飛機鋁合金蒙皮激光除漆及其熱影響研究

楊文鋒,李 佐,劉 暢,張殊倫

(中國民用航空飛行學院航空工程學院,四川 廣漢 618307)

1 引 言

激光除漆(Laser paint stripping)是指將具有高能量密度的激光束照射到待除去的涂層部分,利用油漆與基體材料間熱應力效應和燒蝕效應移除基材表面漆層的激光應用技術(shù)[1],其特點是高效,清潔,可實時控制和反饋。運用激光技術(shù)針對飛機表面涂層的清除工作,最早可以追溯到20世紀90年代,德國科學家 Schweizer[2]采用2 kW的 TEA CO2激光器對飛機表面進行除漆,使用三個激光器,可以在3天內(nèi)完全去除1700 m2的飛機漆層(100 μm厚),而不會損壞金屬基板。激光除漆技術(shù)經(jīng)過近30年的發(fā)展,已經(jīng)完成了飛機整機除漆的飛躍。

國外在采用激光技術(shù)對飛機蒙皮表面除漆的研究應用較為領先,荷蘭的LR System公司生產(chǎn)采用20 kW二氧化碳激光器(LCR)能夠輸出在30 m距離范圍內(nèi)激光光束來去除微米尺度下的油漆。美國猶他州希爾空軍基地(Hill AFB)的 Ogden空軍修理廠通過兩臺配備IPG光纖激光器的機器人激光涂層去除系統(tǒng)(ARLCRS),成功地完成了F-16戰(zhàn)斗機的整機除漆。國外基礎研究方面,2016年,Gillian[3]等人通過實驗和數(shù)值研究了飛機蒙皮復合材料層合板在激光除漆下的熱損傷,分析了激光作用下材料的損傷機理。2017年,Han[4]等人在燒蝕形貌的基礎上,結(jié)合實驗和數(shù)值模擬,研究了波長為1064 nm多脈沖激光對鋁合金基板的脫漆參數(shù)。國內(nèi)基礎研究方面,2005年,中國科學院電子研究所的鄭光[5]對TEA CO2激光器應用于飛機金屬蒙皮除漆進行了較為系統(tǒng)的研究,結(jié)果表明TEA CO2激光除漆不會給飛機帶來安全隱患。2008年,國防科學技術(shù)大學穆景陽[6]等人研究了長脈沖激光輻照下對復合材料的熱燒蝕規(guī)律。2012年,同濟大學賀鵬飛[7]等人運用有限元軟件ANSYS對復合材料溫度場,熱應力進行數(shù)值模擬,研究了激光參數(shù)對復合材料燒蝕的影響。2017年,陜西飛機工業(yè)有限公司胡久[8]等人通過對比激光除漆與溶劑除漆對飛機蒙皮零件的性能影響,驗證了激光除漆生產(chǎn)應用的可行性。2018年,中國工程物理研究院蔣一嵐[9]等人利用高重復頻率 CO2激光器對飛機蒙皮上的 90 μm 厚的雙層復合油漆層進行去除研究,表明激光除漆完全不會損傷基底。國內(nèi)的工作主要探討激光除漆效果及除漆后基體材料的損傷程度,而激光除漆過程中產(chǎn)生的熱影響,熱損傷等問題卻研究甚少,同時未針對民機蒙皮除漆的行業(yè)現(xiàn)狀和需求,即效果-效率-成本-技術(shù)驗證-一體化解決方案-設備這一總體技術(shù)路線來開展。

論文采用納秒級光纖脈沖激光進行激光除漆后的熱影響研究。光纖激光可實現(xiàn)遠距離柔性傳輸,而短脈沖可有效降低單脈沖能量,從而充分利用激光平均功率,提升除漆效率。采用紅外熱像儀(非接觸式)結(jié)合溫度無紙記錄儀(接觸式)監(jiān)測除漆時漆層和基體的反應溫度,通過掃描電子顯微鏡對除漆后基體微觀形貌進行表征,涂層測厚儀測量除漆前后金屬基體表面氧化層的變化,研究鋁合金漆層激光除漆時的熱影響,獲得激光除漆時鋁合金溫度分布及除漆效果和氧化層變化的定量描述,分析了激光除漆時的作用機理,為研究飛機鋁合金蒙皮激光除漆時的熱影響提供了重要參考。

2 除漆機理分析

激光除漆過程中激光作用于漆層符合激光燒蝕,光-力學機理[10],較高的激光能量密度使面漆層溫度急速升高,在脈沖激光輻照下,熱量在面漆層積聚,表面溫度迅速上升,達到油漆的熔點、沸點,導致漆層瞬間氣化且該過程中產(chǎn)生大量白色刺鼻煙霧。

對于高斯型光束,光束中心升高溫度Ts可以近似按以下公式計算[11]:

(1)

式中,F為平均激光功率密度;K為熱傳導率;α是熱擴散率;R為材料對激光的反射率;(1-R)為材料表面對激光的吸收率;t為脈寬;α的典型值是10-2cm2/s,油漆為絕熱材料,熱導率低。假設油漆層表面對激光的吸收率為1,K=0.5 W·m-1·K-1,通過公式(1)計算分別計算3組試驗,Ts1≈616.81 ℃,Ts2≈1233.62 ℃,Ts3≈1850.43 ℃,該溫度已足夠使漆層氣化。

2024-T3鋁合金對1064 nm紅外光纖激光的吸收率在20 %左右[12],由于脈沖激光作用時間極短,當油漆層被激光去除之后,后續(xù)激光輻照在基體表面并不會引起基體的溫度升高很多,除此之外,2024-T3鋁合金本身的熱導率很高,達到了193 W·m-1·K-1[13],所以激光作用結(jié)束之后,金屬基體能迅速散溫冷卻至室溫。

此外,激光燒蝕過程中產(chǎn)生的高壓可按以下公式計算[14]:

Pa=bI0.7λ-0.3τ-0.15

(2)

式中,Pa為沖擊壓強,b為材料系數(shù)(例如銅為3.9,碳氫鍵材料為6.5);I為激光功率密度;λ為激光波長;τ為脈寬。假設鋁合金系數(shù)取5,由該公式可以知道激光燒蝕過程中沖擊壓力隨激光能量的變化規(guī)律。當脈寬為200 ns時,對于激光能量密度為12.22 J/cm2的激光束,其激光功率密度約為1.222×103kW/cm2,產(chǎn)生的沖擊壓力約為2.83 GPa(2.83×109Pa)。圖1由MATLAB軟件生成,可以看出,沖擊波的最大壓力在激光束的中心,沿徑向減小。在激光束半徑內(nèi),壓力可達幾個GPa。在高壓沖擊波沖擊下,燒蝕漆層的混合物完全可以被去除。

圖1 高斯光束的空間壓力分布

3 材料與方法

3.1 材料與噴漆

2024 T-3鋁合金板,表面陽極化處理,尺寸為15 cm×15 cm×1 mm,上海寶夕鋁業(yè)集團； EPOXY 300環(huán)氧磷酸鋅雙組份防銹底漆； PolaneT聚氨酯紅色面漆,美國宣偉涂料(中國)有限公司。

采用靜電噴槍高壓空氣噴涂,噴槍型號為Xp60,美國固瑞克公司,保證最小壓強15 MPa以上均勻噴涂至2024 T-3鋁合金上,噴漆區(qū)域大小為9 cm×9 cm×50 μm(如圖2(b)所示)。其中底漆厚度20 μm,面漆厚度30 μm。

圖2 2024-T3鋁合金表面噴漆

3.2 激光除漆工藝及參數(shù)

圖3為激光除漆工藝示意圖。采用1064 nm紅外光纖激光器,最大平均功率P為120 W。通過機械臂聯(lián)結(jié),輸出光斑直徑d為50 μm的高斯圓光斑。激光頻率F為100 kHz,脈寬τ為200 ns,掃描速度v為1000 mm/s,掃描間距s為30 μm。通過調(diào)整不同激光功率,形成不同的激光能量密度對鋁合金樣品漆層進行去除。

圖3 激光除漆工藝示意圖

為了量化激光能量分布,將激光能量密度定義為單脈沖能量在光斑面積上的能量分布[15],即:

(3)

式中,ED為激光能量密度,單位為J/cm2；P為激光功率；F為激光頻率；d為光斑直徑。表1為試驗具體參數(shù)。

表1 各組試驗的具體參數(shù)

3.3 測試與分析方法

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對不同除漆樣品的表面微觀形貌進行表征,以分析不同除漆程度時表面形貌的變化差異,有助于分析除漆效果。SEM設備為SS-60-ST型臺式掃描電鏡,測試加速電壓5 kV,測試環(huán)境為真空。

采用紅外熱像儀(非接觸式)記錄不同激光能量密度除漆時的基體反應溫度,分析漆層激光除漆時的熱影響。紅外熱像儀型號為Ti401-Pro,溫度量程為-20 ℃至1500 ℃；溫度精度為±2 ℃或2 %；美國FLUKE公司。

采用便攜式涂層測厚儀對除漆后漆層及金屬表面氧化層厚度變化進行測量,以分析除漆效果及金屬損傷程度。測厚儀型號為Positector 6000；美國DeFelsko公司。圖4為熱電偶粘貼示意圖和金屬氧化層測量位置示意圖。

圖4 熱電偶粘貼示意圖和金屬氧化層測量位置示意圖

采用熱電偶-溫度無紙記錄儀(接觸式)記錄激光除漆時金屬基體溫度,有助于分析激光除漆時的金屬傳熱溫度。熱電偶粘貼于待除漆區(qū)域背面中心處,溫度無紙記錄儀型號為SIN-R9600G,杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司。

4 結(jié)果與討論

4.1 SEM測試

圖5為2024-T3鋁合金涂層激光除漆后的SEM照片,(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為不同激光能量密度處理后的除漆結(jié)果,圖中序號對應表1中序號。試驗結(jié)果表明,除漆效果受到激光能量密度,激光功率因素的影響。

(a)ED=3.05 J/cm2

激光能量密度為3.05 J/cm2時,對比原始面漆層,漆層開始出現(xiàn)剝離,同時部分底漆可見,在除漆過程中開始出現(xiàn)白色煙霧,沒有明火。

激光能量密度為5.11 J/cm2時,面漆層清除較為徹底,氧化層表面條狀紋理顯露,但是底漆殘留較多,附著于氧化層表面,試驗過程中白色煙霧明顯增加。

激光能量密度為6.12 J/cm2時,由于激光功率和能量密度的增加,第一次掃描后面漆部分清除,底漆顯露,由于熱積累效應,樣品表面溫度不斷升高,直到第4次掃描后便將灰色底漆完全清除,對比原始漆層圖片,漆層去除較為徹底,表面無塊狀灰色底漆殘留。對比原始氧化層,除漆后表面平整度較好,金屬基底損傷不明顯,同時試驗過程中不產(chǎn)生明火,說明除漆效果較好。

激光能量密度為12.22 J/cm2時,除漆過程中產(chǎn)生大量刺鼻白色煙霧,除漆后樣品表面出現(xiàn)碳化的黑色粉末物質(zhì),該物質(zhì)質(zhì)地松軟,且易于擦去,擦去后露出金屬基體,氧化層表面損傷嚴重,條狀紋理已被刻蝕。

激光能量密度為18.34 J/cm2時,可以明顯看到,光束直徑d=50 μm,掃描間距s=30 μm,符合設置的工藝參數(shù)。漆層清除徹底,但基體陽極氧化層明顯發(fā)白(如圖5(e)),基體表面氧化層已被破壞,且基底已損傷,除漆過程中能觀察到明火,除漆后激光掃描路徑痕跡明顯。

由圖6可知,當激光能量密度達到6.12 J/cm2時,漆層清除較為徹底,漆層厚度只剩下0.9 μm,已完全達到除漆的要求,繼續(xù)增大激光能量密度,漆層完全被清除,但鋁合金表面氧化層及基體受到不同程度的損傷。

圖6 不同激光能量密度處理之后的漆層厚度變化

起初激光束不能直接透過面漆層和底漆層輻照至鋁合金表面,隨著激光能量密度逐漸增大,漆層逐層脫落,厚度不斷減薄。所以,通過選擇合適的激光除漆參數(shù),能夠?qū)⒈砻嬗推釋油耆コ也粨p傷基體。圖7(a)、(b)為原始面漆層及未涂漆樣品表面。

(a)原始面漆層

4.2 紅外熱成像分析

選擇可以完全去除漆層的激光參數(shù)進行紅外熱成像分析,圖8為紅外熱成像測試結(jié)果,(a)、(b)、(c)分別是激光能量密度為6.12 J/cm2、12.22 J/cm2、18.34 J/cm2的紅外熱成像分析。

(a)ED=6.12 J/cm2

紅外熱成像結(jié)果表明,在整個激光除漆過程中,鋁合金基體表面溫度升溫最大不超過68.54 ℃,在激光能量密度增加的過程中,除漆區(qū)域平均溫度有略微增加,在除漆過程中漆層邊緣溫度高于平均溫度。不同激光能量密度處理后基體溫度變化如表2所示。

表2 不同激光能量密度處理后基體溫度變化

4.3 溫度無紙記錄及氧化層測定

本次接觸式溫度測試采用溫度無紙記錄儀,熱電偶粘貼于除漆區(qū)域背面中心處。圖9為熱電偶溫度變化曲線。激光除漆時間共為180 s,在180 s時達到最高溫度,最高溫度分別為42.2 ℃、37.2 ℃、32.4 ℃。

圖9 不同激光能量密度除漆后金屬基底溫度變化

在激光除漆后,選擇激光能量密度為6.12 J/cm2的樣本進行氧化層厚度測定,分別測量樣本邊界4點及中部位置的氧化層厚度,對比除漆前氧化層測定結(jié)果,發(fā)現(xiàn)氧化層厚度較原始樣本有略微降低。測定結(jié)果如圖10所示。

圖10 ED=6.12 J/cm2除漆前后氧化層不同測量點測定結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)采用掃描電子顯微鏡,對除漆后基體微觀形貌進行表征,說明采用激光能量密度為6.12 J/cm2的光纖激光對2024-T3鋁合金待除漆樣本進行清除,可以去除漆層的同時不造成基體損傷。

(2)采用合適的激光參數(shù),同時采用紅外熱成像和熱電偶完成除漆時漆層及基體的溫度監(jiān)控,激光除漆過程中產(chǎn)生最高溫度為49.11 ℃,熱積累溫度未產(chǎn)生熱損傷。

(3)采用涂層測厚儀對樣本漆層及氧化層厚度進行表征。除漆后鋁合金氧化層厚度較未除漆樣本有略微降低。

(4)試驗結(jié)果符合激光燒蝕、光-力學作用機理,激光除漆未造成鋁合金基體溫度過高,激光除漆工藝可行。