CO2激光清洗2024鋁合金表面復(fù)合涂層

劉振明，成健，李子文，劉頓

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068）

隨著民用航空領(lǐng)域的快速發(fā)展，飛機(jī)的數(shù)量在飛速地增加。飛機(jī)在使用一段時間(5～10年左右)后，由于受到光照、溫度、濕度、活性陰離子等多種因素影響，蒙皮上的有機(jī)涂層會發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生老化、龜裂、局部脫落等現(xiàn)象，需要定期進(jìn)行檢查和維修[1-2]。飛機(jī)蒙皮保護(hù)層的構(gòu)成為：陽極氧化層 + 底漆 +面漆。在飛機(jī)大修時，需要去除漆層，漆層下面的陽極氧化層則需要完整保留。傳統(tǒng)的除漆工藝有機(jī)械除漆、噴砂除漆、化學(xué)溶劑除漆和超聲波除漆，但它們存在勞動強(qiáng)度大、能耗高、污染重等問題[3-4]。因此，需要更環(huán)保、更先進(jìn)的飛機(jī)除漆工藝。

近年來，激光技術(shù)發(fā)展十分迅速。在很多行業(yè)，激光清洗技術(shù)正在逐步取代傳統(tǒng)的工藝[5]。激光清洗技術(shù)采用高功率密度的激光束照射工件表面，使表面的污染物、銹斑或涂層發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離，從而達(dá)到潔凈化的目的，是一種“綠色”的清洗方法[6-7]。激光清洗作為一種新型除漆工藝，具備高效、快捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、易控等諸多優(yōu)點(diǎn)；應(yīng)用場景越來越多，覆蓋船舶、高鐵、汽車、航空航天等多個領(lǐng)域，尤其在飛機(jī)蒙皮的維修或再制造過程中有很大的需求[8-9]。

目前國內(nèi)外很多人都在研究激光清洗除漆技術(shù)，并且取得了很大的進(jìn)展。G.Daurelio等使用不同類型的激光器清洗多種材料的不同類型涂層，得到的結(jié)論是：激光去除氧化物和油漆可以作為傳統(tǒng)技術(shù)的有效替代方案[10]。Li等使用1 064 nm脈沖激光器對鋼結(jié)構(gòu)件表面的涂層進(jìn)行清洗研究，并且在除漆后重新進(jìn)行噴涂，發(fā)現(xiàn)新的漆層附著力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[11]。趙海朝等人使用納秒脈沖激光器，通過改變掃描速率、激光功率等參數(shù)100%去除了漆層，但發(fā)現(xiàn)基材表面有輕微熔融[12]。邱太文等使用納秒脈沖激光器清洗2024鋁合金表面漆層時發(fā)現(xiàn)基材表面沒有損傷，但他們沒有研究陽極氧化膜厚度的變化[13]。Halah A.Jasim等使用納秒脈沖光纖激光器去除鋁合金表面高度透明的聚合物涂層，并研究了脈沖能量對深度除漆的影響，發(fā)現(xiàn)清洗過程中損壞了基材[14]。楊文鋒等使用1 064 nm紅外光纖激光器去除2024鋁合金表面漆層時進(jìn)行了基材溫度檢測，結(jié)果表明：漆層可以被完全去除，且溫度符合相關(guān)要求，但氧化層有所減薄[15]。與其他激光器相比，TEA(橫向激發(fā)大氣壓)CO2激光器在去除大多數(shù)涂層方面具有高效率、高峰值功率和高吸收系數(shù)的優(yōu)勢。F.J.Prinsloo等人在文章中寫到：涂料對CO2激光的吸收更高，使其成為脫漆的理想選擇，金屬對 CO2激光的吸收相對較低，油漆下面的金屬因此而免遭損壞[16]。Manoj Kumar等人使用TEA CO2激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以了解工藝參數(shù)對去除的漆層厚度的影響，并建立了去除的漆層厚度與激光通量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[17]。羅紅心等人研究發(fā)現(xiàn)，使用大功率連續(xù)CO2激光器可以很好地去除飛機(jī)蒙皮表面漆層[18]。薛玉華等人指出，飛機(jī)蒙皮在涂裝前需要表面氧化處理，表面處理的好壞直接影響涂裝的質(zhì)量[19]。因此，在去除飛機(jī)蒙皮漆層時保留氧化膜是十分必要的，不僅可以減少大修時的工序，而且可以節(jié)省時間和經(jīng)濟(jì)成本。

基于上述研究背景，本文使用CO2激光器進(jìn)行除漆研究。通過改變激光功率和光斑搭接率進(jìn)行激光清洗實(shí)驗(yàn)，對清洗后試樣表面的宏觀和微觀形貌進(jìn)行觀察，并對除漆后鋁合金表面的成分和重新涂漆的結(jié)合力進(jìn)行分析，考察激光清洗的除漆效果及其對鋁合金表面陽極氧化膜的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

2024鋁合金試樣的外觀尺寸為100 mm × 150 mm × 1 mm，表面有綠色的YMS2502Ⅰ型底漆和灰黑色的YMS2502Ⅱ型面漆，厚度分別大約為30 μm和40 μm，在漆層下面是厚度5 μm左右的陽極氧化膜，如圖1所示。

圖1 2024鋁合金表面復(fù)合漆層和陽極氧化膜的厚度Figure 1 Thickness of composite coating and anodic oxide film on 2024 aluminum alloy surface

激光清洗系統(tǒng)由激光發(fā)生器、振鏡系統(tǒng)、三維移動平臺、冷水機(jī)和筆記本電腦組成，如圖2所示。本文采用美國Coherent(相干)公司生產(chǎn)的Diamond系列E150型CO2激光器，三維移動平臺為手動控制，通過冷水機(jī)為整個系統(tǒng)降溫。激光波長為10.6 μm，最大平均輸出功率為150 W，脈沖頻率從1 Hz至100 kHz可調(diào)。焦點(diǎn)處的光斑直徑(D)為460 μm，焦距為274 mm，激光光斑可以通過掃描振鏡的擺動在工件表面實(shí)現(xiàn)高速移動。掃描清洗區(qū)域?yàn)?0 mm × 20 mm的矩形。

圖2 激光清洗裝置示意圖Figure 2 Schematic diagram of laser cleaning device

激光的掃描路徑規(guī)劃有“回”字形、“之”字形、“己”字形等方式，在激光清洗中多采用“己”字形進(jìn)行掃描。因此，本文的激光路徑規(guī)劃也采用“己”字形，如圖3所示。

圖3 激光掃描路徑規(guī)劃示意圖Figure 3 Schematic diagram of laser scanning path planning

激光在X軸方向的光斑重疊，稱為光斑搭接率δ，其計算如式(1)所示。激光在Y軸方向需要填充重疊，填充間距L為0.05 mm；

式中v是激光掃描速率，f是激光頻率。根據(jù)式(1)，由于激光光斑直徑D固定，因此通過改變激光掃描速率和頻率可以改變激光搭接率。當(dāng)激光頻率也固定時，通過改變掃描速率就能直接改變光斑搭接率。

在激光清洗除漆過程中，激光器的各項參數(shù)(如激光功率、激光頻率、掃描速率、光斑搭接率等)都會影響清洗質(zhì)量。其中激光功率對激光清洗質(zhì)量的影響最為顯著，光斑搭接率也十分重要，而掃描速率和脈沖頻率決定了能量積累和清洗效率[20]。本文的激光參數(shù)設(shè)置如下：激光頻率20 kHz，填充間距0.05 mm，掃描1次，激光功率60、80或100 W，光斑搭接率50%、55%、60%或65%。

激光清洗實(shí)驗(yàn)完成后，使用Nikon偏光顯微鏡對清洗后的試樣表面微觀形貌進(jìn)行觀察，使用Bruker-LV150N光學(xué)輪廓儀對清洗后表面的3D輪廓和粗糙度Ra進(jìn)行檢測。采用日立SU8010高分辨率場發(fā)射掃描電鏡(SEM)檢測試樣清洗后的表面微觀形貌和陽極氧化膜厚度，以其自帶的能譜儀(EDS)對清洗后的試樣進(jìn)行元素分析。在激光清洗后的鋁合金表面重新涂上丙烯酸白漆，然后按照ISO 2409:2020Paints and Varnishes – Cross-cut Test標(biāo)準(zhǔn)，用劃格法測試漆膜結(jié)合力[21-22]。

2 結(jié)果與討論

2.1 清洗效果

對激光清洗后的鋁合金表面進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光功率為60 W，光斑搭接率為50%～65%時，鋁合金表面的漆層還都大量存在，沒有看到有基材露出，如圖4中的(1)至(4)所示；當(dāng)激光功率增大到80 W時，隨著光斑搭接率的提高，漆層逐漸被去除干凈，基材顯露出來，如圖4中的(5)至(8)所示；當(dāng)激光功率增加到100 W時，僅有光斑搭接率為50%的情況下漆層未被去除干凈，如圖4中的(9)所示，而光斑搭接率大于等于55%的情況下，鋁合金表面已看不到漆層殘留，如圖4中的(10)至(12)所示。

圖4 不同激光功率和光斑搭接率的清洗效果Figure 4 Cleaning effectiveness at different laser powers and spot overlap rates

2.2 表面微觀形貌分析

使用偏光顯微鏡對激光清洗后的鋁合金表面進(jìn)行觀察的結(jié)果表明：當(dāng)激光功率為80 W，光斑搭接率為60%時，鋁合金表面的漆層已經(jīng)完全被去除(即圖4的試樣7)，陽極氧化膜狀態(tài)良好，如圖5b所示；隨著搭接率持續(xù)增加到65%，激光清洗后陽極氧化膜表面有一半左右的區(qū)域變?yōu)辄S褐色，如圖5c所示；當(dāng)激光功率為100 W，搭接率為60%時，鋁合金表面漆層同樣完全被去除，但陽極氧化膜表面基本全部變?yōu)辄S褐色，如燒焦一般，并且出現(xiàn)細(xì)小裂紋，如圖5d所示；保持激光功率100 W不變，光斑搭接率增加至65%時，漆層也完全被去除，此時陽極氧化膜表面顏色全為黃褐色，裂紋變得更多，如圖5e所示。對比沒有進(jìn)行噴漆的陽極氧化膜的微觀形貌(見圖5a)后不難發(fā)現(xiàn)，激光功率80 W、搭接率60%時的激光清洗效果最好。總的來說，在使用CO2激光器清洗鋁合金表面漆層時，隨著激光功率和光斑搭接率增大，漆層被更快地去除的同時，鋁合金表面的陽極氧化膜也從完好開始受損；當(dāng)激光功率和光斑搭接率增大到一定程度時，陽極氧化膜的表面就會出現(xiàn)裂紋。因此，選擇合適的激光功率和光斑搭接率才可以做到不損傷鋁合金表面的陽極氧化膜。

圖5 不同參數(shù)下激光清洗后鋁合金表面的微觀形貌Figure 5 Micromorphologies of aluminum alloy surfaces after laser cleaning with different laser parameters

鋁合金表面復(fù)合漆層被去除后，需要重新噴涂。郝朋等人的研究[23]表明：涂層對基材的附著力是非常重要的一項技術(shù)指標(biāo)，也是滿足其他性能的基礎(chǔ)，附著力的好壞直接影響涂層對基材的保護(hù)壽命；基材表面處理后粗糙度的增大有利于涂層附著力的提高，但并不是越大越好。因此，激光清洗除漆后鋁合金表面的粗糙度要保持一致。

如圖6a所示，原始陽極氧化膜表面的3D微觀形貌比較平整，沒有明顯的凸起和凹坑，表面粗糙度為0.974 μm。當(dāng)激光功率為80 W，光斑搭接率為60%時，鋁合金表面的3D微觀形貌比較平整，如圖6b所示，表面粗糙度為1.024 μm，與原始陽極氧化膜的表面粗糙度極為接近。當(dāng)激光功率為80 W，光斑搭接率為65%時，如圖6c所示，鋁合金表面的3D微觀形貌雖然也比較平整，看不到明顯的凸起和凹坑，但表面粗糙度增大到1.946 μm，這是因?yàn)殇X合金陽極氧化膜表面燒焦變黃后有一定程度的鼓起。而當(dāng)激光功率為100 W，光斑搭接率為60%和65%時，鋁合金表面出現(xiàn)比較多的凸起和凹坑(如圖6d和6e)所示)，此時的表面粗糙度分別增大至2.233 μm和2.263 μm。

圖6 不同參數(shù)下激光清洗后鋁合金表面的3D微觀形貌Figure 6 3D micromorphologies of aluminum alloy surfaces after laser cleaning with different laser parameters

2.3 激光清洗后鋁合金表面元素成分的分析

經(jīng)上述微觀形貌分析可知，激光清洗后試樣7的基材表面顏色未發(fā)生變化，且表面微觀形貌接近于基材的原始狀態(tài)。對試樣7和原始陽極氧化基材表面進(jìn)行元素檢測(如圖7所示)，結(jié)果顯示它們的元素成分極為接近，說明在激光清洗除漆后，試樣表面的陽極氧化膜仍與原來一樣，未發(fā)生改變。

圖7 鋁合金表面的EDS分析結(jié)果Figure 7 EDS analysis results of aluminum alloy surfaces

2.4 陽極氧化膜的厚度測試

通過掃描電鏡對激光清洗前后試樣的橫截面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在激光清洗后鋁合金表面陽極氧化膜的厚度為5.15 μm，而原始陽極氧化膜厚度為4.51 μm，如圖8所示。因此，激光清洗去除鋁合金表面復(fù)合漆層時，鋁合金表面陽極氧化膜仍完整，厚度基本沒有發(fā)生變化。

圖8 原始陽極氧化膜(a)及激光清洗后試樣(b)的截面SEM圖像Figure 8 Cross-sectional SEM images of original anodic oxide film (a) and laser-cleaned specimen (b)

2.5 重新涂漆的附著力測試

對除漆后的表面進(jìn)行重新噴漆，用宇文E-07膜層測厚儀測得重涂漆層的厚度約為55 μm。使用工具在漆層上劃出10 × 10的方格矩陣，然后使用3M專用膠帶進(jìn)行漆層結(jié)合力測試，結(jié)果如圖9所示，沒有小格的漆塊掉落，基本達(dá)到了最高的0級水平。

圖9 涂漆附著力測試前后試樣的表面狀態(tài)Figure 9 Surface states of the specimen before and after coating adhesion test

3 結(jié)論

使用CO2激光器可以很好地去除鋁合金表面的復(fù)合漆層，同時做到了既不損傷陽極氧化膜表面，又不令其厚度減小。隨著激光功率和搭接率的增大，清洗質(zhì)量先提高后下降。當(dāng)激光功率為80 W，搭接率為60%時，清洗效果最好。清洗后鋁合金表面重新涂漆的結(jié)合力為0級，符合飛機(jī)蒙皮涂漆的結(jié)合力要求。