激光器工程化与清洗应用中的技术突破(特邀)

文中介绍了千瓦级准连续全固态激光清洗样机研发的关键技术。激光清洗工程样机配合三维龙门运动平台形成激光清洗工业平台。简介针对钢轨表面除锈和飞机复合材料蒙皮除漆的激光清洗机制模型,从样品识别、过程监测、结果检测三方面介绍激光清洗监控方法。对60钢轨激光除锈和飞机铝制蒙皮光进行除漆,笔者课题组获得了激光清洗的最佳工艺参数,清洗效率指标通过专家测试。     

基于线阵CCD的弹药除锈质量检测

弹药除锈后质量关系到弹药储运和使用安全，传统的除锈质量检测方法使用千分尺和通样圈检查，由于弹药外形不规则，检测速度低、精度低、劳动强度大、可靠性差。近年来，CCD成像在测量技术领域得到广泛运用，本文提出一种利用线阵CCD拼接技术对除锈后弹药进行非接触质量检测方法，介绍线阵CCD拼接检测弹药除锈质量的原理，并对所采用的线CCD拼接、He-Ne激光光源、双路分光系统等关键技术进行了论述。使用线阵CCD技术对弹药除锈质量进行检测，能够满足除锈弹药检测的要求，达到了高效率、高精度的效果。     

低频YAG脉冲激光除漆机理和实验研究北大核心CSCD

激光清洗在再制造行业、微机电系统(MEMS)和超精密加工行业具有重要的应用前景。采用低频YAG脉冲激光器对FV520B基体的表面漆层进行激光除漆实验和机理研究。实验结果表明,激光除漆机制因实验条件的改变而不同。当吹氩气时,激光除漆机制主要是烧蚀效应;当采用约束层水时,激光除漆机制主要是烧蚀效应和振动效应,而且约束层水不但能提高表面漆层的去除率还能极大地提高基体的临界损伤阈值。同时实验验证了理论计算得到的搭接率的除漆效果,即在激光扫描速度为249mm/min、扫描道间的搭接量为0.6mm时,实现了整个漆层的完全去除,激光除漆效率达15.5mm2/s。     

有限元法移动激光除漆的温度场分析与实验研究

为了研究脉冲激光去除金属表面漆膜的过程,采用有限元法建立模型,模拟了喷有漆膜的不锈钢样品表面在移动脉冲激光作用下的温度场,研究了不同时刻漆膜表面的温度场分布以及激光参量对漆膜表面温度场的影响,并做了相关对比实验。结果表明,漆膜表面温度随激光源的移动而变化,温度场呈现带尾的彗星状;漆膜表面的温度随激光能流密度和激光重复率的增加而线性增加,随着扫描速率的增加而指数递减;激光能流密度和激光重复率越大而激光扫描速率越小时,激光除漆效率越高;温度的累积效应可以提高除漆的效率。该结果可以为实际激光除漆过程中激光参量的选取提供参考。     

基于激光清洗技术的船舶绿色清洗方法研究

针对船舱内各种复杂空间的作业环境需求,利用激光清洗技术对船用钢材EH36表面的漆层、锈蚀、油污开展工艺试验研究。首先研究激光功率、重复频率、脉冲宽度工艺参数组合对表面形貌的影响,揭示不同参数对表面剥离程度与粗糙度的影响,同时需要避免产生表面裂纹。其次,设计单因素试验获得漆、锈、油污的最佳清洗工艺窗口,漆、油污可以通过一次激光扫描除去,锈蚀需要清洗两次。通过对比清洗前后的基材表面元素含量分布以及微观形貌变化,结果表明,激光清洗后表面污染物有关的元素C、N、O均大幅降低,锈蚀、油污能够被完全去除,而漆层存在少量细小片状残留。最后对清洗后的基材进行了力学性能测试,发现表层硬度有所提升,除锈样提升约20 HV,除油样提升约3 HV,除漆样提升约13 HV;激光清洗对基材的抗拉、弯曲性能没有明显影响。因此,船用钢的激光清洗过程是可靠且无损的。     

不同时间尺度的激光对铝合金表面油漆层清洗质量的影响

分别采用毫秒级和纳秒级脉冲宽度的激光对2024铝合金表面环氧油漆涂层进行激光清洗实验,使用高速摄像机对激光清洗过程进行监测,分析了清洗后试样表面的宏观与微观形貌。结果表明这两种激光在合适的工艺参数下均能有效去除涂层,获得清洁的基材表面,但二者的除漆特性有较大区别。纳秒脉冲激光除漆的能量效率远高于毫秒脉冲激光。经毫秒级CO_2激光清洗后试样表面残留一层黑色炭灰,该物质为油漆涂层的燃烧产物,清洗过程中基材表面不容易发生熔化。纳秒脉冲激光清洗过程中产生了较强的等离子体,有大块的漆层碎片从基材表面剥离,当激光功率高于250 W时基材表面发生明显重熔。结合热弹性振动模型与热传导模型,对两种激光除漆过程的物理机制进行了探讨,发现毫秒脉冲激光除漆的主要机制为气化与燃烧效应,而纳秒脉冲激光除漆的主要机制为热弹性振动效应。     

激光除锈技术对高速列车集电环性能影响研究

为了研究激光除锈工艺应用于高速列车集电环的可行性，根据激光除锈效果和清洗效率，确定了集电环的最优激光清洗参量，即在激光覆盖试样整个表面的光斑搭接率为29.3%时，激光功率为16W，激光重复频率为70kHz，激光扫描速率为1.0m/s。采用最优工艺参量对集电环试样进行激光除锈，通过扫描电镜和金相显微镜观察原始试样和激光除锈后试样的表面微观组织；采用新的实验分析手段分析对比原始试样和激光除锈后试样表面硬度和表面力学性能；室温条件下采用LINSES电阻率测试仪对激光清洗前后试样的电阻率进行测量。结果表明，激光除锈后试样表面没有发生重熔和相变；原始试样和激光除锈后试样表面硬度和表面力学性能对比没有发生明显变化；由于表面粗糙度的增加以及部分晶体点阵发生的晶格畸变，增加了电子散射的几率，使电阻率提高8.3%，但仍符合使用规范。激光除锈技术对集电环基底表面性能没有产生显著影响，该工艺适用于高速列车集电环表面除锈。     

飞机蒙皮激光除漆技术工程化应用的现状与展望(特邀)

激光除漆技术具有高效环保、安全性高、可实时监测和易实现自动化除漆等优势,有望成为飞机整机除漆的主要途径之一。文中首先对激光除漆技术的主要方法和机理进行了分析。其次,总结了各工艺参数对飞机蒙皮激光除漆效果的影响规律,提出了工程化激光除漆工艺参数的设计思路,借助某型飞机金属蒙皮除漆结果验证了设计思路的效用性;并对激光除漆效果评价方法和现有技术标准情况进行了介绍。最后,归纳了飞机整机蒙皮激光除漆的应用实例,展望了激光除漆技术未来的研究方向和重点。     

不同光束类型致铝合金表面漆层损伤形貌研究

漆层的损伤形貌反映了激光与材料相互作用的规律及除漆机理,了解不同光束类型对漆层的损伤特征及作用规律有助于选择激光精准除漆,提高表面处理质量。为探究不同光束类型对漆层材料的作用规律及除漆机理,采用扫描电子显微镜和3D光学表面轮廓仪测量铝合金表面漆层在高斯与平顶激光除漆后,损伤直径、损伤深度及损伤形貌随能量密度的变化。结果表明,在高斯光束作用下,表面漆层损伤区域受到热烧蚀和热振动效应影响,出现漆层剥离、烧蚀去除等现象,损伤凹坑光滑、规则,当能量密度为12.37 J/cm²时,漆层的损伤直径达到46.71μm,深度达到10.14μm;在平顶光束作用下,表面漆层损伤区域主要受到热振动效应影响,损伤凹坑呈现出振动剥离去除的形貌,凹坑范围内的漆层剥落不规则,剖面呈“锯齿”状,当能量密度为12.37 J/cm²时,损伤直径达到612.3μm,深度达到19.42μm;同等能量密度下,平顶光束剥离漆层量更大。     

飞机铝合金蒙皮激光除漆及其热影响研究

相对于化学溶剂、手工打磨与喷丸等民机蒙皮除漆方法,激光除漆具有非接触式、高效、清洁等一系列优势。而飞机蒙皮激光除漆过程中,铝合金蒙皮基体由于吸收部分激光能量可能会遭受热影响损伤。论文采用激光能量密度分别为6.12 J/cm2、12.22 J/cm2、18.34 J/cm2的光纤激光对2024 T-3铝合金表面漆层进行清除,采用红外热像仪(非接触式)结合粘贴热电偶(接触式)方式,对铝合金蒙皮表面激光除漆时基体材料温度进行适时记录,并对除漆后基体表面微观结构及除漆后氧化层进行测试分析。结果表明,激光工艺可实现铝合金蒙皮表面漆层的彻底清除,相应的基体最高温度分布分别为49.11 ℃、48.88 ℃、68.54 ℃。表面氧化层厚度略有下降,但表面微观结构无明显变化,说明采用合适的激光除漆工艺参数,在去除漆层的同时未造成铝合金基体热损伤,激光除漆工艺可行。     

飞机蒙皮的激光除漆技术研究

激光清洗在再制造行业、微机电系统（MEMS）和超精密加工行业具有重要的应用前景,飞机蒙皮激光脱漆技术是激光清洗技术中的一个重要分支。利用10.6 m的高重复频率CO2激光器对飞机蒙皮（LY12铝合金板材）上的90 m厚的双层复合油漆层进行去除。研究结果表明,通过选择合适的扫描间距、激光功率密度及扫描次数,成功地将飞机蒙皮表面的两层油漆层完全去除,通过对比试验测试飞机蒙皮在激光除漆前后的抗拉强度、屈服强度、维氏硬度以及粗糙度等力学性能,发现激光除漆未损伤基底且未改变其力学性能。该种除漆方式较传统除漆方式具有环保无接触、效率高、参数可控以及维护成本低等优点,为在其他领域应用开拓新的方向。     

不同吸光涂层对激光微织构加工性能影响研究

为了提高激光微织构加工效率和改善微织构加工质量,采用W-71s型喷枪在GCr15轴承钢表面分别喷涂用黑漆、水玻璃、黄料、磷酸锌和石墨制备的涂层。利用Nd:YAG激光加工机对其进行激光微织构加工,使用3维形貌分析仪对微凹坑的形貌进行了检测。结果表明,与无涂层试样相比,采用水玻璃和黄料涂层试样表面蚀除凹坑体积均增加,凹坑边缘熔渣体积均减少,其中黄料涂层表面蚀除凹坑体积增加了29.4%,水玻璃涂层凹坑边缘熔渣体积减少了64.9%;在一定条件下,复合涂层相比单一涂层具有更好的激光加工性能,其中黄料与水玻璃复合涂层的性能最为显著,与未经涂层的相比,凹坑蚀除体积增加了47.1%,凹坑边缘熔渣体积减少了43.2%。这一结果对提高激光微织构加工效率、改善微织构加工质量具有一定的指导意义。     

脉冲和连续模式下玻璃纤维复合材料激光脱漆技术研究(特邀)

采用波长为1 064 nm的纳秒激光器脉冲模式和连续模式分别对玻璃纤维增强树脂基复合材料表面涂覆的浅灰色防雨蚀涂层和抗静电涂层进行激光清洗实验,研究不同模式下激光参数对清洗效果的影响规律。通过SEM观察清洗后材料表面及清洗产物的微观形貌,运用EDS、FTIR分别检测清洗前后材料表面元素含量与化学官能团,采用COMSOL Multiphysics对清洗过程中的温度场进行分析。结果表明：去除单层抗静电涂层时,脉冲激光能完全去除该涂层且防雨蚀涂层损伤较小;去除双层涂层时,脉冲激光作用下试板表面有残余涂层,且易损伤下层清漆、树脂和纤维,而连续激光则可完全去除表面双层涂层,获得清洁的清漆表面。脉冲模式的去除机制主要为热弹性振动效应,连续模式下涂层的去除机制主要为热烧蚀效应。研究结果可为航空复合材料表面激光脱漆技术的激光模式选择提供参考。     

EH36钢激光清洗参数优化与表面性能评估

针对船舶舱内复杂空间材料表面除锈需求,利用脉冲光纤激光清洗平台开展了EH36船用钢板激光清洗工艺参数优化与清洗后材料表面性能实验研究。通过宏观、微观形貌观测与表面化学成分分析,并结合船舶行业除锈标准规范,建立了船用钢激光除锈质量评价准则,以此确定了材料激光除锈最佳工艺参数。在此基础上开展激光除锈后材料表面质量、显微硬度、粗糙度及综合力学性能测试评估。研究结果表明：在最佳除锈工艺参数(平均功率210 W、重复频率250 kHz、脉冲宽度300 ns、扫描速度4 000 mm/s)下,船用钢板表面质量达到Sa2.5等级,力学性能基本保持不变,能够满足船舶舱内复杂空间材料表面除锈工艺要求,在船舶修造材料表面除锈领域具有优良的适用性。     

基于机器视觉的嵌入式铝合金激光除漆检测系统

针对自动化激光除漆领域铝合金表面除漆质量无法快速检测这一问题,设计了基于机器视觉的嵌入式铝合金激光除漆检测系统,嵌入式系统采用工业相机实时采集工作画面;基于Wi-Fi(wireless fidelity)无线模块,通过RTP(real-time transport protocol)和UDP(user datagram protocol)协议实现了工作画面的实时传输,通过TCP(transmission control protocol)协议实现了指令与检测数据的可靠传输;利用机器视觉算法实现了除漆不合格区域的准确检测,实际测试表明,嵌入式激光除漆检测系统能够稳定地传输工作画面、指令与检测数据,可快速、高效地识别除漆不合格区域,检测准确率94%以上。     

激光参量对碳钢表面清洗质量的影响

为了研究激光工艺参量对碳钢表面锈蚀污染层清洗质量的影响规律,采用Nd∶ YAG准连续激光器对Q235钢板试样进行了激光除锈清洗试验,并观测了试样表面清洗质量。分析了激光清洗污染物烧蚀的工作机理,并试验研究了激光能量密度、扫描速率、扫描宽度、离焦量和重复频率等工艺参量对清洗质量的影响,在此基础上进行了正交试验;通过对激光清洗前后试件进行表面粗糙度、形貌和能谱分析,获得了Q235钢最佳激光工艺参量分别为扫描速率900mm/min、离焦量1mm、能量密度7.6J/cm2、扫描宽度30mm。结果表明,激光除锈后表面粗糙度和3维形貌得到改善,激光清洗样品的粗糙度值接近无锈样品,激光清洗样品的形貌与无锈样品基本相同;激光清洗后材料表面的锈蚀层基本去除,表面存在重焰的微结构。激光清洗能满足对碳钢表面锈蚀污染层的清洗质量要求。     

大功率连续CO2激光器用于飞机激光去漆

激光飞机去漆相对于传统去漆方法有着明显的优势，利用大功率连续CO2激光器对飞机蒙皮表面漆层进行去除实验，经过对光束参数的控制，可以很好地去除铝合金蒙皮表面的漆层。