一种激光清洗工件表面涂层的方法及激光清洗装置

技术领域

本发明涉及激光清洗领域，具体为一种激光清洗工件表面涂层且保留氧化膜的方法及激光清洗装置。

背景技术

现有技术中，在航空工业领域，已有利用激光与漆层和基底的相互作用克服漆层与基底的粘附力或直接将漆层气化，以清洗飞机蒙皮表面漆层的方法，如，申请号201910885307.7、“一种铝合金飞机蒙皮的表面除漆方法及其应用”即公开了一种通过激光清洗铝合金飞机蒙皮表面漆层的方案。

但在实际应用中，将铝和铝合金材料用于制造飞机蒙皮等产品前，需要对其先进行硫酸阳极化处理，形成氧化膜后再喷涂漆层。由此，在利用激光清洗具有氧化膜的工件表面漆层时，需同时考虑激光对于氧化膜、基底材料的影响。

目前现有技术中还未公开激光清洗具有氧化膜的工件表面漆层的方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种激光清洗工件表面涂层且保留氧化膜的方法及激光清洗装置，其可以在充分清洗工件表层涂层的同时不影响其下方的氧化膜、基底材料的结构性能。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，提供了一种激光清洗工件表面涂层且保留氧化膜的方法，其采用激光输出功率为50-120W、激光输出重复频率为20-30kHz、激光光斑直径为25-55μm、激光光斑搭接率为50-70％、纵向填充间距为0.05-0.15mm的激光清洗工件表面涂层且保留氧化膜，且所述表面涂层覆盖于所述氧化膜上。

优选的，所述激光输出功率为60-100W。

优选的，所述激光光斑搭接率为60-65％。

优选的，所述激光的扫描速度为2500-4500mm/s。

优选的，所述激光的单脉冲能量为2.0-3.5mJ。

优选的，所述激光的脉冲宽度为20-30μs。

优选的，所述表面涂层包括底漆和/或面漆。

优选的，所述工件为铝合金工件。

优选的，所述激光由气体激光器产生并发出。

另一方面，还提供了一种可实现上述方法的激光清洗装置，其包括激光器，且所述激光器能产生激光输出功率为50-120W、激光输出重复频率为20-30kHz、激光光斑直径为25-55μm、激光光斑搭接率为50-70％、纵向填充间距为0.05-0.15mm的激光。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明中通过合理配置激光输出功率、激光输出重复频率、激光光斑直径、激光光斑搭接率、纵向填充间距以及激光扫描次数等重要参数，可有效清洗氧化膜表层的涂层(包括底漆和面漆)，且不影响氧化膜的结构、成分组成，清洗后的工件质量符合标准，且操作简单，无污染，有利于大幅提高铝合金工件等表面涂层的清洗效率。

附图说明

图1为本发明中铝合金工件表面涂层的元素组成结果；

图2为本发明中铝合金工件表面清洗前后表面元素组成的对比结果；

图3为自然生成的阳极氧化膜的元素组成；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本实施例提供了一种激光清洗工件表面涂层且保留氧化膜的方法，具体的，其采用激光输出功率为60W、激光输出重复频率为20kHz、激光光斑直径为50μm、激光光斑搭接率为70％、纵向填充间距(即垂直于激光扫描方向上，相邻两个激光光斑的中心距)为0.05mm、激光扫描速度为2500mm/s、激光单脉冲能量为2.0J、激光脉冲宽度为20μs的激光清洗工件表面涂层且保留氧化膜，且所述表面涂层覆盖于所述氧化膜上，同时，激光扫描次数为2-6次。

本实施例中，所述工件为铝合金工件，其包括基体、涂覆于基体表面的氧化膜以及涂覆于氧化膜表面的涂层，且所述涂层包括底漆和/或面漆，其中，所述底漆厚度为20-30μm，面漆厚度为30-60μm，氧化膜厚度为2-20μm；进一步的，所述激光由CO2激光器等气体激光器产生并发出。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处仅在于，激光参数为：激光输出功率为120W、激光输出重复频率为30kHz、激光光斑直径为40μm、激光光斑搭接率为65％、纵向填充间距为0.1mm、激光扫描速度为4500mm/s、激光单脉冲能量为2.75J、激光脉冲宽度为25μs。

实施例3：

本实施例与实施例1的不同之处仅在于，激光参数为：激光输出功率为100W、激光输出重复频率为25kHz、激光光斑直径为25μm、激光光斑搭接率为60％、纵向填充间距为0.06mm、激光扫描速度为3500mm/s、激光单脉冲能量为305J、激光脉冲宽度为30μs。

实施例4：

本实施例提供了一种可实现上述方法的激光清洗装置，其包括激光器，且所述激光器能产生激光输出功率为50-120W、激光输出重复频率为20-30kHz、激光光斑直径为25-55μm、激光光斑搭接率为50-70％、纵向填充间距为0.05-0.15mm的激光。

以下为采用本发明的方法进行工件表面涂层清洗且保留氧化膜的试验过程与结果。

1.1试验清洗对象特性及其清洗策略分析

清洗试验对象为铝合金工件(以下均为“工件”)，其包括2024-T3包铝材料制成的基体S1，其尺寸为100mm×150mm，厚度为1mm；通过硫酸阳极化处理后形成的、且覆盖于基体S1表面的氧化膜S2；以及通过在氧化膜S2表面依次喷涂YMS2502Ⅰ型底漆S3和YMS2502Ⅱ型面漆S4形成的涂层。利用宇问EC-770型号漆膜测厚仪测得氧化膜S2厚度为7.25μm，底漆S3厚度为24.51μm，面漆S4厚度为41.54μm。

考虑到底漆、面漆形成的涂层主要是通过气化蒸发机制清洗，并且涂层与氧化膜对CO2波长的吸收率的差异较为明显，因此试验选用Coherent150二氧化碳激光器进行清洗试验研究。

进一步的，采用EDS技术(即X射线能谱分析)对油漆涂层表面进行了元素成分面扫，发现涂层主要由碳元素和氧元素组成，且质量占比超过90％，因此，考虑到涂层厚度和涂层元素组成，在后续的清洗试验中采用激光扫描多次，以多次清洗的清洗策略。

1.2激光清洗性能评价

综合项目需求，主要对清洗后的工件进行检测，检测项目如下所示。

1.2.1表面清洁度

采用激光输出功率为60W、激光输出重复频率为20kHz、激光光斑直径为40μm、激光光斑搭接率为65％、纵向填充间距为0.05mm的参数设置对工件表面涂层清洗2次后，在显微镜下观察表面清洁度，相对于未清洁表面，清洗表面无污染物附着，无明显扭曲、灼烧痕迹。

1.2.2表面清洁度、氧化膜裂纹检测

采用激光输出功率为60W、激光输出重复频率为20kHz、激光光斑直径为40μm、激光光斑搭接率为65％、纵向填充间距为0.05mm的参数设置对工件表面涂层清洗2次后，在显微镜下观察激光清洗表面涂层后是否有裂纹，观察结果为，清洗后工件表面无明显裂纹产生，表面状态符合相关要求。

1.2.3氧化膜完整性

采用激光输出功率为60W、激光输出重复频率为20kHz、激光光斑直径为40μm、激光光斑搭接率为65％、纵向填充间距为0.05mm的参数设置对工件表面涂层分别清洗2次、4次、6次后，分别选取激光清洗次数为2次、4次、6次的工件各两块，在每一块工件清洗后的表面随机选取5组接触点，采用涡流电导率仪测试，测试得到清洗次数为2次、4次、6次的工件的电导率均值为20.56Ms/m、25.18Ms/m以及28.82Ms/m，结果表明激光清洗漆层2次、4次、6次后的工件样品表面均不导电。

1.2.4重新喷漆后的漆层附着力

先采用激光输出功率为60W、激光输出重复频率为20kHz、激光光斑直径为40μm、激光光斑搭接率为65％、纵向填充间距为0.05mm的参数设置对工件表面涂层清洗2次，再重新喷涂灰白色面漆，利用漆层测厚仪测得重新喷涂的面漆厚度为47.33μm。按照相关标准要求进行漆膜附着力检测。检测结果为，漆块无脱落现象，说明清洗后不影响重新喷漆，喷漆后的漆层附着力符合要求。

1.2.5氧化膜表面粗糙度

采用激光输出功率为60W、激光输出重复频率为20kHz、激光光斑直径为40μm、激光光斑搭接率为65％、纵向填充间距为0.05mm的参数设置对工件表面涂层清洗2次，利用Bruker白光干涉仪对清洗前后氧化膜S2表面进行三维检测。检测结果可以看出，清洗前氧化膜S2的表面粗糙度(即Ra)为0.661μm，清洗后表面粗糙度为0.324μm，均满足相关标准要求。

1.2.6耐腐蚀性

采用激光输出功率为60W、激光输出重复频率为20kHz、激光光斑直径为40μm、激光光斑搭接率为65％、纵向填充间距为0.05mm的参数设置对工件表面涂层清洗2次，进行中性盐雾试验，试验表明2024-T3包铝材料在激光清洗后360小时无腐蚀，说明经本发明清洗方法清洗后基体和氧化膜仍然具有良好的耐腐蚀性，完全可以满足实际使用需要。

1.2.6清洗前后成分分析

采用激光输出功率为60W、激光输出重复频率为20kHz、激光光斑直径为40μm、激光光斑搭接率为65％、纵向填充间距为0.05mm的参数设置对工件表面涂层清洗2次，采用电子背散射光谱检测清洗前/后工件表面的成分组成，发现清洗前碳元素含量最高，激光清洗后转变为以铝、氧、硫元素为主，同时，图2中清洗后的表面(几乎均为氧化膜S1)的组分比例与图3所示的自然生成的阳极氧化膜的成分相比，前者主要元素Al和O的占比差别均在合理区间内，其说明本发明的清洗方法可有效清洗底漆S3和面漆S4，同时不影响氧化膜S1的成分、结构组成。

综上所述，本发明中清洗方法可通过激光有效清洗氧化膜表层的涂层(包括底漆和面漆)，且不影响氧化膜的结构、成分组成，清洗后的工件质量符合标准，且操作简单，无污染，有利于大幅提高铝合金工件等表面涂层的清洗效率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。