鋁合金表面激光除漆工藝研究

趙飛

摘 要：激光清洗作為一種新的表面除漆技術具有高效環保、無接觸、污染小和可控性好的優勢。鋁合金材料是軌道車輛領域中的常用結構材料，激光除漆工藝已經在軌道車輛除漆領域得到了部分應用。本文以2024鋁合金為基體，分析了激光工藝對基體表面產生的影響，通過掃描電子顯微鏡（SEM）對激光除漆過程的基體表面形貌變化進行了研究。

0引言

鋁合金由于具有高的比強度和比剛度，良好的耐蝕性和可焊性，被廣泛用作軌道車輛的主要結構材料[1-3]，比如高速動車組CRH2、CRH3型車體的制造[4-7]。軌道車輛在出廠前，為了起到抗風、抗沙、抗高溫和沖擊的作用，會在車體表面預先涂覆一層氟-硅、氟-碳類油漆，保證車體運行壽命。軌道車輛在運行至一定里程之后需要進行全面檢修，首先需要對車體表面的漆層進行徹底清除。

激光清洗技術用于軌道車輛漆層的清除中存在激光熱作用過程控制精度較低、易造成基體損傷的問題。而軌道車輛服役期會承受較大動載荷，對材料的疲勞性能要求較高，基體的損傷會嚴重降低材料的疲勞性能。

針對鋁合金基體表面不同類型的漆層，目前常用的去除方法主要有：化學去除法[8]、物理去除法[9-10]和激光去除法[11]。

（1）化學去除法

主要采用無機或有機溶劑進行除漆。常用的無機溶劑有酸性清洗劑（如鹽酸、硝酸等）和堿性清洗劑（如氫氧化鈉、氫氧化鉀）。原理是利用清洗劑與鋁合金基體發生反應破壞漆層與基體之間的結合力，使得漆層與基體分離。缺點是除漆過程中的危險性和污染性高。

（2）物理去除法

包括機械去除和高壓水射流去除。機械去除的原理是通過機械打磨使得漆層與基體分離。但其除漆質量差、除漆效率低、噪音污染大。高壓水射流除漆過程具有可達性好的特點，其原理是利用高壓沖刷硬物對漆層產生的強烈沖擊作用去除漆層，缺點是對基體有損傷。

（3）激光去除法

原理是激光照射到基體表面后漆層吸收激光能量，通過光熱轉換在漆層內產生熱應力，使得漆層與基體實現分離。除漆過程的可控性、可達性、環保性優良。

目前，安全環保、節能高效已成為現代工業發展的大趨勢，激光除漆技術得到了廣泛的應用。但由于對激光除漆的工藝優化缺乏合理的依據。因此，本文對鋁合金表面的激光除漆工藝進行了研究。

1激光除漆工藝研究

以2024鋁合金為基體，選用波長1064nm的光纖激光器進行鋁合金表面除漆實驗。采用功率為20W，掃描速度100mm/s。研究表明，鋁合金對1064nm波長的激光吸收率約為8%，漆層對此波長的吸收率約61.4%。實驗選用脈沖激光模式。用Quanta-450FEG掃描電子顯微鏡分析了漆層去除前后基體表面的微觀形貌變化，并用TR20型表面粗糙度測量儀分析了除漆前后表面粗糙度的變化。

2激光除漆對基體表面形貌的影響

激光除漆過程中，漆層吸收激光的能量產生溫度梯度引起漆層內部出現熱應力，當熱應力數值大于漆層與基體的結合力后漆層就會脫離基體。圖1a、b分別是激光作用前后的基體表面形貌SEM圖。由圖b得出，漆層是以整塊碎裂的形式脫離基體，實現熱應力去除。

鋁合金基體激光除漆前后的表面輪廓曲線如圖2所示，漆層發生熱應力去除后表面的粗糙度明顯增大，且基體表面出現較多深而尖的凹坑形態。

從圖1中漆層熱應力去除后的SEM圖得出，漆層去除區域基本呈圓形。因此，漆層發生熱應力去除的最低激光能量密度可以近似等于熱應力去除區域邊界處對應的能量密度。測量5組激光熱應力去除漆層區域的半徑，取平均值，由于激光能量密度可表示為[11]：

其中，Ea——平均能量密度

Q——激光脈沖能量

w——光斑半徑

r——去除邊緣到激光斑點中心的距離。

根據計算，漆層發生熱應力去除的最低激光能量密度為0.449J/cm2。

綜上所述，漆層發生熱應力去除的缺點是：漆層熱應力去除后基體表面粗糙度增大。

3激光除漆對基體的損傷

在激光除漆的過程中，基體表面發生粗糙度的變化，導致基體部分區域長時間受到激光直接照射，當熱積累達到一定程度后使鋁合金表面出現熔化或凹坑等損傷（圖3），對應的激光能量密度分別為0.461J/cm2和2.534J/cm2。

鋁合金基體出現損傷的原因：激光作用于漆層，漆層不斷吸收激光能量產生熱量，當激光能量密度大于0.461J/cm2時，漆層表面溫度高于漆層熔點出現熔化損傷。當基體表面熱積累逐漸增大，基體出現汽化現象[12]，導致鋁合金基體表面形成凹坑。激光作用時間越長，基體損傷尺寸越大。經過分析，激光作用時間與基體損傷尺寸存在一定的關系，如圖4所示。

由此可知，鋁合金基體發生損傷的最低激光能量密度為0.461J/cm2，漆層去除過程需要保證激光能量密度合適，以避免對基體造成損傷。

4 結論

采用激光除漆技術可以有效地去除鋁合金基體表面的漆層，前提是選定合適的激光作用參數，以保證在對基體無損傷的前提下獲得較好的漆層去除效果。高效優質的激光除漆技術在軌道交通行業得到廣泛應用具有重要的意義。

參考文獻：

[1]李平， 孫振宇， 王祝堂. 鋁合金軌道車輛結構及合金性能[J]. 輕合金加工技術， 2012， 40（07）： 1-12.

[2]周峰， 徐貴寶， 周斌， 等. 高強度鋁合金材料在軌道交通行業應用概述[J]. 機車車輛工藝， 2015（5）： 9-10.

[3]劉錫權. 軌道交通行業應用鋁合金材料知識庫的研究[J]. 城市軌道交通研究（12）： 2008（12）： 17-20.

[4]胡敏. 我國軌道交通的發展對鋁合金需求的分析[J]. 鐵道運輸與經濟， 2007（11）： 87-89.

[5]吳海旭， 楊麗， 王周兵， 等. 我國軌道交通車輛用鋁型材發展現狀[J]. 輕合金加工技術， 2014， 42（1）： 18-20.

[6]王登文， 史愛萍. 鋁材在鐵路及城市軌道交通中的應用[J]. 中國金屬通報， 2011（05）： 22-23.

[7]朱正鋒， 張國榮， 周斌， 等. 鋁合金在軌道交通業的應用與展望[J]. 鐵道機車車輛工人， 2006（1）： 26-29.

[8]顏杰紅. 環保型脫漆劑EFS2500的應用[J]. 電鍍與涂飾， 2017（2）： 106-109.

[9]孫雪晴. 聚氨酯類銅漆包線水性脫漆劑的研究[D]. 合肥工業大學， 2015.

[10]何靜. 堿溶液法脫除聚酯漆包線漆膜及其工程應用[D]. 浙江大學， 2016.

[11]Han J， Cui X， Wang S， et al. Laser effects based optimal laser parameter identifications for paint removal from metal substrate at 1064nm： a multi-pulse model[J]. Journal of Modern Optics， 2017：1-13.

[12]凌步軍， 劉新金， 倪振興， 等. 激光毛化表面微形貌成形工藝實驗研究[J]. 現代制造技術與裝備， 2017（11）：30-33.