 振動去除機(jī)理除漆后宏觀形貌Fig.7 Macroscopic morphology of paint layer after vibration removal

圖8 漆層震動去除后的EDS 分析Fig.8 EDS analysis after vibration removal of paint layer.(a) splash products(spot 2);(b) laser action area(spot 1)

圖9 為原始漆層和激光作用后漆層的三維形貌，通過對比可以看到，漆層原始表面形貌較為平整，無明顯凹凸區(qū)域，而且此時漆層表面粗糙度只有0.964 μm，而在激光作用后漆層表面形貌出現(xiàn)明顯凹坑凸起，表面粗糙度增加到11.9 μm.進(jìn)一步證明激光除漆過程中漆層在激光作用下表面會變得粗糙.

圖9 漆層三維形貌圖Fig.9 3D topography of paint layer.(a) original paint layer;(b) paint layer after laser action

2.2 漆層粗糙表面的演化規(guī)律

激光除漆過程是多次分層去除過程，很難采用大功率激光一次去除漆層而保證基材無損，而激光除漆過程中漆層會出現(xiàn)粗糙表面，粗糙表面的演化規(guī)律將直接影響除漆效果.

為了研究激光除漆過程中漆層粗糙程度演化規(guī)律，采用表1 中第3 組激光工藝參數(shù)進(jìn)行6 組試驗，激光作用12 次后的SEM 宏觀形貌和EDS 圖如圖10 所示，對鋁面掃結(jié)果如圖10(b)所示，鋁元素較多的區(qū)域證明基材裸露.根據(jù)前文的分析，由于表1 中第3 組低于第1 組激光工藝參數(shù)的激光功率，因此判斷其去除機(jī)理主要為燒蝕去除.試驗結(jié)果如圖11 所示，試樣3 的粗糙度與其他組相比存在較大差異，這可能是由于漆層的不均勻性.特別是在噴漆過程中，可能有氣體被參雜進(jìn)漆層內(nèi)部.這種參雜的氣體會影響漆層的厚度和粗糙度，從而導(dǎo)致試樣3 在激光掃描7 次后粗糙度大于其他試樣.對6 組試驗結(jié)果求均值得到圖12 所示的漆層均值粗糙度變化規(guī)律，從圖中可以看到激光除漆過程中漆層表面粗糙度隨著激光作用次數(shù)的增加而增大，當(dāng)激光作用12 次后漆層表面粗糙度已經(jīng)達(dá)到43.67 μm，與原始漆層表面粗糙度相比有很大的變化.圖13 為激光作用12 次后部分區(qū)域漆層已經(jīng)接近基材，而部分區(qū)域漆層還未被去除，漆層表面凹凸不平，粗糙度較大.此時如果繼續(xù)采用先前所用激光參數(shù)作用，將導(dǎo)致接近基材區(qū)域漆層吸收過多能量被優(yōu)先去除并對基材造成損傷.

圖10 12 次激光作用后的SEM 與EDS 圖像Fig.10 SEM and EDS images after 12 laser actions.(a)SEM image;(b) EDS image

圖11 激光除漆過程表面粗糙度的算術(shù)平均高度變化規(guī)律Fig.11 Variation regular of paint layer roughness during laser paint removal

圖12 激光除漆過程表面粗糙度的算術(shù)平均高度變化規(guī)律Fig.12 Variation regular of average roughness of paint layer during laser paint removal

圖13 激光作用12 次后漆層表面三維形貌Fig.13 3D morphology of the paint layer surface after 12 laser actions

圖14 為激光除漆過程中漆層表面粗糙度對于激光能量吸收的影響，漆層在激光首次作用后表面粗糙度變大，激光下一次作用時，由于漆層表面粗糙程度增加導(dǎo)致激光在粗糙漆層出現(xiàn)多次反射吸收現(xiàn)象，隨著激光多次作用，漆層表面越來越粗糙，激光在漆層多次反射吸收現(xiàn)象更加明顯，使得漆層吸收激光能量變大，從而使漆層的表面溫度過高而燃燒，當(dāng)這種高溫燃燒現(xiàn)象發(fā)生在近基材表面時，將嚴(yán)重?fù)p傷基材，如圖15 所示.圖15(a)為鋁合金表面產(chǎn)生燒蝕坑，EDS 對鋁元素和氧元素的分析如圖15(b)，15(c) 所示，通過對比原始鋁合金基材表面EDS 分析發(fā)現(xiàn)，燒蝕坑的鋁元素含量高這說明這部分漆層已經(jīng)完全去除.而氧元素含量低，說明激光作用已經(jīng)使鋁合金表面氧化層脫落.

圖14 漆層表面粗糙度對激光吸收的影響Fig.14 Effect of surface roughness of paint layers on laser absorption

圖15 損傷基材與原始基材表面的SEM 與EDS 圖像Fig.15 SEM and EDS images of damaged substrate and original substrate surface.(a) SEM images of substrate damage;(b) EDS analysis of Al element under substrate damage;(c) EDS analysis of O element under substrate damage;(d) SEM images of the original substrate surface;(e) EDS analysis of Al element on the original surface of the substrate;(f) EDS analysis of O elements on the original surface of substrate

在激光除漆過程中，漆層對于激光能量吸收分析為，激光除漆過程中激光光束作用到漆層表面，由于能量守恒定律，將激光能量分為漆層表面反射的能量、漆層吸收的能量和透過漆層的能量，即

式中：EL為入射激光的初始能量；ER為被漆層反射的激光能量；ES為被漆層吸收的激光能量；ET為穿透漆層的激光能量.

漆層內(nèi)部產(chǎn)生的熱量為

式中：R為漆層表面對激光的反射率；α為漆層對激光的吸收率；T為激光透過漆層的透射率.

由于漆層不透明，作用在漆層的激光全部被反射和吸收，因此激光透過漆層的能量可以忽略不記，即ET=0，透射率T也為0.根據(jù)朗伯定律，在漆層中激光強(qiáng)度隨入射深度的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減，在距離漆層表面w深處，激光光強(qiáng)為

式中：I0為漆層表面(w為0) 處接收的激光強(qiáng)度；A為漆層對激光的吸收系數(shù)；λ為激光波長；k是材料的復(fù)折射率的虛部.

從式(7)和式(8)中可以看到，同樣的激光參數(shù)下，漆層吸收激光能量大小取決于漆層對激光的吸收率.激光除漆過程中，漆層出現(xiàn)粗糙表面會改變漆層對激光的吸收率，漆層粗糙表面發(fā)生演化.

3 漆層粗糙表面對激光吸收率的影響

盡管在工程實踐中可以選擇功率更高的納秒脈沖激光器，但也無法實現(xiàn)漆層一次去除且基材無損，因此在多次清除漆層過程中，粗糙表面的產(chǎn)生是必然的.為探究粗糙表面產(chǎn)生后對激光能量吸收作用的影響，通過模型和試驗建立漆層表面粗糙度與激光能量吸收之間的聯(lián)系.

3.1 建立漆層粗糙表面等效模型

圖16 為漆層粗糙表面進(jìn)行等效處理的過程，圖16(a)是在漆層粗糙表面中隨機(jī)選取一個截面線輪廓圖，如圖16(b)所示，以輪廓線波谷所在的水平直線為對稱軸，將輪廓線多次向下對稱展開，將會得到如圖16(c)中的倒三角形，可以看到這個倒三角形的深度為所有波谷深度總和的一半.所以為了方便計算和分析，可以采用這樣的等效方法來簡化漆層粗糙表面從而得到一個如圖16(d)中的形狀規(guī)則的倒三角形.

圖16 粗糙表面截面輪廓線等效圖Fig.16 Equivalent diagram of rough surface profile.(a)cross-sectional profile of the original rough surface;(b) cross-sectional profile equivalent process;(c) profile diagram after equivalent processing;(d) exactly equivalent contour line

從圖16(d) 中可以看到選取截面輪廓長度為L，所以等效后倒三角形深度H為

式中：N為截取長度L內(nèi)的波谷數(shù)；Ra為漆層粗糙表面線輪廓算術(shù)平均偏差，即粗糙度.

根據(jù)圖16(d)中的幾何關(guān)系，結(jié)合式(9)可以得到公式

式中：θ為漆層粗糙表面截面輪廓線等效后的表面傾斜角度.

因此，試驗中可以通過漆層粗糙表面截面的二維線輪廓算術(shù)平均偏差數(shù)值得到等效面的傾斜角度θ值，然后利用θ值來計算分析激光除漆過程中漆層粗糙表面對激光吸收率的影響.因為粗糙表面截面等效處理，必然會給分析計算帶來誤差.此外，激光共聚焦顯微鏡獲取界面輪廓線時分辨率的不足，也會對計算結(jié)果帶來誤差.為了驗證粗糙表面等效模型的準(zhǔn)確性，利用激光共聚焦顯微鏡獲得了 16 個不同粗糙表面的二維輪廓線.Ra采用激光共聚焦顯微鏡的軟件系統(tǒng)進(jìn)行測量，并采用等效模型進(jìn)行計算，如圖17 所示.誤差分析表明，測量值與計算值之間的最大標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.51%，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.16%.

圖17 Ra 等效計算值和試驗值以及兩者之間的標(biāo)準(zhǔn)誤差Fig.17 Ra equivalent calculated value and test value and the standard error between them

3.2 粗糙表面等效處理后對激光吸收率的影響

激光作用過程中，漆層粗糙表面的產(chǎn)生是隨機(jī)的，而粗糙表面的粗糙程度影響激光在漆層的反射次數(shù)，通過等效模型可以看到，傾角θ的大小決定激光在凹坑中的反射次數(shù)，可以通過激光反射次數(shù)來計算在不同傾角θ下的吸收率.下面根據(jù)θ的范圍分析激光在漆層表面反射次數(shù)，從而計算漆層對激光的吸收率.

θ角度為30°時，激光在漆層表面反射一次后激光路徑與等效后漆層右邊輪廓平行，如圖18 所示，所以當(dāng)θ∈(0,30]時，激光在漆層粗糙表面全部反射一次，此時漆層粗糙表面對激光的吸收率α為?，即?為激光在漆層表面反射一次的吸收率.

圖18 激光在粗糙表面反射一次的路徑Fig.18 Laser path for a single reflection on a rough surface

激光在漆層粗糙表面都會出現(xiàn)第1 次反射，部分激光出現(xiàn)第2 次反射，當(dāng)θ角度為45°時，激光在漆層表面出現(xiàn)兩次反射，兩次反射后激光路徑與入射激光束平行，如圖19 所示，所以當(dāng)θ∈(30，45]時，激光在漆層粗糙表面反射一次，部分激光反射兩次.此時漆層粗糙表面對激光的吸收率為

圖19 激光在粗糙表面反射一次和部分反射兩次路徑Fig.19 Path of laser reflection once and partial reflection twice on a rough surface

當(dāng)θ角度為54°時，激光在漆層粗糙表面進(jìn)行兩次反射后激光的路徑與等效漆層左邊輪廓平行，如圖20 所示，此時激光在漆層粗糙表面反射兩次，所以當(dāng)θ∈(45，54]時，激光在漆層粗糙表面全部反射兩次.此時漆層粗糙表面對激光的吸收率為

圖20 激光在粗糙表面反射兩次路徑Fig.20 Laser path for two reflections on a rough surface

當(dāng)θ角度為60°時，激光在漆層粗糙表面出現(xiàn)兩次反射和三次反射共存的情況，如圖21 所示，所以當(dāng)θ∈(54，60]時，激光在漆層粗糙表面全部反射兩次，部分激光出現(xiàn)三次反射.此時漆層粗糙表面對激光的吸收率為

圖21 激光在粗糙表面反射兩次和部分反射三次路徑Fig.21 Laser path reflecting twice and partially reflecting three times on a rough surface

當(dāng)θ角度為64.29°時，激光在漆層粗糙表面出現(xiàn)三次反射，而第3 次反射后激光的路徑與等效漆層右邊輪廓平行，如圖22 所示，所以當(dāng)θ∈(60,64.29]時，激光在漆層粗糙表面全部出現(xiàn)三次反射.此時漆層粗糙表面對激光的吸收率為

當(dāng)θ角度值繼續(xù)增大，此時激光照射到漆層粗糙表面時，可以看到激光在漆層凹坑中多次反射，所以當(dāng)θ∈(64.29,90] 時，此時可以認(rèn)為激光相對于漆層粗糙表面是自陷的，如圖23 所示.

圖23 激光在粗糙表面自陷路徑Fig.23 Laser self trapping path on rough surface

綜上計算和分析可以看到，在試驗中可以通過測量漆層粗糙度Ra來計算傾角θ的具體數(shù)值，根據(jù)θ的數(shù)值所在范圍來選擇吸收率計算公式，進(jìn)而計算出當(dāng)前粗糙度Ra時漆層對激光能量的吸收率.

圖24 給出了試驗中激光作用次數(shù)和漆層吸收率關(guān)系，通過試驗結(jié)果可以看出，漆層對激光能量的吸收率隨著激光作用次數(shù)的增加而出現(xiàn)明顯增大現(xiàn)象，在激光作用7 次后，激光相對于氟碳鋁粉漆層表面已經(jīng)處于自陷狀態(tài)，即對激光的吸收率達(dá)到100%.通過試驗結(jié)果計算得出，漆層在激光作用7 次后，漆層對激光的吸收率增加了32.8%.采用Origin 軟件對計算結(jié)果進(jìn)行二階多項式擬合，得到自陷前吸收率與激光作用次數(shù)之間的關(guān)系為

圖24 激光作用次數(shù)和漆層吸收率的關(guān)系Fig.24 Relationship between laser action times and paint absorption

得出擬合優(yōu)度R2為99.93%.Ze 等人[23]認(rèn)為激光去除目標(biāo)材料的深度可以計算為

式中：h為除漆深度；E為激光注量，Et為漆層的損傷閾值.

這就說明可以通過吸收率，激光工藝參數(shù)和漆層的物理性能估計每次激光除漆的深度，從而控制激光作用次數(shù)來避免基材的損傷.然而粗糙表面對激光的吸收率的計算模型尚未被試驗驗證，還需要進(jìn)一步研究和試驗.

4 結(jié)論

(1)激光除漆過程中，漆層在激光燒蝕去除和振動去除機(jī)理作用下均會出現(xiàn)粗糙表面.激光作用次數(shù)增加時，漆層表面粗糙度隨之非線性增加.

(2)激光除漆過程中粗糙表面會影響漆層對激光的吸收率，隨著漆層表面粗糙度的增加，漆層對激光的吸收率明顯增大.通過等效模型和試驗數(shù)據(jù)相結(jié)合可知，激光作用7 次后漆層粗糙表面對激光的吸收率增加了32.8%.