激光清洗铝合金表面漆层的粗糙程度变化检测与分析_朱明.pdf

书书书文章编号：-（）-激光清洗铝合金表面漆层的粗糙程度变化检测与分析朱明*，候霄飞，石坤，张豪，石玗，樊丁，（兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃 兰州 ；兰州理工大学 有色金属合金及加工教育部重点实验室，甘肃 兰州 ）摘要：采用 脉冲激光清洗 铝合金表面氟碳漆层时，表面粗糙度的变化引起漆层对激光吸收作用的改变，易使得热量吸收过度造成基材损伤为此，针对激光清洗过程中漆层表面粗糙形貌的检测与分析，设计了脉冲激光清洗实验系统，分析了种激光清洗模式下氟碳漆层表面粗糙形貌的产生机制，并采用激光共聚焦显微镜对表面粗糙度进行了测试与表征，研究了激光逐层去除氟碳漆层时表面粗糙度的演化行为结果表明：）在激光清洗过程中，激光烧蚀和振动作用后漆层均会产生粗糙表面；）激光逐层清洗过程中，表面粗糙度随着激光作用次数的增加呈非线性增大，当激光作用 次后漆层表面粗糙度已经达到 ，相比于激光第次作用后增加了 ；）激光逐层除漆过程中粗糙表面对激光吸收率具有增加作用，在激光次作用后漆层粗糙表面对激光的吸收率增加了 关键词：激光清洗；氟碳漆；粗糙表面；检测与分析中图分类号：文献标志码：D e t e c t i o na n da n a l y s i s o f r o u g h n e s s v a r i a t i o no f l a s e r c l e a n i n g t or e m o v ep a i n t l a y e r o nA l u m i n u ma l l o y ，-，（，；，）A b s t r a c t：，-，：）；）-，-，）-，K e yw o r d s：；收稿日期：-基金项目：国家自然科学基金（），甘肃省协同创新团队项目（-）通讯作者：朱明（-），男，甘肃兰州人，副研究员 ：第 卷第期 年月兰州理工大学学报 铝合金作为一种 -系列铝合金，因其具有较高的强度和损伤容限，经常用于飞机翼下蒙皮材料的制造然而，飞机在服役周期内，由于受到光照、温度、湿度等多种环境因素影响，蒙皮上的复合涂层会发生腐蚀、老化、龟裂和局部脱落等现象，需要定期进行检查和维修-目前常用的去除方法主要有机械摩擦去除法和化学溶剂去除法，此类工艺相对成熟、设备简单易操作-，但机械摩擦去除方法很容易损伤基材且工作效率偏低；化学溶剂去除方法对人员与环境的危害较大，而且废液的回收与无害化处理所需的成本相对较高因此，亟需更加绿色、环保、无损、高效的漆层去除技术激光清洗作为一种可达性好、高效环保、易实现自动化、低成本的表面清洗技术-，已被应用于文物修复、焊前清洗、金属除锈等领域，但由于激光热作用过程难以精确控制，因此在飞机蒙皮表面漆层清洗领域的研究与应用相对较少-目前，在激光清洗机理与过程控制方面，国内外学者进行了相关研究 发现，使用 纳秒光纤激光器可以有效地去除铝合金表面可见的有机和无机污染物 等 使用不同类型的激光器清洗多种材料的不同类型涂层，认为激光去除油漆可以替代传统的清洗技术 使用 纳秒光纤激光器清洁铝合金板上的天然海洋生物膜污染物，并发现激光烧蚀是去除污染物的主要机制 等 分析了功率密度与去除模式间的作用关系，认为激光除漆机理随着激光功率密度的增加会出现不同的模式并相互转换 等 研究了激光除漆中烧蚀去除机理和保证基材无损的激光工艺参数优化 等 认为激光除漆过程中油漆层在激光的作用下会出现烧蚀去除行为，而且漆层烧蚀去除后的形貌跟激光能量有关激光清洗飞机蒙皮表面漆层时，激光对漆层的热作用过程复杂且难以精准控制，很容易由于热积累过度造成基材损伤为此，通过搭建脉冲激光清洗实验系统，分析不同激光清洗模式下氟碳漆层粗糙表面的产生机制，并利用激光共聚焦显微镜对表面粗糙度进行测试与表征，研究激光逐层去除过程中氟碳漆层表面粗糙度的演化行为，为进一步分析表面粗糙度的变化对激光吸收作用的影响提供理论基础与实验数据 实验材料与设备 实验材料的制备与处理实验中基体材料选用 铝合金板，外观尺寸为 ，其元素质量分数见表 作为飞机蒙皮材料，铝合金表面通常会经过阳极氧化处理（氧化层厚度 ），化学氧化处理（氧化层厚度 ）或者磷化底漆处理（氧化层厚度 ），用来提高铝合金的吸附、耐磨、耐热和耐腐蚀性能因此，实验中对铝合金表面预制了氧化层，在氧化层上部涂覆 -环氧底漆和 -氟碳面漆，厚度分别约为、，铝合金喷漆油漆后的试样及结构示意图如图所示表 铝合金的化学成分T a b N o m i n a l c h e m i c a l c o m p o s i t i o no f A l a l l o y元素 质量分数 元素 质量分数 图 铝合金喷漆后的试样及结构示意图F i g S p e c i m e na n d s t r u c t u r e d i a g r a mo f a l u m i n u ma l l o ya f t e rp a i n t i n g 激光清洗系统实验中激光清洗设备选用-脉冲光纤激光器，如图所示激光光斑的扫描路径如图所示，选择“己”字型扫描，清洗区域为 的矩形，其中光斑直径D为 ，填充间距L为 激光清洗完成后，使用 激光共聚焦显微镜（）对清洗后试样表面的三维形貌和图 激光清洗设备示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e l a s e r c l e a n i n gd e v i c e兰州理工大学学报 第 卷图 激光扫描路径F i g S c a n n i n gp a t ho f l a s e r s p o t粗糙度进行检测，采用 -扫描电子显微镜（）对表面微观形貌进行观察和分析激光清洗工艺参数（如激光功率、脉冲频率和扫描速率等）均在激光清洗过程中影响粗糙的表面经过一系列测试后的优化工艺参数见表 表 激光清洗工艺参数T a b P r o c e s s p a r a m e t e r s o f l a s e r c l e a n i n g工艺参数值激光功率P扫描速度v（）脉冲频率f 光斑直径D 脉冲持续时间t 填充间距L 结果与讨论 粗糙表面的产生与表征 粗糙表面的产生机制激光清洗过程中，漆层在激光不同除漆机理作用下会产生粗糙表面，主要分为烧蚀去除机理和振动去除机理图展示了激光不同除漆机理作用后漆层表面的 图从图 烧蚀去除漆层后表面 图可以看到，烧蚀去除后激光作用区域内漆层出现明显的凸起和凹坑，并且周围出现大量颗粒状喷溅产物烧蚀去除过程分析如下：漆层在激光热作用下，迅速升温软化，形成具有延展性的粘流态，从而使得漆层高分子链段之间的结合力降低，粘流态漆层中汽化点较低的物质优先汽化形成气泡，当气泡压力大于表面张力时，漆层出现沸腾现象，随着激光继续作用，气泡开始膨胀，最终克服表面张力脱离漆层出现喷溅现象，当烧蚀过程结束后漆层出现粗糙表面从图 振动去除漆层后表面 图可以看到，漆层在激光清洗后出现开裂，在激光作用区域出现漆层飞溅产物，并且出现粗糙表面振动去除过程分析如下：由于漆层内部高分子链段不完全规整，存在分离异物、微孔洞等缺陷，当脉冲激光作用到漆层时，图 不同激光除漆机理S E M图F i g S E Mo f d i f f e r e n t l a s e rp a i n t r e m o v a lm e c h a n i s m s这些缺陷会导致漆层出现区域性应力集中而开裂，随着激光继续作用，在漆层与铝合金基体之间产生较大的应力梯度，从而产生振动波，即热弹性应力，当热弹性应力大于漆层与基材的结合力时，漆层开裂飞溅，最终在激光作用区域形成明显的粗糙表面 粗糙表面的表征为了对氟碳漆层表面粗糙程度进行表征，根据维度不同一般采用不同的表征方法和表征参数，通常分为一维参数表征、二维参数表征和三维参数表征其中一维和二维参数表征只能反映某一轮廓线上的特征，无法代表整个漆层表面，而三维参数表征能对表面的任意区域进行测量，包括x、y、z三个轴的坐标内容，能够更加全面、真实地反映测量面的表面特征三维表面形貌的表征是根据有限尺度表面类型来统一定义的参数，在 中将三维参数分成类，分别为高度参数、间距参数、混合参数、功能参数、特征参数和其他参数其中高度参数反映表面形貌的区域高度偏差，在激光除漆中常用高度参数中的S来描述漆层在激光作用后表面粗糙程度第期朱明等：激光清洗铝合金表面漆层的粗糙程度变化检测与分析 S为试样表面被测量的轮廓面和建立的基准面之间z坐标方向距离的算术平均值，即表面粗糙度曲面方程z坐标绝对值的算术平均值，其表达式如式（）所示S能够从整体上对区域表面的高度偏差进行表征，其示意图如图所示ZSlxlylxly|Z（x，y）dxdy|mnmj ni|Z（xi，yj）|（）其中：ZS代表均值绝对高差；Z为物体表面区域轮廓上点到基准平面的距离；m、n分别为评定区域中相互垂直两个方向上的采样点数图 粗糙表面示意图和实验结果图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo fr o u g hs u r f a c ea n de x p e r i-m e n t a l r e s u l t s为了进一步说明漆层在激光作用会下产生粗糙表面，对比激光清洗前后漆层三维微观形貌，如图所示从图 可以看到，激光清洗前漆层原始表面整体相对平整，没有出现明显的凹坑和凸起，表面粗糙度为 而从图 中可以清晰地看到激光清洗后氟碳漆层表面出现较多的凹坑和凸起，整个表面相比于激光清洗前变得更加粗糙，此时粗糙度增大到 粗糙表面的演化规律激光清洗过程中很难保证大功率激光单次清洗漆层后基材不受损伤，所以采取小功率激光进行逐层去除，在此过程中漆层会出现粗糙表面，而粗糙表面的变化将直接影响清洗效果为了研究激光清洗过程中漆层粗糙表面的演化规律，采用的激光功率进行了组实验实验结果如图所示，其中不同颜色的线代表不同试样在激光清洗过程中表面粗糙的变化情况，从这组图 氟碳漆层清洗前后表面三维微观形貌F i g T h e s u r f a c e t h r e e-d i m e n s i o nm i c r o s c o p i cm o r p h o l-o g y b e f o r ea n d a f t e rf l u o r o c a r b o n p a i n tl a y e rc l e a n i n g图 激光逐层去除过程中粗糙度变化规律F i g S u r f a c e r o u g h n e s s c h a n g e s o f t h e l a s e rp a i n t l a y e r数据中可以看出，随着激光作用次数的增加，漆层表面的粗糙度也在逐渐增大图为激光清洗次和清洗 后表面三维微观形貌，可以看出，当激光作用次时，氟碳漆层表面存在少量的凹坑，但是凹陷深度很浅，此时粗糙度为 ；当激光作用 次后，可以看到明显的凹坑和凸起，此时氟碳漆层表面粗糙度达到了兰州理工大学学报 第 卷书书书图 氟碳漆层表面三维形貌F i g T h r e e-d i m e n s i o n a lm o r p h o l o g yo ff l u o r o c a r b o np a i n t s u r f a c e ，相比于激光作用次时，粗糙度增加了 激光清洗过程中氟碳漆层表面粗糙度出现上述变化原因分析示意图如图所示在激光清洗过程中，当激光第一次作用到漆层后，由于清洗过程中发生烧蚀去除行为和振动去除行为导致漆层出现粗糙表面在下一次激光作用到漆层粗糙表面的时候，粗糙表面凹坑位置会对入射激光进行反射，这使得被反射的激光再次作用到漆层表面而被吸收，此时漆层的凹坑部位会吸收更多的激光能量，导致此处漆图 粗糙表面变化对激光吸收的影响F i g E f f e c t o f r o u g h s u r f a c e s o n l a s e r a b