楊軍，梅麗芳,2,3, *，嚴(yán)東兵，謝順，殷偉

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024； 2.廈門市智能制造高端裝備研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361024； 3.福建省客車先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361024）

家電或者一些儀器常用碳鋼板作為外殼金屬材料，具有硬度高、易加工等特點(diǎn)[1-2]。但受環(huán)境溫度、濕度等因素的影響，碳鋼表面極易氧化生銹，廠家會(huì)在家電儀器表面涂覆一層氨基油漆來(lái)加強(qiáng)金屬外殼的耐腐蝕性能，并使其整體外觀色彩鮮艷。由于回收廢棄金屬材料再利用前需要經(jīng)過(guò)除漆處理，氨基漆膜層堅(jiān)韌、附著力強(qiáng)，機(jī)械脫漆法、高溫分解脫漆法、脫漆劑去漆法等常見的除漆方法均具有一定的局限性[3]，而激光除漆可以有控制地去除材料表面的漆層，而不損傷材料基層表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有簡(jiǎn)單、高效的優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的不斷進(jìn)步與完善，激光除漆領(lǐng)域也得到了廣泛的關(guān)注。童懿等人[4]分析了納秒脈沖激光頻率對(duì)激光去除鋁合金表面150 μm漆層的影響，認(rèn)為增大脈沖頻率可獲得較好的清洗效果。邱太文等人[5]對(duì)激光清洗后的試樣進(jìn)行能譜分析，得出在合適的參數(shù)下除漆不會(huì)對(duì)基材表面氧化膜造成損傷的結(jié)論。郭召恒[6]研究發(fā)現(xiàn)：激光功率的增大會(huì)導(dǎo)致漆層表面溫度迅速升高，除漆效果明顯；脈沖頻率的減小則會(huì)使得漆層發(fā)生焦化而產(chǎn)生氣化溫度很高的抗燒蝕層，除漆率明顯降低。

目前大多數(shù)關(guān)于基體表面激光除漆的研究以單因素為主[7-12]，缺乏系統(tǒng)的優(yōu)化及分析方法。本文為探究不同工藝參數(shù)下激光去除基體表面漆層的效果，開展了多工藝參數(shù)的正交試驗(yàn)，并采用極差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)清洗后試樣表面的形貌及三維輪廓來(lái)評(píng)定清洗效果，從而得出激光除漆的最優(yōu)工藝參數(shù)組合及各工藝參數(shù)對(duì)除漆效果的影響程度，為在碳鋼基材上激光除漆的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

本次試驗(yàn)采用納秒光纖激光清洗系統(tǒng)，其主要由雙軸振鏡系統(tǒng)、紅光定位系統(tǒng)、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、二維位移臺(tái)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。激光波長(zhǎng)為1 064 nm，最高輸出功率可達(dá)100 W，出光頻率范圍為20 ～ 500 kHz，清洗速率最高可達(dá)7 000 mm/s，脈沖寬度范圍為20 ～ 300 ns，激光線寬為3.98 nm。

圖1 納秒光纖激光器及清洗過(guò)程 Figure 1 Nanosecond fiber laser and paint removing process

試樣為雙面涂有氨基油漆的電器外觀件，如圖2所示，其基體為1.5 mm厚的碳鋼。采用漆膜厚度儀測(cè)得基體表面油漆的平均厚度為86.42 μm。

圖2 基體結(jié)構(gòu)示意圖 Figure 2 Structural sketch of the substrate

1. 2 試驗(yàn)方案

激光除漆效果主要受激光能量密度和光斑搭接率的影響，激光能量密度由激光功率和脈沖寬度決定，光斑搭接率主要由掃描速率、脈沖頻率和掃描間距決定，因此激光除漆的影響因素有5個(gè)。通過(guò)單因素試驗(yàn)得出上述5個(gè)工藝參數(shù)的合理取值范圍。考慮到單因素試驗(yàn)無(wú)法分析各因素的交互作用，具有一定的局限性，因此采用正交試驗(yàn)法對(duì)激光除漆作進(jìn)一步探究。5個(gè)工藝參數(shù)各取5個(gè)水平，設(shè)計(jì)成五因素五水平的正交試驗(yàn)方案(見表1)。

待25組正交試驗(yàn)完成之后，采用VHX 2000三維超景深顯微鏡系統(tǒng)對(duì)激光除漆后試樣的表面形貌進(jìn)行觀察與分析，并采用三維輪廓儀測(cè)量外圍輪廓與表面粗糙度?；谇逑促|(zhì)量檢測(cè)結(jié)果，對(duì)25組清洗試樣分別進(jìn)行等級(jí)劃分及分值量化評(píng)估，然后采用極差分析法對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析，最后通過(guò)綜合分析而得出各因素對(duì)清洗質(zhì)量的影響程度，并確定一組較優(yōu)的工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2. 1 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

根據(jù)表1進(jìn)行了25組試樣的激光除漆試驗(yàn)，在VHX 2000三維超景深顯微鏡系統(tǒng)中，根據(jù)試樣基底顯露程度、殘余漆層厚度、表面光整度等情況，將清洗除漆后的25組試樣由高至低劃分為X+至Z-共9個(gè)等級(jí)，各等級(jí)間以10分作為一個(gè)梯度，其分值依次由90分降到10分，以上3個(gè)方面均分為3個(gè)等級(jí)，良好為30分，一般為20分，較差為10分。清洗后各試樣表面形貌及其等級(jí)劃分與分值量化評(píng)估結(jié)果如圖3所示，其中a至y分別對(duì)應(yīng)正交試驗(yàn)中的1至25組試驗(yàn)的試樣，X+至Z-對(duì)應(yīng)除漆表面質(zhì)量等級(jí)。各試樣的評(píng)估分值就是表1中的Ki。

圖3 激光除漆后試樣的表面形貌 Figure 3 Surface morphologies of the samples after laser paint removal

表1 試驗(yàn)方案與結(jié)果評(píng)估 Table 1 Test scheme and evaluation of test results

基于上述除漆質(zhì)量等級(jí)劃分與分值量化評(píng)估結(jié)果，采用極差分析法對(duì)25組納秒激光除漆試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，以得出各因素的最優(yōu)水平及其對(duì)除漆質(zhì)量的影響大小，結(jié)果見表2。其中Kij表示i因素上對(duì)應(yīng)j水平分值之和；為Kij的平均分值，表示各因素的水平影響差異；Ri為在i因素下各水平變化的極差，反映該因素對(duì)激光除漆試驗(yàn)的影響程度[13]。

根據(jù)表2中的Ri可知各因素對(duì)激光除漆質(zhì)量的影響從大到小依次為掃描間距、激光功率、掃描速率、脈沖頻率、脈沖寬度。通過(guò)對(duì)的比較可得出該試驗(yàn)的最優(yōu)水平組為(A1,B5,C5,D3,E1)，此組參數(shù)并未包含在25組正交試驗(yàn)中，故需先經(jīng)過(guò)理論分析來(lái)估算此參數(shù)組合在此次試驗(yàn)條件下的表面質(zhì)量指標(biāo)，并判斷該指標(biāo)值是否大于正交試驗(yàn)表的Ki最大值。由于本試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型固定，因此該組試驗(yàn)指標(biāo)的估計(jì)值可表示為：。其中，為試驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)期望的估計(jì)值，(ya= 1, 2, 3, 4, 5)表示i因素下最 優(yōu)ya水平的效應(yīng)估計(jì)值。于是：

表2 正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果 Table 2 Range analysis result of orthogonal test

2. 2 表面形貌分析

在較優(yōu)水平組(A1,B5,C5,D3,E1)的參數(shù)下進(jìn)行激光清洗除漆試驗(yàn)，并選取除漆后的試樣與正交試驗(yàn)中除漆質(zhì)量評(píng)分靠前的3組(試驗(yàn)1、5、12)及評(píng)分最低的1組(試驗(yàn)18)，共5組清洗試樣進(jìn)行對(duì)比分析。其中試樣I為正交極差分析得出的最優(yōu)水平組，試樣Ⅱ-V分別對(duì)應(yīng)正交試驗(yàn)中1、12、5和18號(hào)試樣。

采用VHX 2000三維超景深顯微系統(tǒng)分別在放大50倍和100倍下對(duì)所選的5組試樣進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。在放大50倍之下，除試樣I表面漆層清洗去除較為干凈，基體表面顯露明顯，試樣整體呈現(xiàn)銀白色外，試樣Ⅱ-V均有或多或少的漆層殘留，且有明顯的條紋狀激光清洗紋路，其整體呈現(xiàn)銀灰色，但均與未清洗的漆層表面顏色相差較大。而在放大100倍的情況下，試樣I的油漆層基本清洗干凈，試樣Ⅱ表面因小顆粒凸起而略顯凹凸不平，試樣Ⅲ和試樣Ⅳ的表面掃描軌跡及殘留漆層條紋較明顯，而試樣V的表面還有大量殘余油漆。

圖4 激光除漆后試樣表面的微觀形貌 Figure 4 Surface micromorphologies of the samples after laser paint removal

以上結(jié)果表明，在較優(yōu)水平組的工藝參數(shù)下，試樣的清洗除漆效果較好，漆層基本清除干凈，基底表面清晰可見，如圖4a所示。試樣Ⅱ的漆層去除效果明顯，但是因功率較小，表面還殘留少量漆層，如圖4b所示。相較于最優(yōu)水平組，試樣Ⅲ的掃描速率增大到600 mm/s，而功率減小到80 W，材料表面吸收的激光能量減少，不足以完全清除基體表面漆層，因此局部區(qū)域還存在少量灰點(diǎn)，如圖4c所示。相較于最優(yōu)水平組，試樣Ⅳ的掃描間距增大到0.06 mm，使得光斑重疊率降低，掃描區(qū)域內(nèi)清洗軌跡及殘留漆層底紋較明顯，如圖4d所示。試樣V由于掃描速率過(guò)高(1 000 mm/s)，且激光功率小(40 W)，漆層吸收的激光能量少，因此經(jīng)激光清洗后表面還殘留大量油漆涂層，如圖4e所示。因此，通過(guò)對(duì)試樣清洗效果及緣由分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了最優(yōu)水平組試驗(yàn)參數(shù)能較好地去除試樣表面漆層。另外發(fā)現(xiàn)掃描間距的增大會(huì)使激光光斑重疊率變低，掃描速率的增大或者激光功率的減小會(huì)使漆層吸收的激光能量不足，除漆效果都會(huì)變差。

2. 3 三維輪廓分析

激光除漆能夠有效去除基體表面的漆層，同樣會(huì)引起除漆后試樣表面粗糙度的變化，粗糙度越小說(shuō)明漆層清洗得越干凈。

利用三維輪廓儀對(duì)試樣I-V分別進(jìn)行三維輪廓分析，結(jié)果如圖5所示。圖中綠色表示基體基準(zhǔn)面，紅色區(qū)域高于基體基準(zhǔn)平面，藍(lán)色部分低于基體基準(zhǔn)面。從圖5a可見，試樣I的紅色及藍(lán)色高亮區(qū)域很少，除局部區(qū)域表面略高于基準(zhǔn)面外，其余表面與基準(zhǔn)面高度較接近，除漆區(qū)域明顯，且經(jīng)激光清洗除漆后的基底表面粗糙度最小，僅有1.325 μm。從圖5b可見，試樣Ⅱ表面整體高度上升，紅色區(qū)域明顯增多，表明存在殘留漆層，清洗后表面粗糙度達(dá)到了2.239 μm。這是由于激光功率的減小使得作用于漆層表面的能量不足，漆層分解不均勻。從圖5c可見，試樣Ⅲ除漆后表面邊緣區(qū)域的紅色亮度明顯增大，高于基體基準(zhǔn)面，中心區(qū)域下凹明顯，且清洗條紋明顯，說(shuō)明功率的增大對(duì)改善漆層分解效果明顯，但由于掃描間距增大，試樣表面的部分漆層并未清洗完全，清洗后表面粗糙度為2.620 μm。從圖5d可見，試樣Ⅳ邊緣及靠近邊緣部分有少量紅色高峰，其余部分為正常高度，由于掃描速率增大到了800 mm/s，單位面積的基體在單位時(shí)間吸收到的能量大大減少而使得熔融深度減小，清洗效果有較大改善，清洗后試樣表面的粗糙度也降為1.624 μm。從圖5e可見，試樣V整體表面高度大大升高，紅色高亮區(qū)域明顯，掃描速率的增大及功率的減小使得激光燒蝕作用不足以破壞漆層與基材的結(jié)合力，掃描間距的增大讓激光只作用在部分漆層表面，因此清洗效果極差，清洗后試樣表面粗糙度達(dá)到了7.697 μm。以上三維輪廓分析結(jié)果進(jìn)一步表明，在經(jīng)正交極差分析得出的較優(yōu)水平組(A1,B5,C5,D3,E1)參數(shù)下的激光除漆試樣表面粗糙度最低，除漆效果最好。

圖5 不同試樣激光清洗后的三維輪廓 Figure 5 3D profiles of different samples after laser cleaning

3 結(jié)論

本文通過(guò)正交試驗(yàn)及極差分析探究了不同工藝參數(shù)對(duì)激光去除碳鋼板表面漆層效果的影響，并根據(jù)除漆后試樣表面形貌及三維輪廓對(duì)除漆效果進(jìn)行評(píng)定，得出以下主要結(jié)論：

(1) 工藝參數(shù)對(duì)氨基油漆碳鋼板激光除漆效果的影響從大到小依次是掃描間距、激光功率、掃描速率、脈沖頻率、脈沖寬度。掃描間距增大，清洗后的試樣表面會(huì)留下明顯的激光掃描軌跡及殘留漆層條紋。當(dāng)激光功率過(guò)低或者掃描速率偏高時(shí)，激光能量不足以完全清除表面漆層，使得清洗后試樣表面形貌呈現(xiàn)銀灰色。

(2) 能有效去除基體表面油漆的參數(shù)最優(yōu)組合為：掃描速率200 mm/s，激光頻率250 kHz，激光功率90 W，脈沖寬度0.2 μs，掃描間距0.04 mm。在上述參數(shù)下，漆層基本清除干凈，基底表面清晰可見。

(3) 在最優(yōu)組合參數(shù)下激光除漆后的試樣表面三維輪廓整體較平整，凹凸區(qū)域很少，表面粗糙度低至1.325 μm，除漆效果較好。其余試樣除漆后整體表面存在高度差，有漆層未被去除。