朱映瑞　朱明　石玗　张虎龙　樊丁

摘要：针对激光除漆过程中离焦量的变化会对漆层去除机理产生影响的问题，设计了高速摄像光学滤光放大系统拍摄不同离焦量下的漆层去除动态过程，采用扫描电子显微镜拍摄不同离焦量下激光去除后漆层表面形貌，通过高速摄像动态过程和扫描电子显微镜微观形貌分析相结合的方法研究了不同离焦量条件下漆层去除机理的差异。结果表明：离焦量为0 mm时，漆层主要通过热应力、熔化、气体冲击三种方式去除;离焦量为±4 mm时，漆层主要通过热应力和熔化蒸发去除。

关键词：离焦量;金属漆;热应力;熔化;气体冲击

中图分类号：V261.8 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）01-0029-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.04

0 前言

铝合金具有高比强度和良好的加工性能，在航空、航天、机械制造等领域有着广泛的应用。但是，铝合金在服役过程中会受到酸碱介质的腐蚀或者表面出现划擦，因此，在基体表面经常涂有漆层进行防护。金属漆是近些年在表面防护漆层中应用较为广泛的、成熟的油漆，但其在服役一定周期后表面会出现老化、受损，所以漆层需要定期清洗并重新进行涂装，目前，漆层清洗的方法主要包括有机溶剂清洗和机械清洗。虽然工艺流程简单，但是大量有机溶剂会对环境造成污染，同时严重威胁工人身体健康;机械去除则会对基材表面造成严重损伤，且无法保证去除质量。

激光清洗是一种新型表面清洗技术，具有环境污染小、可达性好、可控性高、用途广泛、适应性好、非接触性等优点，相关研究也取得了一定进展，并且在光学元件、建筑物、轮胎模具、工艺品、雕塑等的清洗中有典型的应用[1-5]。目前，国内外对激光除漆的研究主要集中在不同激光器去除漆层的机理，但是尚未提出完善的除漆工艺流程，去除过程主要依靠工人经验和大量试验，很大程度降低了工作效率。究其原因是对激光除漆机理研究不够完善。Brygo[6-7]等研究发现，紫外激光器去除漆层主要通过激光光子直接“切断”高分子内部的化学键，除漆过程热作用较小。Yuvraj[8-10]等研究发现，红外激光器去除漆层主要通过光子被漆层吸收后的光热转换作用使得漆层发生燃烧、蒸发，甚至形成等离子体冲击波。基材主要是除漆过程中产生等离子冲击波冲击形成凹坑和表面发生熔化两种损伤方式。G X Chen[11-12]等研究发现，CO2激光器主要是通过燃烧、碳化去除漆层，在去除过程中热作用非常明显，基材表面主要出现熔化损伤。针对激光除漆过程中离焦量变化对漆层去除机理影响较大的问题，提出采用高速摄像与扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）相结合的方法，研究金属漆在不同激光离焦量条件下的去除机理。

1 实验方法

1.1 实验材料

基材选用2024铝合金，试样尺寸20 mm×20 mm×1 mm。漆层选用环氧底漆匹配氟碳金属面漆，漆层总厚度200 μm。

1.2 实验设备及参数

选用HY-TS20A脉冲激光器，波长1 064 nm，最小聚焦光斑直径30 μm，焦距210 mm，光源类型为高斯光源，光束传输因子M2≤1.3，激光最大平均功率20 W。扫描电子显微镜选用Quanta-450 FEG （Scanning Electron Microscopy， SEM）。高速摄像光学滤光放大系统由高速摄像拍摄系统Olympus i-Speed 3高速摄像机，工业显微镜高清镜头、中心波长532 μm，带宽±10 nm的窄带滤光片和HSX-F300氙灯光源组成，用于拍摄不同离焦量条件下漆层的去除过程。高速摄像采样率为4 000 fps，激光平均功率20 W，脉冲宽度300 ns，脉冲频率30 kHz，离焦量分别为：-4 mm、0 mm、+4 mm。采用AvaSpec-ULS3648-10-usb2多通道光纤光谱仪检测激光除漆过程中产生的等离子体。

2 结果与讨论

2.1 离焦量为0 mm时漆层去除机理

离焦量为0 mm时漆层去除方式主要有热应力去除、熔化去除、气体冲击去除。漆层热应力去除的SEM图片如图1a所示，熔化去除的SEM图片如图1b所示，气体冲击去除过程主要通过高速摄像视频观察分析得到，通过高速摄像拍摄的激光作用后漆层出现冲击去除的过程如图2所示。

离焦量为0 mm时漆层去除机理：激光作用于漆层首先出现光热转换，温度会向周围扩散，因此在漆层表面厚度方向和水平方向产生温度梯度，使得漆层中存在热应力，当热应力大于漆层撕裂强度后，漆层出现热应力去除现象。随着激光作用次数的增加，光热转换后温度升高，温度高于漆层熔点时漆层出现熔化去除现象。上述热应力去除和熔化去除过程中激光尚未作用到漆层与铝基材界面。当漆层去除到达界面附近时，漆层去除机理发生变化，出现气体冲击去除现象，原因如下：在界面附近，激光作用于漆层后漆层温度会急剧升高[9，13]，漆层出现剧烈燃烧、气化现象，在极短时间（离焦量为0 mm时，漆层去除过程约0.02 s）和很小体积内燃烧、气化现象导致漆层出现冲击去除现象，高速摄像拍摄到的气体冲击现象如图2b、2c所示，通过光谱仪测量冲击去除过程中未出现等离子体，蚀坑周围形成的油漆堆积物的SEM如图1c所示。

2.2 离焦量为+4 mm时漆层去除机理

离焦量为+4 mm时漆层去除方式主要为热应力去除和熔化蒸发去除。热应力去除的SEM图如图3a所示，熔化蒸发去除的SEM图片如图3b、3c所示。熔化去除过程的高速摄像图片如图4所示，可以观察到图4b、4c中漆层熔化后形成的球形隆起与图3b中的隆起完全吻合，同时熔化油漆出现剧烈的蒸发现象。

离焦量为+4 mm时，出现热应力去除机理与离焦量为0 mm时相同。出现稳定的熔化、蒸发去除现象的原因分析如下：离焦量为+4 mm时，激光斑点尺寸大于离焦量为0 mm时的激光斑点尺寸，约为300 μm，所以能量密度小于离焦量为0 mm时的，光热转换后的温度要低于离焦量为0 mm时温度，导致此时熔化蒸發现象较为缓慢，同时稳定熔化现象可以从高速摄像视频中得出结论（此过程持续约为0.5 s）。当去除过程进行到漆层与基体界面附近时温度变化不明显，烧蚀坑部尺寸远大于离焦量为0 mm时的尺寸，因此蒸发的油漆蒸汽不会出现被压缩的过程，综合几方面因素，此时漆层未出现气体冲击去除过程。

2.3 离焦量为-4 mm时漆层去除机理

离焦量为-4 mm时漆层去除形式与离焦量为

+4 mm时相同，为热应力去除和熔化蒸发去除。热应力去除的SEM图如图5a所示，熔化蒸发去除的SEM图片如图5b、5c所示。高速摄像图片如图6所示，展示了漆层熔化蒸发去除的完整过程。图6中白色椭圆所示区域为激光作用后发生熔化产生蒸汽的区域，漆熔化后出现隆起，油漆蒸汽从熔化隆起区域向周围扩散。

分析离焦量为-4 mm时去除机理与离焦量为

+4 mm时相同的原因为：根据激光能量传输机理，由激光焦点向+4 mm处到-4 mm处激光能量密度先增大后减小，因此，在漆层厚度200 μm范围内激光能量密度变化趋势不同，但是，在±4 mm焦距处激光能量相同，而在漆层厚度约为200 μm条件下，离焦量变化引起激光斑点变化对激光能量密度变化的影响可以忽略，所以在漆层去除过程中去除机理未出现明显差异[14]。

3 结论

（1）离焦量为0 mm时，漆层主要通过热应力、熔化、气体冲击去除;离焦量为±4 mm时，漆层主要通过热应力和蒸发去除。

（2）激光除漆过程中，离焦量为0 mm时，漆层去除效率高，但是去除过程时间太短，过程较难控制，适合表层漆层去除过程;离焦量为±4 mm时，漆层去除过程稳定，可控性高，适合界面附近漆层去除过程。

参考文献：

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