電器外觀件表面電泳油漆的激光清洗試驗

田洪吉，梅麗芳, ，嚴東兵, ，殷偉，楊軍

1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024

2.廈門市智能制造高端裝備研究重點實驗室，福建 廈門 361024

3.福建省客車先進設(shè)計與制造重點實驗室，福建 廈門 361024

在現(xiàn)代社會中，消費者對電子產(chǎn)品的追求更偏向品質(zhì)與美觀，金屬外觀件需要進行噴漆處理，而且漆層品質(zhì)的要求非?？量蘙1]。為了提高材料利用率、節(jié)約成本，可對外觀不合格產(chǎn)品除漆后重新上漆以再次利用。清洗除漆是電器外觀件再制造過程中極為重要的一環(huán)，而再制造工程作為新世紀制造發(fā)展的一個全新方向，得到了社會各界的廣泛關(guān)注。目前所采用的傳統(tǒng)清洗方法存在許多不足和缺陷，導致大量的人力物力浪費，市場競爭力優(yōu)勢不明顯。激光清洗技術(shù)因具備高效、快捷，對基體產(chǎn)生的熱負荷和機械負荷小，廢物可回收，無環(huán)境污染，可清除各種不同厚度、不同成分的涂層等優(yōu)點，正在除漆領(lǐng)域中逐步得到應用[2-5]。

國內(nèi)外已有不少學者對激光清洗技術(shù)展開相應的研究。童懿等人[6]采用納秒脈沖激光對鋁合金表層油漆開展了激光清洗試驗，結(jié)論是提升脈沖頻率將獲得更好的清洗效果。雷正龍等人[7]結(jié)合熱彈性振動模型與熱傳導模型對毫秒級與納秒級激光除漆過程的物理機制進行了探討。謝順等人[8]通過正交試驗對汽車電子元器件引腳表面鍍層進行了激光清洗研究。Mateo 等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，選擇合適的激光能量和脈沖頻率可以在不損傷基底的情況下有效去除漆層。Kim 等人[10]發(fā)現(xiàn)選擇合適的能量密度可以在不損傷基底的情況下將漆層和氧化層去除。目前，針對激光除漆的研究已有不少文獻，但運用超景深顯微系統(tǒng)及三維輪廓儀開展電器外觀件電泳油漆激光清除效果的研究鮮有報道。超景深顯微鏡是一種連續(xù)變倍的光學顯微鏡，可以實現(xiàn)放大倍率從幾倍到幾千倍之間的連續(xù)變化，可快速獲得表面存在凹凸起伏的樣品的清晰3D 圖像。New View 8000 三維輪廓儀縱向分辨極限達到0.08 nm，可測量面粗糙度及線粗糙度，最大檢測深度為150 μm。本文對電器外觀件電泳油漆層進行激光清洗試驗，針對激光功率、掃描速率、掃描間距、頻率等工藝參數(shù)設(shè)計單因素實驗，基于除漆后基底表面微觀形貌與三維輪廓，探究低功率下激光工藝參數(shù)對漆層清洗效果的影響規(guī)律及去除不同顏色油漆的難易程度，研究結(jié)果對激光清洗在電器外觀件表面除漆方面的推廣應用具有一定的指導意義。

1 實驗

1.1 設(shè)備與材料

使用的激光清洗系統(tǒng)是中興鼎的central-laser 柜式激光清洗機，包括IPG 激光器、掃描設(shè)備、激光控制系統(tǒng)等。IPG 激光器的激光波長為1 064 nm，輸出功率為10～100 W，頻率可調(diào)范圍為10～500 kHz，清洗速率最高可達7 000 mm/s，脈寬范圍為20～200 ns。激光器采用高速雙軸振鏡，具有精度高、控制穩(wěn)定等優(yōu)點。清洗試樣為厚度1.5 mm 的電器外觀件，由碳鋼板制成，出廠前為防止氧化而進行鍍鋅處理，雙面涂覆有白色和黑色兩種電泳油漆，漆層厚度約為60 μm。

1.2 試驗方法

通過夾具將試樣固定在工作平臺上，調(diào)整激光加工頭與工件之間的距離，設(shè)定適宜的工藝參數(shù)后進行脈沖激光清洗試驗。激光沿如圖1 所示的“弓”字形路線在試樣表面掃描2 次，清洗過程如圖2 所示。

圖1 激光掃描路徑Figure 1 Laser scanning path

圖2 激光清洗過程Figure 2 Laser cleaning process

通過初步實驗探索出一組較為適宜的工藝參數(shù)，再以這組參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計單因素實驗方案，見表1。

表1 單因素試驗方案Table 1 Scheme of single-factor experiment

使用VHX 2000 三維超景深顯微鏡系統(tǒng)和New View 8000 輪廓儀從基底的油漆殘留、損傷、粗糙度等方面對清洗效果進行評定，分析不同工藝參數(shù)對激光除漆效果的影響。

在VHX 2000 三維超景深顯微鏡的20 倍物鏡下對試樣表面進行3D 測量，使檢測對象的圖像還原度更高，能初步觀察不同參數(shù)下試樣的清洗效果，從宏觀層面了解激光清洗的機理及基底的損傷情況。New View 8000輪廓儀主要用于測量表面粗糙度，需要將樣品和觀測系統(tǒng)放入密閉透明倉內(nèi)，避免聲波、氣流、溫度等環(huán)境變化對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，測量深度選擇65 μm，選擇10 倍物鏡，測量時間約為6 s。常用Ra(線的算術(shù)平均高度)和Sa(面的算術(shù)平均高度)對粗糙度進行表征。Ra是基于線輪廓法評定粗糙度時使用的參數(shù)，表示輪廓的算數(shù)平均偏差，用于表征物體一維輪廓粗糙程度。Sa是基于區(qū)域形貌的粗糙度評定參數(shù)，表示區(qū)域形貌算術(shù)平均偏差，用于表征物體表面二維形貌的粗糙程度。在實際測量中，測量點數(shù)越多，Ra越準確。本文主要以Sa來評估表面粗糙度，即在一個取樣區(qū)域內(nèi)縱坐標值Z(x,y)絕對值的算術(shù)平均值，如式(1)所示。

式中A為取樣面積。

2 結(jié)果與討論

設(shè)定焦距300 mm、光斑直徑0.2 mm 和激光脈寬200 ns 并保持不變，根據(jù)單因素實驗表，對相同厚度的黑、白兩色油漆分別進行了16 組激光清洗除漆試驗，其除漆效果如圖3 所示，部分清洗參數(shù)下油漆未被完全去除，會略顯不同顏色，與原本油漆顏色不同。

圖3 白色油漆試樣(a)和黑色油漆試樣(b)的單因素激光清洗實驗結(jié)果Figure 3 Results of single-factor experiments for laser cleaning of white paint specimens (a) and black paint specimens (b)

對兩種顏色油漆的最優(yōu)除漆試樣進一步深入分析，結(jié)果見圖4。在最優(yōu)參數(shù)下，白色油漆試樣清洗后基底表面整體較為平整，但清洗痕跡明顯，除局部有微量殘留之外，漆層基本被清除干凈，表面粗糙度Sa為0.821 μm；而黑色油漆在激光清洗后，基底光潔，無清洗路徑痕跡，表面粗糙度Sa為0.777 μm。這說明在相同的參數(shù)下，黑色油漆對激光的吸收率優(yōu)于白色油漆，漆層分解效果更明顯，更易被除掉，而白色油漆的去除難度相對較大。從圖3 也可看出，工藝參數(shù)對白色油漆去除效果的影響更為顯著。因此，本文主要針對白色油漆試樣來分析不同工藝參數(shù)對清洗效果的影響。

圖4 白色油漆試樣(a)和黑色油漆試樣(b)經(jīng)激光清洗后的外觀與表面三維輪廓Figure 4 Appearance and 3D surface profile of white paint specimen (a) and black paint specimen (b) after laser cleaning

2.1 掃描速率的影響

在工程化激光除漆過程中，脈沖激光器發(fā)出非連續(xù)點脈沖，通過調(diào)整掃描振鏡的偏轉(zhuǎn)來獲得激光掃描線[11]。激光掃描速率決定了激光束和漆層的作用時間，影響著激光的實際作用與漆層的能量密度。對于單向掃描的單脈沖激光而言，能量密度E可按式(2)計算[12]。

式中，v為激光橫向掃描速率，F(xiàn)為激光器的能量，f為脈沖頻率，D為光斑直徑。

由式(2)可知，當其他參數(shù)不變時，作用在漆層上的實際能量密度與掃描速率成反比，掃描速率越大，作用在漆層上的能量密度越小。

保持激光功率40 W、頻率400 kHz 及掃描間距0.05 mm 不變，令激光掃描速率以100 mm/s 的間隔從200 mm/s 提升至500 mm/s，對試樣進行除漆，并分別采用超景深顯微鏡放大200 倍和三維輪廓儀放大10 倍對4 組試樣進行觀察，分析掃描速率對去除試樣表面白色油漆的影響，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同掃描速率下白色油漆試樣激光清洗后基底的表面形貌和三維輪廓Figure 5 Surface morphologies and 3D profiles of white paint specimens cleaned by laser at different scan rates

如圖5a 所示，當掃描速率為200 mm/s 時，激光燒蝕作用明顯，試樣表面出現(xiàn)大面積的焦黃色痕跡及重熔凹坑，這是由于掃描過慢導致激光作用于試樣表面的時間長，漆層上的實際能量密度大，激光能量迅速向基體深度方向擴散，基底因熱量過高而產(chǎn)生嚴重的燒蝕，從而導致基底重熔。從圖5b 可見，此時基底表面出現(xiàn)較多低于平均表面的藍色區(qū)域，Sa為2.169 μm。當掃描速率為300 mm/s 時，試樣表面基本無焦黃色痕跡，漆層已被去除干凈，說明此時作用在漆層上的功率密度達到了漆層的去除閾值，但沒有達到基底的損傷閾值。此時基底的表面輪廓主要是在平均表面內(nèi)的綠色區(qū)域，色差較小，Sa為1.200 μm。當掃描速率為400 mm/s時，試樣表面的漆層也已基本被去除干凈，且未出現(xiàn)重熔凹坑。此時激光能量可被充分吸收，試樣表面的漆層在激光作用下被完全汽化，但由于掃描過快，激光搭接處殘留微細漆層(表現(xiàn)在三維輪廓圖中存在較多高于平均表面的紅色區(qū)域)，Sa升高至1.397 μm，這是由于掃描速率變大后，作用在漆層上的實際能量密度變小，漆層吸收不到足夠的能量。而當掃描速率進一步增大至500 mm/s 時，作用在漆層上的實際能量密度進一步降低，清洗后的基體表面存在一層較薄的油漆，且顏色變黑，表面三維輪廓圖中紅色區(qū)域較400 mm/s 時更多，Sa繼續(xù)增大至1.680 μm。這是由于此時較高的掃描速率使得激光作用于基體表面的時間短，漆層未能吸收足夠的激光能量，無法充分汽化。所以，掃描速率為300 mm/s 時的清洗效果最優(yōu)。

在漆層較厚，需要多個激光脈沖才能夠完全去除的情況下，需要考慮掃描速率與熱積累效應的協(xié)調(diào)性。過高的掃描速率會導致漆層殘留，這是由于掃描過快的情況下漆層吸收的能量較少，而過低的掃描速率會導致基體燒蝕和重熔。激光掃描速率的增大能夠減少基材表面的重熔凹坑，但會影響表面油漆的去除，造成表面粗糙度增大，從而影響試樣的再制造應用。因此，對于本文厚度為60 μm 的白色電泳油漆涂覆電器外觀件而言，除漆時采用300 mm/s 的激光掃描速率可達到較好的清洗效果。

2.2 激光功率的影響

激光功率影響激光實際作用時的能量密度，激光器功率P等于能量F和脈沖頻率f的乘積，故激光能量密度可按式(3)計算。

當其他參數(shù)一定時，由式(3)可知激光能量密度與功率成正比。激光功率越大則激光能量密度越高，過高就會超過基底的損傷閾值；反之，激光功率過低則激光能量密度不足以達到除漆閾值。

保持掃描速率300 mm/s、頻率400 kHz 及掃描間距0.05 mm 不變，將激光功率以5 W 的間隔從35 W 增大到50 W，對試樣進行除漆試驗。由圖6a 可知，當激光功率為35 W 時，激光能量密度較低，試樣表面只有部分油漆被清除，表明低功率激光未能使基體表面油漆充分汽化，在基底局部仍留有條紋狀油漆和薄層燒焦油狀油漆；激光功率增大至40 W 時，激光能量密度開始增大，油漆去除得較為干凈，露出光滑的基底表面；當激光功率進一步升高至45 W 時，基底開始出現(xiàn)凹坑和重熔，表明此時雖然可以完全清除油漆，但激光功率過大導致了基底熱積累過多。當激光功率增大至50 W 時，過高的能量密度致使基底出現(xiàn)焦黃色，重熔現(xiàn)象嚴重，此時的激光功率已經(jīng)超過了基底的損傷閾值。由圖6b 可知，當激光功率為35 W 時，試樣基底局部有顯著的紅色和藍色，色差較大，Sa為2.817 μm；當激光功率達到40 W 時，表面主要呈現(xiàn)綠色，色差較小，Sa低至0.729 μm，說明此時的基底表面高度差小，清洗試樣表面輪廓特征優(yōu)于其他激光功率下的情況，與基底表面形貌特性吻合。

圖6 不同激光功率下白色油漆試樣激光清洗后基底的表面形貌和三維輪廓Figure 6 Surface morphologies and 3D profiles of white paint specimens cleaned by laser at different powers

通過分析激光功率對清洗除漆的影響可發(fā)現(xiàn)，激光功率對脈沖激光除漆效果影響明顯。隨著功率的增大，表面暗色的油漆層逐漸減薄直至完全消失，但功率過大會對基底造成燒蝕重熔。對于漆層厚度為60 μm 的電器外觀件，采用40 W 的激光功率時清洗效果較好。

2.3 激光頻率的影響

保持掃描速率300 mm/s、功率40 W 及掃描間距0.05 mm 不變，對試樣進行除漆，將激光頻率以100 kHz 的間隔從100 kHz 提升至400 kHz，對試樣進行清洗除漆。由圖7a 可知，當激光頻率為100 kHz 時，基底仍存在一層較薄的油漆，且清洗軌跡不清晰。隨著激光頻率增大到200 kHz，激光清除路徑開始清晰，且表面殘留油漆變少，顯現(xiàn)出銀白色的基底。這是因為對于相同厚度的漆層，激光頻率的升高意味著單位時間內(nèi)脈沖激光對清洗部分的作用次數(shù)增多。當激光頻率增大至400 kHz 時，基材被清洗干凈，凹坑也基本消失。由圖7b 可知，隨著激光頻率的增大，基底表面粗糙度逐漸減小。當激光頻率達到400 kHz 時，清洗后試樣的表面粗糙度Sa降為1.039 μm，表明基材表面漆層殘留少，且激光清洗過的基底較平整。這說明采用400 kHz 的激光頻率時清洗效果較好，最終基底表面的高度差小。

圖7 不同激光頻率下白色油漆試樣激光清洗后基底的表面形貌和三維輪廓Figure 7 Surface morphologies and 3D profiles of white paint specimens cleaned by laser at different frequencies

2.4 掃描間距的影響

如圖8 所示，激光掃描時的路徑重疊情況與掃描間距有關(guān)，相關(guān)計算如式(4)[13]所示。

圖8 光斑搭接率和路徑重疊率示意圖Figure 8 Diagram showing the spot overlap rate and path overlap rate

式中：δ為光斑搭接率，f為脈沖頻率，v為掃描速率，D為光斑直徑。掃描間距d為掃描速率v與脈沖頻率f之比[14]，即式(4)可寫為式(5)。過大的掃描間距會導致清洗盲區(qū)出現(xiàn)，令激光清洗效果變差；過小的掃描間距導致路徑重疊增大，激光清洗過程中會過量地積累熱量，損傷基底。

保持掃描速率300 mm/s、功率40 W 及激光頻率400 kHz 不變，對試樣進行除漆，將激光掃描間距以0.03 mm 的間隔從0.02 mm 增大至0.11 mm，除漆試驗結(jié)果如圖9 所示。由圖9a 可知，當掃描間距為0.02 mm時，路徑重疊率為90%，試樣表面漆層被完全去除，但清洗部分凹坑較為顯著，這是由于較小的掃描間距下路徑重疊率大，單位時間內(nèi)作用于基體表面的激光能量更加密集，單位面積所累積的熱量易對基底造成重熔損傷；當掃描間距為0.05 mm 時，路徑重疊率降低至75%，試樣表面漆層基本被去除，清洗后的表面基本無凹坑；當掃描間距為0.08 mm 時，路徑重疊率為60%，清洗痕跡明顯，清洗軌跡上的油漆基本被清除干凈，但清洗軌跡之間明顯有油漆殘留；當掃描間距增至0.11 mm 時，路徑重疊率為45%，基體表面留下明顯的凹凸不平的掃描痕跡，殘留大量油漆，說明過小的路徑重疊率導致清洗過程中出現(xiàn)盲區(qū)，無法滿足清洗要求。由圖9b 可知，當掃描間距為0.05 mm 時，表面主要處于綠色區(qū)域，色差較小，Sa低至0.996 μm，均優(yōu)于其他掃描間距下的清洗試樣的表面輪廓特征；當掃描間距減至0.02 mm 時，單位面積內(nèi)的油漆清洗效果較好，但由于較小的掃描間距導致路徑重疊率變大，積累的熱應力會增大，對基材造成損傷。而當掃描間距增大至0.08 mm 后，清洗過程中已經(jīng)出現(xiàn)盲區(qū)，清洗后基底表面凹凸不平，無法完全去除基底表面的油漆。因此，在對電器外觀件的激光清洗過程中，應當選取適當?shù)膾呙栝g距。對本文而言，當掃描間距為0.05 mm，即路徑重疊率為75%時，激光清洗效果最好。

圖9 不同掃描間距下白色油漆試樣激光清洗后基底的表面形貌和三維輪廓Figure 9 Surface morphologies and 3D profiles of white paint specimens cleaned by laser at different scan spacings

2.5 清洗表面元素分析及微觀形貌

設(shè)定激光功率40 W、激光掃描速率300 mm/s、激光頻率400 kHz 和激光掃描間距500 mm/s，對電器元件表面漆層進行清洗試驗，清洗前后試樣的微觀形貌如圖10a 所示?？梢娫谳^優(yōu)的工藝參數(shù)下，激光清洗能將試樣表面的油漆去除干凈，得到平滑的表面。圖中清洗區(qū)域內(nèi)的油漆殘留是由于油漆經(jīng)過激光燒蝕作用后有極少數(shù)小顆粒由于重力作用而再次沉積在基材上所造成的。

圖10 試樣表面經(jīng)激光清洗和未經(jīng)激光清洗部分的微觀形貌(a)，以及激光清洗前(b)后(c)基底元素的能譜分析結(jié)果Figure 10 Micromorphology (a) of the areas on the specimen with and without being cleaned by laser and energy-dispersive spectroscopic analysis results of the elements of substrate before (b) and after (c) being cleaned by laser

對清洗前后的區(qū)域分別進行能譜分析。由圖10b 可知，清洗前試樣表面以C、O 元素為主，分別占51.85%和24.93%，并含有少量Ba、Al、Si、S、Ti 和Ca 元素。因此本文以C、O 兩元素表面含量作為衡量清洗效果的主要指標。由圖10c 可知，清洗后的試樣中C 元素占比約為11.23%，遠低于清洗前，而O 元素含量也下降到2.53%，因為在激光燒蝕作用下，漆層中的碳會與清洗環(huán)境中的氧結(jié)合生成CO2。清洗后仍存在少量C 元素和微量O 元素的主要原因是在清洗過程中未添加保護氣體，造成少量汽化油漆雜質(zhì)二次沉積，以及清洗過程中暴露在空氣中的基底發(fā)生了氧化。而清洗后的試樣中Zn 元素占比最大(約82.10%)，這是由于試樣表面的油漆被清洗干凈，金屬基底的鍍鋅層完全顯露出來。通過對比清洗前后試樣表面的元素可知，構(gòu)成油漆的主要元素是C 和O，這兩種元素在清洗后顯著減少，說明經(jīng)激光清洗后覆蓋在表面的電泳油漆被有效去除。這與微觀形貌圖呈現(xiàn)出來的清洗效果一致。以上能譜分析結(jié)果表明，在單因素實驗得出的最佳工藝參數(shù)下進行激光清洗后，試樣表面的油漆能夠較好地被去除，同時基底不會受到損傷，整體清洗效果較好。

3 結(jié)論

本文對電器外觀件表面的電泳油漆進行了激光清洗試驗，并從除漆后試樣基底表面形貌、粗糙度、元素成分等方面分析了工藝參數(shù)對漆層清除效果的影響，主要結(jié)論如下：

1) 黑白兩色油漆對激光的吸收率不同，導致清洗后基材的表面粗糙度不同。在相同的試驗條件下，白色油漆的去除難度大于黑色油漆，且對參數(shù)變化的敏感性更大。經(jīng)激光除漆后，黑色油漆試樣的基底更為平整、光潔，表面粗糙度更低。

2) 過高的掃描速率使得實際作用在漆層上的激光能量密度降低，導致漆層殘留，而過低的掃描速率易造成基體燒蝕和重熔。隨著激光功率的增大，表面油漆的清洗效果先變好后變差，功率過高易損傷基體表面。過低的脈沖頻率會導致單位時間內(nèi)激光作用在漆層上的次數(shù)減少，漆層不能被有效去除。掃描間距會影響激光清洗路徑的重疊率，掃描間距過大(即重疊率過小)易出現(xiàn)清洗盲區(qū)，反之易使基底出現(xiàn)重熔損傷。

3) 在激光掃描速率300 mm/s、功率40 W、頻率400 kHz 和掃描間距0.05 mm 的條件下，白色油漆的激光清洗效果最好，具有金屬外觀的鍍鋅層在清洗后顯露出來，基底未被氧化腐蝕。