離焦量對鋁合金表面激光除漆損傷特性的影響

楊文鋒,付嬋媛,錢自然,曹 宇,張華忠,李天權,朱德華,李紹龍

(1.中國民用航空飛行學院航空工程學院,四川 廣漢 618307；2.溫州大學機電工程學院,浙江 溫州 325035)

1 引 言

激光清洗技術是近10年來飛速發展的一種新型清洗技術,其原理在于高能量密度、短脈沖激光照射下,使工件表面的污染物瞬間氣化、蒸發、振動剝落,廣泛應用于現代高端行業設備清潔領域,包括航天航空、軌道交通、汽車制造等[1-4]。飛機表面整體除漆是飛機大修的重要環節,且在飛機除漆過程中必須在保證不損傷鋁合金基體的前提下,將除漆效率提升到行業可接受的程度。隨著激光除漆可行性和有效性得到廣泛認可,其應用部位逐漸擴展到飛機結構及部件。飛機進行除漆工作時會涉及復雜表面形狀或異形結構,當激光束作用在大曲率半徑表面或不規則幾何突變區域時,可能會導致離焦效果及激光光斑形貌、能量密度等重要參數的變化,激光除漆的損傷閾值及作用機理也相應改變,影響激光除漆質量[5-9]。激光除漆時鋁合金基體、漆層損傷閾值的確定顯得尤為重要,而損傷閾值決定于激光主要工藝參數及其與材料作用的機理。對于確定的激光器類型與材料體系,在不同離焦量進行激光除漆時,在保證基體不損傷的情況下,如何充分利用激光輸出能量,并有效提升激光除漆效率,是飛機蒙皮激光除漆的重要應用需求及待解決的關鍵問題之一。

在激光作用效果及精度方面,倪加明等[10]開展了激光束以不同離焦量(-6～+8 mm)入射到鋁合金表面氧化膜的理論和實驗探索,表明激光離焦量會顯著的影響清洗質量,離焦量為0 mm氧化膜徹底清洗干凈；離焦量為-2～+2 mm時,表面顯露鋁合金本色,沒有氧化物殘留,激光清洗工藝對平面度有一定適應性。元泉等人[11]開展了鋁合金表面氧化層及底漆的激光清洗實驗,研究表明,適當的離焦量有助于非均勻漆層的清洗,且焦點附近的激光更適合于鋁合金表面漆層和氧化層的清洗去除。Mali Zhao等[12]采用三維(3-D)動態聚焦激光振鏡對黃銅表面氧化層進行清洗,分析了氧化層的去除效率與離焦量的關系,得到結論,當離焦量為+0.5 mm時,Cu/O與Zn/O分別達到最大53.20和27.78,意味著清洗效果最好,且當激光離焦量大于72 mm時失去清洗能力。在激光束作用機理方面,朱映瑞等[13]針對激光除漆過程中離焦量的變化會對漆層去除機理產生影響的問題,通過高速攝像動態過程和掃描電子顯微鏡微觀形貌分析相結合的方法研究了不同離焦量條件下漆層去除機理的差異,表明離焦量為0 mm時,漆層主要通過熱應力、熔化、氣體沖擊三種方式去除；離焦量為±4 mm時,漆層主要通過熱應力和熔化蒸發去除。在表面形貌與損傷閾值方面,林嘉劍等[14]研究了變離焦量效應和能量累積效應,探索飛秒激光燒蝕過程中的能量吸收規律,研究激光功率和脈沖次數對面齒輪材料18Cr2Ni4WA的燒蝕凹坑深度和直徑的影響,研究表明正負離焦的存在都會造成燒蝕凹坑直徑增大和深度減小的現象,功率P=1 W時激光加工質量較好,脈沖數大于20時,加工質量受脈沖數影響較小。

本文針對飛機蒙皮激光除漆過程中,不同離焦量對激光作用于材料表面的光斑形貌及機理進行分析,并借鑒ISO 11254-1:2000(E)1-on-1激光損傷閾值測試方法(以下簡稱ISO 11254),對激光不同離焦量下的鋁合金、漆層的激光損傷閾值進行了測試與分析,基于激光單脈沖時材料表面單光斑的實際形貌進行二維、三維分析,并與理論結果進行了對比驗證。

2 材料與方法

鋁合金基體為飛機蒙皮常用的2024-T3鋁合金,切割為15 mm×15 mm×1 mm的試樣塊；鋁合金表面進行除油、清洗等預處理后,均勻涂覆40 μm厚的黃色環氧涂料。

激光除漆設備由光纖脈沖激光器、掃描振鏡、激光加工頭等組成,如圖1所示。光纖脈沖激光器主要參數見表1。激光器發出的激光光斑是按給定頻率分布的一系列不連續圓形光斑,在圓形光斑區域內激光能量服從高斯分布,本實驗中場鏡焦距為19.7 cm,光斑聚焦直徑為50 μm。

圖1 激光除漆設備示意圖

表1 激光器主要參數

借鑒ISO 11254損傷閾值測試方法[15-16],對鋁合金及漆層表面進行設定某一功率及離焦量下的10次單脈沖輻照,每一輻照點光斑外圓間隔為40 μm。根據ISO 11254損傷閾值判定方法,若10個輻照點中有1個點出現了較為明顯的損傷,則對應的損傷機率為10 %,以此類推。固定頻率60 kHz,調整激光功率從12 W開始,以0.12 W連續遞增,至損傷機率為100 %為止。

3 結果與討論

3.1 損傷閾值分析

損傷閾值是表征被激光輻照的介質抗激光損傷能力的重要參量,取決于激光參數及材料性能。在激光除漆過程中,若將能量密度控制在漆層100 %損傷與鋁合金0 %損傷之間即可達到高效去除漆層且不損傷鋁合金基體的效果。

以損傷機率為X軸,能量密度為Y軸建立X-Y坐標系,將試驗數據引入坐標系中進行線性擬合。

離焦有兩種形式:焦點處于被處理材料表面以上被稱之為正離焦,反之則被稱為負離焦。正負離焦情況下雖然最大能量密度移動方向不同,但在激光除漆領域,除漆效果呈對稱分布[10],因此本文離焦方式均采用正離焦。當激光分別以離焦量0 mm,+2 mm,+4 mm輻照在鋁合金基體及表面漆層上,能量密度與損傷機率的關系擬合曲線如圖2所示。

鋁合金基體在離焦量為0 mm、+2 mm、+4 mm情況下的能量密度與損傷機率擬合關系式如下:

(1)

計算得到離焦量為0 mm、+2 mm、+4 mm時鋁合金基體的損傷閾值DTAl-D0、DTAl-D2、DTAl-D4分別為24.07 J/cm2、21.38 J/cm2、19.26 J/cm2。

漆層在離焦量為0 mm、+2 mm、+4 mm情況下的能量密度與損傷機率擬合關系式如下:

(2)

計算得到離焦量為0 mm、+2 mm、+4 mm時漆層的損傷閾值DTsp-D0、DTsp-D2、DTsp-D4分別為10.37 J/cm2、9.97 J/cm2、9.18 J/cm2。

(a)鋁合金

(b)漆層

鋁合金基體及漆層的損傷閾值范圍可以采用圖3清晰的表現。不同離焦量下,當能量密度介于漆層損傷閾值與鋁合金基體損傷閾值之間時(圖中線段所示區域),可以高效去除漆層且不損傷鋁合金基體。以激光束聚焦入射為例,除漆時將能量密度控制在12.37～24.07 J/cm2之間可滿足除漆要求。隨離焦量增加,鋁合金基體及漆層的損傷閾值也相應降低。相對于聚焦入射,當離焦量為+4 mm時,鋁合金基體及漆層的損傷閾值分別降低19.98 %(4.81 J/cm2),11.48 %(1.19 J/cm2)。意味著僅需較小的激光能量即可達到清洗的目的,從而提升了激光除漆的能量利用率及除漆效率。不同離焦量下,去除漆層且不損傷鋁合金基體的能量密度范圍(漆層損傷機率100 %至鋁合金損傷機率0 %的范圍)均為9～11 J/cm2。較大的能量密度范圍為激光除漆且不損傷基體提供了可靠的安全余度。另外,鋁合金基體及漆層的損傷機率從0增加到100 %時,所對應的能量密度區間范圍相對較窄。以漆層為例,其損傷機率從0增加到100 %時,其對應離焦量為0 mm、+2 mm、+4 mm的能量密度范圍分別為2.00 J/cm2,1.60 J/cm2,0.90 J/cm2。說明對于特定的激光設備及材料,滿足漆層清除且不損傷鋁合金基體的激光除漆工藝參數規律明顯且可控性好。

預制掛板在施工現場的堆放與成品保護；掛板的吊裝就位；先掛式掛板與現澆結構的連接節點施工；掛板構件接縫的處理。

圖3 鋁合金基體及漆層損傷閾值范圍

3.2 表面形貌及機理分析

根據ISO 11254激光損傷閾值測試方法,激光以不同能量密度和離焦量在鋁合金及漆層上,材料表面損傷凹坑形貌存在差異。圖4為三種離焦量時鋁合金損傷機率分別為10 %、50 %、100 %所對應的能量密度作用下形成的損傷凹坑。

由圖4,當激光離焦量為0 mm,激光能量密度為24.73 J/cm2,損傷機率為10 %。僅高斯光斑能量中心處對鋁合金基體造成損傷,呈不規則孔狀；激光能量密度為26.45 J/cm2時(對應損傷機率為50 %),損傷處呈圓形,且高斯光斑能量最高處對鋁合金基體造成沖擊擠壓,形成沖擊凹坑；激光能量密度增加至29.17 J/cm2時(對應損傷機率為100 %),沖擊擠壓區(即環形內圓)的直徑增大,形成明顯的環形結構,并出現熔化態鋁合金向外擴展或內流的趨勢。同理,當離焦量為+2 mm、+4 mm時,隨著能量密度增加,激光作用在鋁合金基體表面造成損傷形貌符合以上變化規律。激光照射在鋁合金基體上時,隨著離焦量由0 mm增加到+4 mm,損傷機率為100 %時凹坑直徑由26.22 μm增加到65.55 μm。激光光斑聚焦直徑為50 μm,說明高斯光束能量在距離光軸一定距離后,其能量密度的下降已不能實現對材料表面的實際損傷,也說明隨離焦量增加,在功率及光斑大小保持不變時,材料表面實際作用面積相應增加,提高了能量利用及表面處理效率。

圖4 不同激光離焦量、能量密度

圖5為不同離焦量時漆層表面單脈沖激光損傷形貌。相對于鋁合金,漆層損傷機率及單脈沖作用效果隨激光能量密度地增加而產生更為明顯的變化。當激光離焦量為0 mm,激光能量密度為10.61 J/cm2時(對應損傷機率為10 %),光束對漆層表面產生燒蝕作用,使漆層表面出現明顯小于激光光斑(50 μm)的損傷。激光作用于漆層首先出現光熱轉換,光熱轉換后溫度升高,溫度向周圍擴散,在漆層表面厚度及水平方向產生溫度梯度,溫度高于漆層熱分解溫度時漆層出現熱氧化降解現象。損傷位置位于高斯光斑的中心區域,而遠離光軸的光斑截面區域無明顯的漆層燒蝕或脫落。隨著激光能量密度增加至11.43 J/cm2時(對應損傷機率為50 %),漆層表面厚度方向及水平方向產生溫度梯度使漆層中存在熱應力,當熱應力大于漆層撕裂強度后,漆層出現熱應力去除現象。在激光除漆燒蝕效應與熱應力效應作用下[17],部分漆層剝離形成損傷凹坑及裂紋。激光能量密度進一步增加至12.37 J/cm2時(對應損傷機率為100 %),燒蝕效應起主導作用,除此之外還存在沖擊作用。激光作用于漆層后漆層溫度急劇升高,漆層出現劇烈燃燒、氣化現象,在極短時間(約0.02 s)[18]和很小體積內燃燒、氣化現象導致漆層出現沖擊去除現象。因此表面無明顯裂紋,形成較大面積的整體燒蝕及剝離。激光照射在漆層上時,隨著離焦量由0 mm增加到+4 mm,損傷機率為100 %時凹坑直徑增加,由47.61 μm增加到69.69 μm,這是由于離焦量0 mm漆層去除方式主要有熱應力去除、熱降解去除、氣體沖擊去除,而離焦量+4 mm時漆層去除方式主要為熱應力去除和熱降解蒸發去除,無氣體沖擊過程。由于光斑面積增加,能量密度小于離焦量為0 mm的光斑能量密度,光熱轉換后的溫度要低于離焦量為0 mm時溫度,導致漆層的熱降解蒸發現象較為緩慢(約0.5 s)[18]。當去除過程進行到漆層與基體界面附近時溫度變化不明顯,燒蝕凹坑尺寸遠大于離焦量為0 mm時的尺寸,因此蒸發的涂層蒸汽不會出現被壓縮的過程,無氣體沖擊過程。

圖5 不同激光離焦量、能量密度作用下漆層損傷形貌

3.3 凹坑直徑及深度分析

當激光束以離焦狀態輻照在樣品表面,其光斑直徑采用式(3)計算[12]:

(3)

式中,Df代表光斑直徑(50 μm);h代表離焦量(mm);λ代表波長(1064 nm)。損傷機率100 %時,不同離焦量下的理論值、實測值比較見圖6。

圖6表明,對應100 %損傷機率的最低能量密度下,鋁合金基體與漆層在不同離焦量下的凹坑直徑理論值均小于損傷凹坑直徑的實測值。其原因在于,激光單脈沖作用于材料表面時,超過最低能量密度值,鋁合金與漆層均以燒蝕作用為主。由于鋁合金對紅外光纖激光的強吸收,在理論輪廓直徑外的小區域范圍內,其熱積累依然會導致鋁合金材料的燒蝕,且燒蝕邊界較為平齊。這一小區域范圍即為實際凹坑直徑與理論輪廓直徑的差異,其差異約23.8～29.0 μm。漆層材料在激光單脈沖作用下,在理論輪廓直徑內,主要以燒蝕與沖擊剝離為主。但在理論輪廓直徑外的小區域范圍內,主要在熱應力、蒸汽壓力及沖擊力作用下呈小面積整體剝離,凹坑邊界不規則,且邊緣由于應力作用導致裂紋產生。漆層實際凹坑直徑與理論輪廓直徑的差異約2.4～19.3 μm。

圖6 鋁合金及漆層凹坑直徑(理論值、實測值)

依據損傷凹坑的3D共聚焦線掃結果對鋁合金基體及漆層在不同離焦量下的凹坑深度進行自動測量,以離焦量0 mm的鋁合金100 %損傷機率凹坑測量為例,凹坑剖面曲線如圖7,結果列于表2。

圖7 離焦量0 mm的鋁合金100 %損傷

表2 鋁合金與漆層凹坑深度的測試結果

由表2,由于單個光斑區域的激光能量未發生變化,鋁合金及漆層在不同離焦量時的凹坑深度未產生明顯變化。但由于激光對鋁合金及漆層材料作用機制的差異,以及漆層損傷閾值較低,漆層表面的凹坑深度遠大于鋁合金,其差異約一個數量級。鋁合金及漆層的凹坑深度均隨著離焦量的增加而減小。這是由于能量隨傳播距離成指數規律衰減,導致激光作用材料表面的深度減小。距離材料表面H處的能量密度為[14]:

F(H,R)=βbF(R)exp(-bH)

(4)

式中,R代表光斑半徑;β為材料的吸收率;b為材料的吸收系數(鋁合金約為105cm-1,環氧底漆約為1.21×10-6cm-1)。對式(4)進行轉化,令R=0,F(H,R)=βbFth。即光斑中心位置處的燒蝕凹坑深度hmax為[14]:

(5)

式中,P代表損傷機率為100%時所對應的功率;ω0代表損傷機率為100%時所對應的實際凹坑直徑;fn代表頻率;Fth代表損傷閾值。由式(5)可知,燒蝕凹坑深度hmax和功率的對數值lnP滿足線性關系,斜率k=b-1。因此凹坑深度主要取決于材料對激光的吸收系數、不同離焦量下的凹坑直徑、損傷閾值。根據式(5)計算損傷機率100 %時的鋁合金凹坑深度分別為1.24 μm、1.20 μm、1.18 μm,漆層凹坑深度分別為14.44 μm、14.03 μm、13.92 μm。不同離焦量下的計算值、實測值比較見圖8,兩種結果吻合度較高,可得到相互驗證。

圖8 鋁合金及漆層凹坑深度(理論值、

圖8表明,對應100 %損傷機率的最低能量密度下,鋁合金基體與漆層在不同離焦量下凹坑深度略小于實際損傷凹坑深度。其原因在于,在脈沖激光束作用下,鋁合金表面迅速加熱升溫、熔化并發生劇烈的氣化,在氣化反沖力的作用下,鋁合金表面向下凹陷,形成凹坑。激光束在凹坑縱深方向深入鋁合金內部,熱量從凹坑向周圍傳遞,產生新的蒸發,在蒸汽壓力的作用下把鄰近的熔化金屬推向四周,從而進一步加深凹坑[18],造成鋁合金實際凹坑深度與理論凹坑深度的差異約0.5～0.9 μm。脈沖激光束作用于漆層,漆層以燒蝕效應及沖擊剝離效應為主,熱應力效應為輔,漆層表面及厚度方向加熱升溫、熱降解并氣化,在理論凹坑外的小區域范圍內,低于氣化溫度的涂層在氣化反沖力的作用下,堆積在凹坑周圍,導致實際凹坑深度與理論凹坑深度的差異約0.9～1.2 μm,大于鋁合金差異。

4 結 論

本文針對不同離焦量時激光單脈沖作用于鋁合金及漆層材料的損傷閾值及損傷特性進行了實驗與模擬研究,結論如下。

(1)激光離焦量由0 mm增加為+4 mm,光斑直徑與面積增加,鋁合金基體的損傷閾值由24.07 J/cm2減小為19.26 J/cm2,漆層的損傷閾值由10.37 J/cm2減小為9.18 J/cm2,可有效提升能量利用率及除漆效率；

(2)鋁合金及漆層表面凹坑深度隨離焦量的增大而減小,且漆層深度比鋁合金深度大一個數量級。離焦量增加,二種材料的表面凹坑直徑及面積均增加,且漆層凹坑面積均大于鋁合金。

(3)鋁合金表面凹坑主要以燒蝕作用為主,漆層表面凹坑主要以燒蝕、熱應力、蒸汽壓力及沖擊力作用為主,導致漆層實際凹坑面積較大,且凹坑邊緣在內應力作用下產生裂紋。

(4)離焦量0 mm漆層去除方式主要有熱應力去除、熱降解去除、氣體沖擊去除,而離焦量+4 mm時漆層去除方式主要為熱應力去除和熱降解蒸發去除,未出現氣體沖擊過程。