激光復(fù)合清洗油漆工藝研究及應(yīng)用

1、引言

激光清洗技術(shù)起步于20世紀(jì)80年代中期，但直到20世紀(jì)90年代初期才真正步入工業(yè)生產(chǎn)中，目前在模具清洗、材料表面處理、大型裝備與精密機(jī)械除漆除銹等方面得到良好的應(yīng)用。激光清洗具有操作簡單、綠色環(huán)保、對基材無損傷和材料的適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，完全符合“綠色、環(huán)保”的加工理念，是目前可靠、有效的清洗方式。近幾年，隨著對綠色環(huán)保的重視，以及激光器及其硬件的成本不斷下降，激光清洗應(yīng)用范圍不斷拓寬，激光清洗行業(yè)也進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期。但與傳統(tǒng)噴砂、打磨技術(shù)相比，激光清洗厚油漆效率低、速度慢，無法滿足現(xiàn)生產(chǎn)企業(yè)的效率需求。激光復(fù)合清洗通過連續(xù)與脈沖激光的相互作用，形成一種新的清洗機(jī)制。連續(xù)激光照射基材表面，表面油漆物吸收激光，部分油漆物直接吸熱氣化，部分吸熱膨脹，致使油漆與基材的結(jié)合力降低。由于連續(xù)激光對表面油漆預(yù)加熱作用，增加油漆物對激光的吸收率，所以當(dāng)脈沖激光在較小的間距內(nèi)照射基材表面時(shí)，表面油漆物更易氣化，同時(shí)由于脈沖激光具備的高頻特性會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)沖擊波，加快與基材結(jié)合力降低的表面油漆物脫落，從而實(shí)現(xiàn)快速清洗表面油漆物質(zhì)的目的。為解決單一激光清洗的局限性，提高激光除漆效率，本次研究采用復(fù)合清洗系統(tǒng)和高功率1000W脈沖激光清洗系統(tǒng)，探索了激光復(fù)合清洗更佳工藝參數(shù)，對比了1000W脈沖激光單獨(dú)清洗油漆的效率、效果，為擴(kuò)大激光清洗應(yīng)用市場提供參考。

2、實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

本次試驗(yàn)材料為300mm×300mm普通碳鋼板、300mm×φ50mm齒輪吊桿，碳鋼板表面涂有約100μm厚度環(huán)氧防銹油漆，齒輪吊桿表面涂有約150μm厚度環(huán)氧樹脂油漆。采用機(jī)械臂單向移動(dòng)、振鏡來回?cái)[動(dòng)的激光復(fù)合清洗方式，研究不同場鏡（F160/F255）、掃描速度、離焦量與移動(dòng)速度對清洗效果與效率的影響，對比高功率連續(xù)+脈沖激光復(fù)合清洗與單一脈沖1000W激光清洗油漆的效率與效果。

3、試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1激光復(fù)合系統(tǒng)振鏡掃描試驗(yàn)

3.1.1不同場鏡對比測試

對100μm厚度環(huán)氧防銹油漆進(jìn)行清洗，由圖1分析可知，F160場鏡清洗后外觀呈豎紋狀，豎紋間距較大，殘留油漆較多。F255場鏡清洗后存在輕微豎紋，豎紋間距較小，殘留部分油漆。與使用F160場鏡相比，F255場鏡聚焦后光斑較大，單次清洗面積大，清洗條紋間距較小，表面相對均勻，對基材損傷亦較小。后續(xù)試驗(yàn)均采用160mm場鏡進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1.2不同掃描速度對比測試

調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，設(shè)定相同的清洗效率，測試不同掃描速度對100μm厚度環(huán)氧防銹油漆進(jìn)行清洗的效果。由圖2分析可知，掃描速度為2000mm/s時(shí)，清洗后外觀呈條紋狀，間距較大。掃描速度為4000mm/s時(shí)，清洗后外觀呈條紋狀，間距較小。掃描速度為6000mm/s時(shí)，外觀基本無條紋。掃描速度為8000mm/s時(shí)，外表面呈光滑狀態(tài)。掃描速度越快，清洗條紋越少，清洗越均勻。但考慮振鏡掃描速度過快，穩(wěn)定性會(huì)降低，故掃描速度可設(shè)置為8000mm/s。

3.1.3不同離焦量對比測試

對100μm厚度環(huán)氧防銹油漆進(jìn)行清洗，由圖3分析可知，在焦點(diǎn)與正離焦+10mm處清洗油漆，可完全清洗干凈油漆，但會(huì)對表面造成損傷，清洗后金屬表面呈條紋狀。在正離焦量+20mm以上清洗油漆，不會(huì)對表面造成損傷，但無法將油漆完全清洗干凈。隨著離焦量增大，清洗能力下降，故離焦量設(shè)置為+20mm到+30mm之間時(shí)，可以獲得一定的清洗能力，且不會(huì)對表面造成損傷。

3.2激光復(fù)合系統(tǒng)機(jī)械臂飛行試驗(yàn)

對100μm厚度環(huán)氧防銹油漆進(jìn)行清洗，由表1和圖4分析可知，機(jī)械臂移動(dòng)速度越快，單次清洗能力越弱，機(jī)械臂移動(dòng)速度越慢，對基體損傷越大，易引起基材氧化發(fā)黑。因此，針對不同厚度的油漆需匹配不同的移動(dòng)速度，100μm厚度灰色環(huán)氧防銹油漆對應(yīng)的更佳機(jī)械臂移動(dòng)速度約為15mm/s，清洗后表面無油漆殘留，基材呈金屬亮白色。

3.3激光復(fù)合清洗與1000W脈沖激光清洗對比

3.3.1 100μm油漆清洗對比

對100μm厚度環(huán)氧防銹油漆分別采用復(fù)合清洗系統(tǒng)和脈沖1000W激光清洗系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。由圖5結(jié)果分析可知，針對較粗糙表面，激光復(fù)合清洗與1000W脈沖激光都可以將表面油漆去除干凈且對表面無損傷，外觀都可以滿足清洗要求。復(fù)合清洗效率可達(dá)2.7m²/h，脈沖1000W清洗效率可達(dá)3.6m²/h。1000W脈沖激光器清洗效率略高于連續(xù)+脈沖激光復(fù)合系統(tǒng)清洗效率。

3.3.2 齒輪吊桿油漆清洗對比

由圖6分析可知，激光復(fù)合清洗與1000W脈沖激光均可以將齒輪吊桿表面油漆清洗干凈。對比圖6b、6c可知，復(fù)合清洗系統(tǒng)清洗150μm油漆效率為3.24m²/h，吊桿表面光滑，無清洗條紋，呈金屬基材亮白色。1000W脈沖激光器清洗150μm油漆效率為4.2m²/h，清洗后表面存在輕微痕跡，表面顏色偏黃。通過降低功率可以實(shí)現(xiàn)表面無損清洗，清洗效率為1.7m²/h，遠(yuǎn)低于復(fù)合清洗的3.24m²/h。由此可知，復(fù)合清洗系統(tǒng)清洗軸承等光滑零件時(shí)具有一定優(yōu)勢，能夠以較高的清洗效率實(shí)現(xiàn)無損清洗。

4、結(jié)論

通過工藝調(diào)試和優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)油漆激光復(fù)合清洗。激光復(fù)合清洗利用連續(xù)激光對表層厚油漆燒蝕并對底層薄漆進(jìn)行預(yù)熱，再通過脈沖激光對底層殘留薄漆進(jìn)行清洗，可以有效提升清洗效率同時(shí)又能保證表面清洗質(zhì)量。相比單獨(dú)采用1000W高功率脈沖激光清洗，激光復(fù)合清洗能夠極大的節(jié)約成本，尤其是針對軸承等光滑零件清洗具有優(yōu)勢，能夠以更高的清洗效率實(shí)現(xiàn)無損清洗，在軌道交通、船舶領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

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