趙飛

摘 要：激光清洗作為一種新的表面除漆技術(shù)具有高效環(huán)保、無接觸、污染小和可控性好的優(yōu)勢。鋁合金材料是軌道車輛領(lǐng)域中的常用結(jié)構(gòu)材料，激光除漆工藝已經(jīng)在軌道車輛除漆領(lǐng)域得到了部分應(yīng)用。本文以2024鋁合金為基體，分析了激光工藝對基體表面產(chǎn)生的影響，通過掃描電子顯微鏡（SEM）對激光除漆過程的基體表面形貌變化進(jìn)行了研究。

0引言

鋁合金由于具有高的比強(qiáng)度和比剛度，良好的耐蝕性和可焊性，被廣泛用作軌道車輛的主要結(jié)構(gòu)材料[1-3]，比如高速動車組CRH2、CRH3型車體的制造[4-7]。軌道車輛在出廠前，為了起到抗風(fēng)、抗沙、抗高溫和沖擊的作用，會在車體表面預(yù)先涂覆一層氟-硅、氟-碳類油漆，保證車體運(yùn)行壽命。軌道車輛在運(yùn)行至一定里程之后需要進(jìn)行全面檢修，首先需要對車體表面的漆層進(jìn)行徹底清除。

激光清洗技術(shù)用于軌道車輛漆層的清除中存在激光熱作用過程控制精度較低、易造成基體損傷的問題。而軌道車輛服役期會承受較大動載荷，對材料的疲勞性能要求較高，基體的損傷會嚴(yán)重降低材料的疲勞性能。

針對鋁合金基體表面不同類型的漆層，目前常用的去除方法主要有：化學(xué)去除法[8]、物理去除法[9-10]和激光去除法[11]。

（1）化學(xué)去除法

主要采用無機(jī)或有機(jī)溶劑進(jìn)行除漆。常用的無機(jī)溶劑有酸性清洗劑（如鹽酸、硝酸等）和堿性清洗劑（如氫氧化鈉、氫氧化鉀）。原理是利用清洗劑與鋁合金基體發(fā)生反應(yīng)破壞漆層與基體之間的結(jié)合力，使得漆層與基體分離。缺點是除漆過程中的危險性和污染性高。

（2）物理去除法

包括機(jī)械去除和高壓水射流去除。機(jī)械去除的原理是通過機(jī)械打磨使得漆層與基體分離。但其除漆質(zhì)量差、除漆效率低、噪音污染大。高壓水射流除漆過程具有可達(dá)性好的特點，其原理是利用高壓沖刷硬物對漆層產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊作用去除漆層，缺點是對基體有損傷。

（3）激光去除法

原理是激光照射到基體表面后漆層吸收激光能量，通過光熱轉(zhuǎn)換在漆層內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，使得漆層與基體實現(xiàn)分離。除漆過程的可控性、可達(dá)性、環(huán)保性優(yōu)良。

目前，安全環(huán)保、節(jié)能高效已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的大趨勢，激光除漆技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。但由于對激光除漆的工藝優(yōu)化缺乏合理的依據(jù)。因此，本文對鋁合金表面的激光除漆工藝進(jìn)行了研究。

1激光除漆工藝研究

以2024鋁合金為基體，選用波長1064nm的光纖激光器進(jìn)行鋁合金表面除漆實驗。采用功率為20W，掃描速度100mm/s。研究表明，鋁合金對1064nm波長的激光吸收率約為8%，漆層對此波長的吸收率約61.4%。實驗選用脈沖激光模式。用Quanta-450FEG掃描電子顯微鏡分析了漆層去除前后基體表面的微觀形貌變化，并用TR20型表面粗糙度測量儀分析了除漆前后表面粗糙度的變化。

2激光除漆對基體表面形貌的影響

激光除漆過程中，漆層吸收激光的能量產(chǎn)生溫度梯度引起漆層內(nèi)部出現(xiàn)熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力數(shù)值大于漆層與基體的結(jié)合力后漆層就會脫離基體。圖1a、b分別是激光作用前后的基體表面形貌SEM圖。由圖b得出，漆層是以整塊碎裂的形式脫離基體，實現(xiàn)熱應(yīng)力去除。

鋁合金基體激光除漆前后的表面輪廓曲線如圖2所示，漆層發(fā)生熱應(yīng)力去除后表面的粗糙度明顯增大，且基體表面出現(xiàn)較多深而尖的凹坑形態(tài)。

從圖1中漆層熱應(yīng)力去除后的SEM圖得出，漆層去除區(qū)域基本呈圓形。因此，漆層發(fā)生熱應(yīng)力去除的最低激光能量密度可以近似等于熱應(yīng)力去除區(qū)域邊界處對應(yīng)的能量密度。測量5組激光熱應(yīng)力去除漆層區(qū)域的半徑，取平均值，由于激光能量密度可表示為[11]：

其中，Ea——平均能量密度

Q——激光脈沖能量

w——光斑半徑

r——去除邊緣到激光斑點中心的距離。

根據(jù)計算，漆層發(fā)生熱應(yīng)力去除的最低激光能量密度為0.449J/cm2。

綜上所述，漆層發(fā)生熱應(yīng)力去除的缺點是：漆層熱應(yīng)力去除后基體表面粗糙度增大。

3激光除漆對基體的損傷

在激光除漆的過程中，基體表面發(fā)生粗糙度的變化，導(dǎo)致基體部分區(qū)域長時間受到激光直接照射，當(dāng)熱積累達(dá)到一定程度后使鋁合金表面出現(xiàn)熔化或凹坑等損傷（圖3），對應(yīng)的激光能量密度分別為0.461J/cm2和2.534J/cm2。

鋁合金基體出現(xiàn)損傷的原因：激光作用于漆層，漆層不斷吸收激光能量產(chǎn)生熱量，當(dāng)激光能量密度大于0.461J/cm2時，漆層表面溫度高于漆層熔點出現(xiàn)熔化損傷。當(dāng)基體表面熱積累逐漸增大，基體出現(xiàn)汽化現(xiàn)象[12]，導(dǎo)致鋁合金基體表面形成凹坑。激光作用時間越長，基體損傷尺寸越大。經(jīng)過分析，激光作用時間與基體損傷尺寸存在一定的關(guān)系，如圖4所示。

由此可知，鋁合金基體發(fā)生損傷的最低激光能量密度為0.461J/cm2，漆層去除過程需要保證激光能量密度合適，以避免對基體造成損傷。

4 結(jié)論

采用激光除漆技術(shù)可以有效地去除鋁合金基體表面的漆層，前提是選定合適的激光作用參數(shù)，以保證在對基體無損傷的前提下獲得較好的漆層去除效果。高效優(yōu)質(zhì)的激光除漆技術(shù)在軌道交通行業(yè)得到廣泛應(yīng)用具有重要的意義。

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