0.   引言

由于气候等原因，飞机蒙皮表面的油漆层在飞机服役过程中会逐渐老化，出现裂纹，甚至脱落^[1]，这降低了对飞机蒙皮的防腐蚀效果和保护作用，进而影响到飞机的安全运行，所以在飞机大修和蒙皮损伤维修中需要对蒙皮除漆，并在探伤结束后重新涂装^[2]。传统的除漆方法已经不能满足当前的生产要求^[3-5]。激光清洗技术作为“21世纪最具发展潜力的绿色清洗技术”，具有精准定位清洗区域、高效率自动化清洗、不损伤人体健康、不污染环境等优点^[6-7]，能够满足高效、节能、环保的要求，可用来代替传统的除漆方法。

1969年，美国的BEDAIR和SMITH^[8]首次提出激光清洗技术。1974年，FOX^[9]首次成功使用激光清洗技术去除铝合金表面油漆层。之后，激光清洗技术在除漆方面的研究也引起了越来越多的关注。ZHU等人^[10]研究了离焦量、扫描速率和激光功率的不同组合，发现可以在不损伤铝合金基材的情况下去除漆层，除漆后基材表面的力学性能有所提升。GAO等人^[11]结合数值模拟及实验研究发现，在合适的能量密度和搭接率组合下，除漆得到的表面可满足涂装工艺要求。ZHAO等人^[12]认为脉冲频率与扫描速率取合适的值相组合，能够使扫描质量和效率提高, 并对清洗过程进行分析，提出了3种剥离机制。LIU等人^[13]对船体表面的漆层进行激光清洗，以激光功率为变量，研究了其对表面粗糙度和表面形貌的影响。ZHU等人^[14]对激光除漆的最佳工艺参数进行了优化, 认为飞机蒙皮的表面性能在除漆后不会降低。LEI等人^[15]认为毫秒脉冲激光和纳秒脉冲激光在合适的参数组合下都能有效除漆，前者的主要机制为气化与燃烧效应, 后者的主要机制为热弹性振动效应。LIU等人^[16]研究了激光功率等4个参数与除漆后基体表面粗糙度之间的关系。QIN等人^[17]对激光功率、脉冲频率和扫描速度与除漆效果之间的关系进行了研究，获得了最佳的除漆工艺参数组合。

上述表明，关于激光除漆的机理及工艺已经开展了一系列的研究，其中不乏利用正交试验寻求最优工艺参数组合的研究，但大多为三因素三水平^{[10, 17]}或四因素三水平^[16]，五因素正交试验的研究较少，而五因素相较于三因素和四因素能够更加全面地反映激光设备的各主要参数对清洗效果的影响程度。本文中使用纳秒脉冲激光去除2024铝合金表面厚度为200 μm左右的丙烯酸聚氨酯漆层，在激光功率、脉宽、扫描速率、扫描次数和扫描间距这5个主要参数中各选取4个值开展正交试验，分析激光清洗漆层后试样的表面形貌、能谱、粗糙度和谷峰差值，对比得出最优工艺参数组合，为飞机蒙皮再涂装前除漆提供参考。

1.   实验

1.1   试样制备和实验设备

本次实验中采用2024航空铝合金，将铝合金基材切割成长宽高为40 mm×30 mm×1 mm的样块，用水砂纸打磨后，在表面喷涂平均厚度为200 μm左右的丙烯酸聚氨酯面漆(如图 1所示)。激光清洗系统采用深圳杰普特公司的100 W掺镱脉冲光纤激光器，波长为1064 nm，最大平均输出功率为100 W，最大扫描速率为8000 mm/s，脉冲宽度范围为2 ns~500 ns, 频率范围为1 kHz~4000 kHz，聚焦光斑直径为60 μm，焦距为120 mm。电脑控制激光器发射出激光，经光纤传输后通过准直镜变成平行光，再由振镜反射并通过场镜聚焦后作用在工作台的试样上，产生的烟尘由回收系统回收，示意图如图 2所示。

图  1  喷漆试样断面图

Figure  1.  Paint specimen cross-section

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图  2  激光清洗设备示意图

Figure  2.  Schematic diagram of laser cleaning equipment

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利用激光共聚焦显微镜测量试样清洗后的表面宏观形貌和粗糙度，并获取试样表面3维形貌，使用可变真空钨灯丝扫描电镜测量试样清洗前后的微观形貌，并使用能谱仪分析试样表面的元素成分。

1.2   实验方案

本次实验利用激光功率、脉冲宽度、扫描速率、扫描次数和扫描间距这5个参数，在预实验的基础上，1个参数选取4个值来设计正交试验，使用L₁₆(4⁵)正交试验表，进行16组实验，因素水平设计见表 1。

表  1  五因素四水平正交试验

Table  1.  Orthogonal test of five factors and four levels

levels	power/W	scanning speed/(mm·s-1)	pulse width/ns	number of scanning	scanning line spacing/mm
	A	B	C	D	E
1	25	3000	100	1	0.03
2	50	4000	200	2	0.06
3	75	5000	300	3	0.09
4	100	6000	400	4	0.12

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本次正交试验用去除漆层的厚度作为清洗效果的评判标准，以下将除漆效果划分为10个等级，如表 2所示。漆层基本去除，但基材表面仍残留一层很薄的碳化层，这种情况也归为9级，完全去除漆层为10级。正交试验结束后，直观分析得出每个参数的最优值，以最优值组成的一组参数再次进行试验，试验结果与正交试验中清洗效果最好的一组实验结果进行比较，得出最优参数组合^[18]。

表  2  除漆效果等级

Table  2.  Grades of paint removal thickness

thickness of paint removal h/μm	grades		thickness of paint removal h/μm	grades
＜40	1		120≤h＜140	6
40≤h＜60	2		140≤h＜160	7
60≤h＜80	3		160≤h＜180	8
80≤h＜100	4		180≤h＜200	9
100≤h＜120	5		complete removal	10

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2.   结果与分析

表 3为正交试验结果。表中A、B、C、D、E分别代表 5个参数，对应表 1；k_i表示在i(i=1, 2, …, 4)水平下该参数对应的清洗效果的平均值；极差R表示参数的水平变化对清洗效果的影响程度。由实验结果进行极差分析可知，R_A＞R_E＞R_D＞R_B＞R_C，所以，实验中5种工艺参数对除漆厚度的影响由大到小依次为激光功率、扫描间距、扫描次数、扫描速率、脉宽，其中激光功率的影响最为明显。

表  3  正交试验结果及分析

Table  3.  Results and analysis of orthogonal experiments

sample number	A	B	C	D	E	cleaning effect
1	1	1	1	1	1	5
2	1	2	2	2	2	2
3	1	3	3	3	3	2
4	1	4	4	4	4	3
5	2	1	2	3	4	6
6	2	2	1	4	3	7
7	2	3	4	1	2	3
8	2	4	3	2	1	8
9	3	1	3	4	2	9
10	3	2	4	3	1	9
11	3	3	1	2	4	2
12	3	4	2	1	3	1
13	4	1	4	2	3	9
14	4	2	3	1	4	3
15	4	3	2	4	1	10
16	4	4	1	3	2	9
k1	3.00	7.25	5.75	3.00	8.00
k2	6.00	5.25	4.75	5.25	5.75
k3	5.25	4.25	5.50	6.50	4.75
k4	7.75	5.25	6.00	7.25	3.50
R	4.75	3.00	1.25	4.25	4.50
optimal choice	A4	B1	C4	D4	E1

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图 3为激光清洗的极差效应曲线图。从图中可清晰地观察到各参数对除漆效果的影响。其中，除漆效果整体表现为随功率增大而增大，激光功率增大使作用在漆层表面的激光能量密度增大，相应的除漆厚度也增加；随着扫描速率的增大，除漆效果先减小后稳定在5级左右；除漆效果随脉宽的增大一直稳定在5级~ 6级左右，可见脉宽对除漆效果的影响不大；除漆效果随着扫描次数的增大而增大；除漆效果随扫描间距的增大而减小，这是由于扫描间距增大使得光斑搭接率变低，单位面积内平均能量密度变小，从而使得除漆效果减小。

图  3  激光清洗的极差效应曲线图

Figure  3.  Plot of the polarization effect of laser cleaning

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除漆效果随激光功率的增大具体表现为先增大后减小再增大的趋势，为了使激光功率与除漆效果之间的关系更加清晰，开展了功率单因素试验分析，结果如表 4所示。由分析可知，功率20 W时，除漆效果为3级；功率分别为40 W、60 W、80 W、100 W时，除漆效果均为9级。

表  4  功率单因素分析

Table  4.  Single factor analysis of power

number	power/W	cleaning effect	other parameters
Fig. 4a	20	3	scanning speed: 3000 mm/s pulse width: 150 ns number of scans: 1 scanning line spacing: 0.03 mm
Fig. 4b	40	9
Fig. 4c	60	9
Fig. 4d	80	9
Fig. 4e	100	9

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图 4是用共聚焦显微镜拍摄的不同功率下除漆后试样表面的宏观形貌图。功率20 W(见图 4a)除漆后，试样表面仍被漆层完全覆盖；功率为40 W(见图 4b)时，除漆后试样表面可以清晰地观察到基材表面打磨的划痕，基材表面只剩一层极薄的漆层残留，漆层基本去除；功率为60 W(见图 4c)时，除漆后基材开始裸露出来；随后将功率分别增大到80 W(见图 4d)、100 W(见图 4e)，除漆后试样表面的大部分区域仍有漆层残留。这表明，在单次扫描可以使基材裸露出来之前，单一的增大激光功率可以使除漆厚度增加；在单次扫描可以基本去除漆层，使基材裸露出来之后，单一的增大激光功率并不能提高清洗效果。

图  4  不同功率下除漆后试样表面的宏观形貌

Figure  4.  Macroscopic morphology of the sample surface after paint removal under different power

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通过极差分析得到最优工艺参数组合(求解组)为A₄B₁C₄D₄E₁：功率100 W；速率3000 mm/s；脉宽400 ns；扫描4次；扫描间距0.03 mm。正交试验中除漆效果最好的参数组合(优选组)^[18]为A₄B₃C₂D₄E₁：功率100 W；速率5000 mm/s；脉宽200 ns；扫描4次；扫描间距0.03 mm。求解组进行除漆实验，实验结果与优选组进行比较，以此作为验证实验。在验证实验过程中发现，扫描次数为2次时，试样表面已经呈银白色，但没有金属光泽，不能直观判断出漆层是否完全去除。故验证实验除最优组合A₄B₁C₄D₄E₁外，添加扫描次数为2次(A₄B₁C₄D₂E₁)和3次(A₄B₁C₄D₃E₁)两组补充实验。补充实验中除扫描次数外，其它参数均与求解组相同。优选组与求解组及补充组的对比实验如图 5所示。

图  5  优选组、求解组及补充组对比实验的微观形貌及能谱分析

a, e—优选组A₄B₃C₂D₄E₁ b, f—求解组A₄B₁C₄D₄E₁ c, g—补充1组A₄B₁C₄D₂E₁ d, h—补充2组A₄B₁C₄D₃E₁

Figure  5.  Microscopic morphology and energy spectrum analysis of the comparison experiments of the preferred group, the solved group and supplementary group

a, e—the preferred group A₄B₃C₂D₄E₁ b, f—the solved group A₄B₁C₄D₄E₁ c, g—supplementary group 1 A₄B₁C₄D₂E₁ d, h—supplementary group 2 A₄B₁C₄D₃E₁

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元素能谱分析中，漆层成分表现为碳元素(C)的原子数分数。由图 5中优选组(见图 5e)与求解组(见图 5f)基材表面元素分析图可知，求解组与优选组均能完全去除漆层。优选组基材表面形成了较为规则的熔坑且有较多氧化物颗粒分布(见图 5a)；求解组基材表面有整齐排列的熔坑，没有氧化物颗粒存在(见图 5b)；从第1组补充实验的表面微观形貌可以看出，在最优参数组合下，扫描次数为2次时，试样表面的局部区域基材已经裸露出来(见图 5c)，但仍有漆层残留，表面元素分析图显示碳元素原子数分数占较大比重(见图 5g)，这也表明漆层未被完全去除；第2组补充实验，基材已经完全裸露出来，基材表面形成了整齐的熔坑(见图 5d)，且未检测到碳元素的分布(见图 5h)，漆层被完全去除。

对比实验结果发现，优选组、求解组和补充2组都能完全去除铝合金表面漆层。而求解组扫描次数为4次，补充2组扫描次数为3次，两组合的其它参数均相同，这表明补充2组参数组合比求解组参数组合更加节能高效。本文中将继续对比优选组与补充2组的除漆效果。优选组与补充2组除漆后基材表面都形成了熔坑，影响了基材的表面完整性。材料表面完整性通常由表面形貌和粗糙度来表征^[19]，为验证以上2组实验除漆后的试样表面是否满足重新喷装的要求，对其表面的宏观形貌、面粗糙度S_a和峰谷高度(peak-to-valley height，PVH)进行了研究。

如图 6所示，优选组的S_a和PVH值分别为1.56 μm和54.49 μm；补充2组的S_a和PVH值分别为1.26 μm和67.91 μm。结合图 7进行分析，优选组表面有密集的凹坑呈带状分布(见图 7a)，凹坑带区域内PVH值较高，凹坑带之间PVH值较低(见图 7c)；补充2组的试样表面凹坑均匀分布，且排列整齐(见图 7b)，整体的PVH值基本一致(见图 7d)。

图  6  优选组、补充2组的S_a和PVH值

Figure  6.  S_a and PVH values of the preferred group and the supplementary group 2

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图  7  优选组和补充2组表面2维、3维形貌

a, c—优选组A₄B₃C₂D₄E₁ b，d—补充2组A₄B₁C₄D₃E₁

Figure  7.  2-D and 3-D surface morphology of the preferred group and supplementary group 2

a, c—preferred group A₄B₃C₂D₄E₁ b, d—supplementary group 2 A₄B₁C₄D₃E₁

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漆层的附着力会受除漆后试样表面的粗糙度影响^[20]，附着力的大小由基材表面的PVH值决定。PVH值太低，会使漆层附着力不够；PVH值太高，会使漆层与基材表面难以完全接触^[21]。为满足再涂装要求，除漆后基材表面粗糙度应小于3.2 μm，PVH值应在40 μm~100 μm^[22-23]。以上分析表明优选组和补充2组的S_a和PVH值均在再涂装要求范围内，但优选组试样表面不同区域间的PVH值存在较大差异，这将导致再涂装后飞机蒙皮漆层的附着力不一致，部分区域漆层先脱落，从而影响再涂装的可靠性^[20]；补充2组试样表面不同区域间的PVH值基本一致，再涂装后漆层与基体的结合力也将分布的更加均匀。所以，适用于再涂装的激光除漆最优参数组合如下：激光功率为100 W；扫描速率为3000 mm/s；脉宽为400 ns；扫描次数为3次；扫描间距为0.03 mm。

上述得出的最优参数组合为各参数所选定4个水平值之间的最优组合。本文作者期望在设备可提供的各激光参数的可调范围内，尽可能大范围地取值，由此做出各激光参数对除漆效果的影响的整体分析，并在此基础上得出最优参数组合。所以，尽管由图 3可知，脉宽在100 ns~200 ns之间对除漆厚度的影响呈下降趋势，并由此推测脉宽在100 ns以下可能会有更好地除漆效果，但本文暂时并未聚焦100 ns以内的脉宽做进一步的研究。

3.   结论

(a) 5种工艺参数对除漆效果的影响由大到小依次为激光功率、扫描间距、扫描次数、扫描速率、脉冲宽度，其中激光功率的影响最为显著。

(b) 在单次扫描能基本去除漆层的情况下，单一提高激光功率不能明显提高除漆效果。

(c) 对于2024铝合金表面200 μm左右的漆层，最佳的清洗工艺参数组合如下：激光功率为100 W；扫描速率为3000 mm/s；脉宽为400 ns；扫描次数为3次；扫描间距为0.03 mm。