脉冲激光清洗铝合金表面油漆涂层的技术研究

作     者：刘世光 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王海涛;曹成铭

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光清洗 2024铝合金 激光入射角度 响应曲面法 超声辅助激光 

摘      要：喷涂油漆是工业领域中保护、装饰设备表面的常用方法,当油漆破损或对设备进行检修时需要去除原来油漆。除漆质量直接影响设备的后续使用与性能。激光清洗作为一种新型的表面清洗技术,相比传统清洗技术具有精确可控、绿色环保的优势,将激光清洗技术应用到油漆涂层清洗领域具有重要意义。本文进行了 2024铝合金表面油漆涂层的激光清洗技术研究。主要从三个方面展开:一是探究了激光入射角度对激光除漆效果的影响;二是利用响应曲面法优化激光除漆工艺参数的研究;三是提出了一种超声辅助激光两步清洗法,并进行了相关试验。研究内容如下:为探究激光入射角度对除漆效果的影响。采用激光干式清洗方法,通过改变激光束与样品表面的夹角实现不同入射角度的激光除漆。试验结果表明:油漆去除深度随激光入射角度的减小呈先增大后减小的趋势,激光入射角70°时达到最大油漆去除深度。在激光能量密度5 J/cm2时,激光入射角70°相比40°时,油漆去除深度增加160.57 μm,这种差值会随着油漆厚度的增加而更加显著。同时,激光入射角度也会对样品的表面粗糙度(Sa)产生显著影响,激光入射角70°时获得较小的表面粗糙度,仅比初始表面粗糙度增大0.438 μm～0.812 μm。改变激光入射角可以减少烟羽在激光传输方向的长度与烟羽粒子浓度,从而降低激光能量损失。进行不同入射角度对激光除漆效果的影响研究,对提高复杂形状表面的除漆质量有重要意义。实际激光清洗效果不是单一参数决定的,而是多个工艺参数共同作用的结果。为了探究激光除漆的最佳清洗参数,采用激光干式清洗方法,利用响应曲面法进行试验方案设计,以激光除漆后基体表面粗糙度为响应值进行了激光工艺参数优化研究。试验结果表明:当2024铝合金基体表面油漆厚度为100 μm时,基于响应曲面法得出的最优参数为:激光功率45 W、激光频率400 kHz、激光扫描速度600 mm/s、扫描次数6次。试验测得除漆后基体表面粗糙度为1.739 μm。激光除漆后基体表面的宏观形貌高低不平、并存留激光扫描痕迹,表面粗糙度从1.319 μm增加到1.739 μm。从样品表面形貌图中发现局部基体表面存在钝化层与隆起的熔融物。激光除漆后基体显微硬度平均值从141.59HV降低到130.37HV,腐蚀速率由原来的0.008852 mm/a降低到0.0023404 mm/a,因此采用激光干式清洗后的基体表面显微硬度降低而耐腐性提高。探究激光除漆过程中的最佳工艺参数,对提高激光除漆质量及改善除漆后的基体表面性能具有重要意义。为进一步降低基体损伤并获得较高清洗质量,提出了一种超声辅助激光两步清洗法,并进行了相关试验研究。两步法的第一步是超声辅助激光清洗;第二步关闭激光、由超声振动去除剩余油漆。两步法清洗避免了激光直接照射到基体表面,降低了基体损伤程度。试验结果表明:超声辅助激光清洗法由于液膜对激光的散射作用,相比单一的激光干式清洗法,去除相同厚度的油漆涂层需要消耗更多的激光能量。利用灰度图分析法检测基体表面损伤程度发现:两步清洗法中第一步超声辅助激光去除大部分油漆,第二步超声振动去除20 μm～30 μm厚度的剩余油漆,此时的清洗效果最好,激光能量对基体的影响最小,且剩余油漆可以通过超声振动完全去除。然后分析了清洗区域的表面形貌及元素分布,超声辅助激光两步清洗法比激光干式清洗法清洗效果更好,对基体影响较低,基体表面无明显痕迹。通过对清洗后的基体硬度和耐腐蚀性分析可知:两步法除漆后的基体表面硬度接近原始表面硬度与耐腐蚀性。提出的超声辅助激光两步清洗法降低了基体损伤获得了更好的除漆质量,为改进激光除漆技术提供了参考。