激光復合清洗油漆工藝研究及應用

1、引言

激光清洗技術起步于20世紀80年代中期，但直到20世紀90年代初期才真正步入工業生產中，目前在模具清洗、材料表面處理、大型裝備與精密機械除漆除銹等方面得到良好的應用。激光清洗具有操作簡單、綠色環保、對基材無損傷和材料的適用范圍廣等優點，完全符合“綠色、環保”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，激光清洗應用范圍不斷拓寬，激光清洗行業也進入一個高速發展的時期。但與傳統噴砂、打磨技術相比，激光清洗厚油漆效率低、速度慢，無法滿足現生產企業的效率需求。激光復合清洗通過連續與脈沖激光的相互作用，形成一種新的清洗機制。連續激光照射基材表面，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合力降低。由于連續激光對表面油漆預加熱作用，增加油漆物對激光的吸收率，所以當脈沖激光在較小的間距內照射基材表面時，表面油漆物更易氣化，同時由于脈沖激光具備的高頻特性會產生振動沖擊波，加快與基材結合力降低的表面油漆物脫落，從而實現快速清洗表面油漆物質的目的。為解決單一激光清洗的局限性，提高激光除漆效率，本次研究采用復合清洗系統和高功率1000W脈沖激光清洗系統，探索了激光復合清洗更佳工藝參數，對比了1000W脈沖激光單獨清洗油漆的效率、效果，為擴大激光清洗應用市場提供參考。

2、實驗方法與設備

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

3、試驗結果與分析

3.1激光復合系統振鏡掃描試驗

3.1.1不同場鏡對比測試

對100μm厚度環氧防銹油漆進行清洗，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。后續試驗均采用160mm場鏡進行驗證。

3.1.2不同掃描速度對比測試

調節工藝參數，設定相同的清洗效率，測試不同掃描速度對100μm厚度環氧防銹油漆進行清洗的效果。由圖2分析可知，掃描速度為2000mm/s時，清洗后外觀呈條紋狀，間距較大。掃描速度為4000mm/s時，清洗后外觀呈條紋狀，間距較小。掃描速度為6000mm/s時，外觀基本無條紋。掃描速度為8000mm/s時，外表面呈光滑狀態。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，穩定性會降低，故掃描速度可設置為8000mm/s。

3.1.3不同離焦量對比測試

對100μm厚度環氧防銹油漆進行清洗，由圖3分析可知，在焦點與正離焦+10mm處清洗油漆，可完全清洗干凈油漆，但會對表面造成損傷，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，故離焦量設置為+20mm到+30mm之間時，可以獲得一定的清洗能力，且不會對表面造成損傷。

3.2激光復合系統機械臂飛行試驗

對100μm厚度環氧防銹油漆進行清洗，由表1和圖4分析可知，機械臂移動速度越快，單次清洗能力越弱，機械臂移動速度越慢，對基體損傷越大，易引起基材氧化發黑。因此，針對不同厚度的油漆需匹配不同的移動速度，100μm厚度灰色環氧防銹油漆對應的更佳機械臂移動速度約為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厚度環氧防銹油漆分別采用復合清洗系統和脈沖1000W激光清洗系統進行試驗。由圖5結果分析可知，針對較粗糙表面，激光復合清洗與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。復合清洗效率可達2.7m²/h，脈沖1000W清洗效率可達3.6m²/h。1000W脈沖激光器清洗效率略高于連續+脈沖激光復合系統清洗效率。

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，復合清洗系統清洗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現表面無損清洗，清洗效率為1.7m²/h，遠低于復合清洗的3.24m²/h。由此可知，復合清洗系統清洗軸承等光滑零件時具有一定優勢，能夠以較高的清洗效率實現無損清洗。

4、結論

通過工藝調試和優化，可以實現油漆激光復合清洗。激光復合清洗利用連續激光對表層厚油漆燒蝕并對底層薄漆進行預熱，再通過脈沖激光對底層殘留薄漆進行清洗，可以有效提升清洗效率同時又能保證表面清洗質量。相比單獨采用1000W高功率脈沖激光清洗，激光復合清洗能夠極大的節約成本，尤其是針對軸承等光滑零件清洗具有優勢，能夠以更高的清洗效率實現無損清洗，在軌道交通、船舶領域具有很好的應用前景。

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