CN111940423A - 一种飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法,包括初始化激光清洗头的激光束参数信息，并在预设目标清洗区内的非必要清理部位覆盖防护胶带；调整激光清洗头与飞机结构目标清洗部位相对位置，使得飞机结构目标清洗区位于激光束的焦平面处,且指示光与目标清洗区域重合；控制激光束对飞机结构目标清洗部位进行激光扫描处理，以使得飞机结构目标清洗区内覆盖保护胶带以外的区域表面非导电复合涂层脱离或者汽化，以露出导电性的裸基体材料。本发明通过覆盖防护胶带可避免目标清洗区内的非必要清洗部位的表面处理层破损，实现对飞机指定区域表面的非导电复合涂层的原位清洗，清洗效率高、定位精准、无非导电污染物残留，电连接性能好，工艺简单、易于操作、绿色环保。

Description

一种飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法

技术领域

本发明涉及激光清洗技术领域，尤其涉及一种飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法。

背景技术

在飞机零部件制造过程中，需要对零部件表面进行氧化、电镀、喷漆等表面处理以保障飞机的腐蚀防护性能和耐候、耐磨、润滑等各种功能性要求。飞机主体的腐蚀防护工艺为金属氧化膜和防腐涂料，金属氧化膜是一种非导电的表面处理层，包括化学氧化膜、硫酸阳极氧化膜、铬酸阳极氧化膜等，漆层是一种的高阻抗有机介质涂层，一般分为底漆和面漆。

飞机装配要求对指定部位进行天线搭接、电流回路搭接、防电击搭接、静电防护搭接、雷电防护搭接、防射频干扰搭接等，要保障搭接区形成一条可靠的低阻抗电连接通路。飞机在进行电搭接装配时需要对结构表面指定区域的氧化膜层和漆层等非导电复合涂层进行彻底清理，以保障电搭接良好的低阻抗通路。电搭接导电性的良好与否，直接影响飞机的安全和性能。

电搭接指定区域的清洗，要求对目标清洗区域非导电复合涂层完全清理，同时清洗工艺不能产生性能影响，包括零部件尺寸变化、非必要表面处理层破损以及清理过程中产生二次氧化和清洗残留物二次污染。

去除非导电复合涂层时，不仅要使处理后的部件表面洁净平滑，而且不能损伤非导电复合涂层下的金属基材或是某些特殊部位，例如传感器、标识、经磷化处理(一种在金属基体上形成磷酸盐化学转化膜，避免金属基材受到腐蚀的工艺)的连接件等。

目前，飞机制造电连接装配普遍采用打磨的方法对非导电复合涂层进行清理，打磨方式有砂纸手工打磨和砂轮机械打磨。打磨方法的通用问题之一是无法对指定清洗区域进行精准的形状控制，区域偏小则影响电搭接性能，区域偏大会导致表面处理层过度破损降低腐蚀防护性能。问题二是无法对打磨深度进行精准控制，打磨不足导电性不能达到低阻抗要求，打磨过度基体材料损伤，降低飞机结构强度。问题三是打磨方法产生二次污染对电搭接性能带来隐患，砂粒产生的沟痕内残留非导电的二次污染物，机械打磨砂轮转速过快导致基体材料过热产生二次氧化。问题四是劳动强度大，生产效率低，一架飞机电搭接清洗区约有百处以上，工人完成一处小面积清理需要约5-10分钟，大面积清理需要约30-60分钟。另外，指定清洗区域内常有装配连接结构，针对清洗部位的配合件要求保证其完整的表面处理层，包括电镀层、氧化层、磷化层等，这种连接结构常常形成一种受限空间，产生的突出问题是打磨操作难度高，不易实施，在配合件交接的部位极易出现打磨面积和打磨深度不充分或是误伤非必要清理区表面处理层的现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法,包括如下步骤：

根据飞机结构表面预设的目标清洗区域的材料类型和加工需求初始化激光清洗头的激光束参数信息，并在所述目标清洗区域内的非必要清理部位表面覆盖防护胶带；

根据指示器发出的指示光调整激光清洗头与所述目标清洗区域之间的相对位置，使得所述目标清洗区域位于所述激光束的焦平面处,且所述指示光在飞机结构表面形成的光斑的边界与所述目标清洗区域的边界重合；

根据激光清洗头与所述目标清洗区域的相对位置控制所述激光束对所述目标清洗区域进行激光扫描处理，以使得所述目标清洗区域内覆盖所述防护胶带以外的区域表面的非导电复合涂层脱离或者汽化，以露出导电性的裸基体材料。

本发明的有益效果是：本发明的飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法，通过预先在目标清洗区域内的非必要清理部位覆盖防护胶带，可以避免表面处理层被激光损伤后导致飞机装配连接结构受到腐蚀，配合指示光可以精确对目标清洗区域进行表面非导电复合涂层的清洗，在不拆解飞机的情况下实现对飞机指定区域表面的非导电复合涂层的原位清洗，而不损伤飞机结构的金属基材，清洗效率高、定位精准、无非导电污染物残留，电连接性能好，工艺简单、易于操作、绿色环保。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：所述激光束参数信息包括：脉冲宽度0.001-800ns，波长800nm-1100nm，激光光斑重合度为30％-70％，激光能量密度为0.15J/cm²-0.3J/cm²，扫描速度为1476mm/s-5740mm/s。

进一步：所述防护胶带为铝箔胶带或铜箔胶带。

上述进一步方案的有益效果是：通过设置防护胶带覆盖住飞机结构表面预设目标清洗区域内镀有表面处理层(如电镀层、氧化层、磷化层等)的区域，保证这些表面处理层不会由于激光的辐照而被清除，从而避免飞机装配连接结构受到腐蚀。

进一步：所述根据指示器发出的指示光调整激光清洗头与飞机结构表面的目标清洗区域之间的相对位置的具体实现为：

获取所述目标清洗区域的形状,并读取其轮廓信息；

根据所述目标清洗区域的轮廓信息控制所述指示器出射与所述目标清洗区域轮廓相匹配的指示光；

调整所述指示器和激光清洗头的位置，使得飞机结构的目标清洗区域位于所述激光束的焦平面处，所述指示光的轮廓与所述目标清洗区域的轮廓重合，且所述激光束在飞机结构表面形成的光斑的边界位于所述目标清洗区域内。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述方式可以生成与目标清洗区域轮廓相匹配的指示光，从而可以精确的实现在目标清洗区域内的激光扫描，以精准清除目标清洗区域表面的非导电复合涂层。

进一步：所述控制所述激光束对飞机结构表面的目标清洗区域进行激光扫描处理具体包括：

采用振镜系统控制所述激光束对飞机结构表面进行激光扫描处理。

上述进一步方案的有益效果是：通过振镜系统可以在X方向和Y方向上同时改变激光束的方向，形成二维扫描面，对待处理的飞机结构表面非导电复合涂层进行面阵扫描处理，一方面提高扫描效率，另一方面避免局部遗漏影响清洗效果。

进一步：在所述激光清洗头上设置长度与所述激光束焦距相等且呈圆筒状的定焦工装，以使得所述激光清洗头与飞机结构表面之间的距离保持为焦距不变。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述定焦工装可以在激光扫描过程中保证所述激光清洗头与飞机结构表面之间的距离为焦距不变，这样可以保证清洗效果，使得清洗后的表面平滑、一致性好。

进一步：所述定焦工装的侧壁上均匀间隔设有多个用于散发清洗过程中产生的烟气粉尘的条形通孔。

上述进一步方案的有益效果是：通过设置所述通孔可以方便将清洗过程中产生的烟气粉尘散发出去，这样可以避免烟气粉尘落至目标清洗区域表面，影响后续清洗效果和电连接效果。

进一步：所述方法还包括如下步骤：

当第一次扫描后飞机结构表面残留有非导电复合涂层时，控制所述激光束对飞机结构表面进行再次激光扫描处理，直至飞机结构表面无非导电复合涂层残留。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述步骤可以将首次清洗残留的非导电复合涂层进行再次清洗，避免由于激光束控制不够精准导致相邻的两个激光束照射在飞机结构上形成的光斑之间存在间隔等因素造成的清洗不彻底，从而保证飞机结构表面的非导电复合涂层彻底清除。

附图说明

图1为本发明一实施例的飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例的飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法的定焦工装结构示意图；

图3为本发明一实施例的清洗非导电复合涂层后的飞机结构表面的实物图；

图4为本发明一实施例的清洗非导电复合涂层后的飞机结构表面的微观示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法,包括如下步骤：

S11：根据飞机结构表面预设的目标清洗区域的材料类型和加工需求初始化激光清洗头的激光束参数信息，并在所述目标清洗区域内的非必要清理部位表面覆盖防护胶带；

比如，设定激光束的辐照能量密度，使激光束的能量密度处于清洗部位基材的损伤阈值与清洗阈值的范围内，其中损伤阈值为激光单次清洗辐照时基材被损坏的最低能量密度；清洗阈值为激光单次辐照时非导电复合涂层被移除的最低能量密度；辐照能量密度不大于所述损伤阈值，且不小于所述清洗阈值。

这里，所述非必要清理部位指的是飞机结构上的装配连接件、铆钉等紧固件，由于这些连接件、紧固件表面通常镀有表面处理层(比如电镀层、氧化层、磷化层等)，不能直接进行激光清洗，因此不适合用于激光清洗。

本发明中，采用防护胶带将清洗区域内的装配连接件、紧固件部位覆盖住，以保护装配连接件部位的表面处理层(比如电镀层、氧化层、磷化层等)，防止表面处理层被激光损伤后，装配连接件受到腐蚀。

另外，根据加工需求选择合适的激光加工参数，以适应平面、曲面、边缘折角或狭缝等环境。

本发明的一个或多个实施例中，所述激光束参数信息包括：脉冲宽度0.001-800ns，波长800nm-1100nm，激光光斑重合度为30％-70％，激光能量密度为0.15J/cm²-0.3J/cm²，扫描速度为1476mm/s-5740mm/s，平均功率小于50W。

本发明的一个或多个实施例中，所述激光束参数信息为：平均功率小于或等于30W，脉宽为10-240ns，重复频率为60-100KHz，单个所述激光束的能量小于0.3-0.5mJ，扫描速度为1476mm/s-5740mm/s。

优选地，本发明的一个或多个实施例中，所述激光束的波长为1064nm，脉宽为50ns，重复频率为60KHz，单个所述激光束的能量0.45mJ，激光束的扫描速度为3000mm/s，相邻两个所述激光束的光斑重合度为33％。

S12：根据指示器发出的指示光调整激光清洗头与所述目标清洗区域之间的相对位置，使得所述目标清洗区域位于所述激光束的焦平面处,且所述指示光在飞机结构表面形成的光斑的边界与所述目标清洗区域的边界重合；

S13：根据激光清洗头与所述目标清洗区域的相对位置控制所述激光束对所述目标清洗区域进行激光扫描处理，以使得所述目标清洗区域内覆盖所述防护胶带以外的区域表面的非导电复合涂层脱离或者汽化，以露出导电性的裸基体材料。

本发明的飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法，通过预先在目标清洗区内的非必要清理部位覆盖防护胶带，可以避免表面处理层被激光损伤后导致飞机装配连接结构受到腐蚀，配合指示光可以精确对目标清洗区域进行表面非导电复合涂层的清洗，在不拆解飞机的情况下实现对飞机指定区域表面的非导电复合涂层的原位清洗，而不损伤飞机结构的金属基材，清洗效率高、定位精准、无非导电污染物残留，电连接性能好，工艺简单、易于操作、绿色环保。

本发明的实施例中，所述激光清洗头为便携式移动激光清洗设备的手持端，激光清洗头产生的激光束为平行激光束。基于激光清洗技术，对飞机结构表面进行激光扫描处理，激光清洗原理是非导电复合涂层受到激光作用后，非导电复合涂层从基材表面脱离或汽化，从而被清除。

本发明的一个或多个实施例中，所述防护胶带为铝箔胶带或铜箔胶带。通过设置防护胶带覆盖住飞机结构表面预设目标清洗区域内镀有表面处理层(比如电镀层、氧化层、磷化层等)的装配连接件区域，保证这些表面处理层不会由于激光的辐照而被清除，从而避免导致飞机结构的连接部位受到腐蚀。

本发明的一个或多个实施例中，所述根据指示器发出的指示光调整激光清洗头与飞机结构的相对位置的具体实现为：

S21：获取所述目标清洗区域的形状,并读取其轮廓信息；

S22：根据所述目标清洗区域的轮廓信息控制所述指示器出射与所述目标清洗区域轮廓相匹配的指示光；

S23：调整所述激光清洗头的位置，使得飞机结构的目标清洗区域位于所述激光束的焦平面处，所述指示光的轮廓与所述目标清洗区域的轮廓重合，且所述激光束在飞机结构表面形成的光斑的边界位于所述目标清洗区域内。

通过上述方式可以生成与目标清洗区域轮廓相匹配的指示光，从而可以精确的实现在目标清洗区域内的激光扫描，以精准清除目标清洗区域表面的非导电复合涂层。

本发明的一个或多个实施例中，所述控制所述激光束对飞机结构表面进行激光扫描处理具体包括：

采用振镜系统控制所述激光束对飞机结构表面进行激光扫描处理。

通过振镜系统可以在X方向和Y方向上同时改变激光束的方向，形成二维扫描面，对待处理的飞机结构表面非导电复合涂层进行面阵扫描处理，一方面提高扫描效率，另一方面避免局部遗漏影响清除效果。

如图2所示，优选地，本发明的一个或多个实施例中，在所述激光清洗头上设置长度与所述激光束焦距相等且呈圆筒状的定焦工装，以使得所述激光清洗头与飞机结构表面之间的距离保持为焦距不变。通过所述定焦工装可以在激光扫描过程中保证所述激光清洗头与飞机结构表面之间的距离为焦距不变，这样可以保证清洗效果，使得清洗后的表面平滑、一致性好。

实际中，按照上述方法中激光头发出的红色指示光和定焦套筒确定所述飞机结构与激光清洗头的相对位置。激光头红色指示光照射在飞机结构表面上指定位置时，预先在飞机结构表面上指定一点作为处理的起始点，例如可将飞机结构表面的目标清洗区域轮廓上一点作为加工起始位置。

更优选地，本发明的一个或多个实施例中，所述定焦工装的侧壁上均匀间隔设有多个用于散发清洗过程中产生的烟气粉尘的条形通孔。通过设置所述通孔可以方便将清洗过程中产生的烟气粉尘散发出去，这样可以方便激光进行扫描清洗，避免烟气粉尘落至目标清洗区域表面，影响后续清洗效果和电连接效果。

本发明的一个或多个实施例中，所述方法还包括如下步骤：

S14：当第一次扫描后飞机结构表面残留有非导电复合涂层时，控制所述激光束对飞机结构表面进行再次激光扫描处理，直至飞机结构表面无非导电复合涂层残留。

通过上述步骤可以将首次清洗残留的非导电复合涂层进行再次清洗，避免由于激光束控制不够精准导致相邻的两个激光束照射在飞机结构上形成的光斑之间存在间隔等因素造成的清洗不彻底，从而保证飞机结构表面的非导电复合涂层彻底清除。

下面以一个飞机结构为示例，对本发明的一种飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法做进一步的说明。

本实施例中的飞机结构基材为2024铝合金，飞机结构表面涂有黄色漆，漆层的厚度约38μm。

根据上述方法对局部飞机结构进行激光扫描处理，得到如图3所示的清洗非导电复合涂层后的局部飞机结构；将清洗非导电复合涂层后的局部飞机结构分别放到放大倍数为50倍的显微镜下进行观察；得到如图4所示的清洗非导电复合涂层后的局部飞机结构表面的微观示意图。

本发明的飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法，进行激光清洗时，无需将飞机结构拆卸，只需采用上述便携式移动激光清洗设备在飞机原位进行移动，根据实际情况清洗所需清洗的部位，在指示光和辅助工装的辅助下通过激光束清除飞机结构表面的非导电复合涂层，相比于人工打磨或机械打磨方式，该方法工艺简单、易于操作，不会损伤飞机结构的金属基材，且清洗形状规则，表面质量可控；相比于化学清洗方式，该方法不会污染环境，可在原位对飞机结构进行清洗，无需进行拆解，对清洗环境的要求更低，清洗效率更高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法,其特征在于，包括如下步骤：

根据飞机结构表面预设的目标清洗区域的材料类型和加工需求初始化激光清洗头的激光束参数信息，并在所述目标清洗区域内的非必要清理部位表面覆盖防护胶带；

根据指示器发出的指示光调整激光清洗头与所述目标清洗区域之间的相对位置，使得所述目标清洗区域位于所述激光束的焦平面处,且所述指示光在飞机结构表面形成的光斑的边界与所述目标清洗区域的边界重合；

根据激光清洗头与所述目标清洗区域的相对位置控制所述激光束对所述目标清洗区域进行激光扫描处理，以使得所述目标清洗区域内覆盖所述防护胶带以外的区域表面的非导电复合涂层脱离或者汽化，以露出导电性的裸基体材料。

2.根据权利要求1所述的飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法,其特征在于，所述激光束参数信息包括：脉冲宽度0.001-800ns，波长800nm-1100nm，激光光斑重合度为30％-70％，激光能量密度为0.15J/cm²-0.3J/cm²，扫描速度为1476mm/s-5740mm/s。

3.根据权利要求1所述的飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法,其特征在于，所述防护胶带为铝箔胶带或铜箔胶带。

4.根据权利要求1所述的飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法,其特征在于，所述根据指示器发出的指示光调整激光清洗头与飞机结构表面的目标清洗区域之间的相对位置具体实现为：

获取所述目标清洗区域的形状,并读取其轮廓信息；

根据所述目标清洗区域的轮廓信息控制所述指示器出射与所述目标清洗区域轮廓相匹配的指示光；

调整所述激光清洗头的位置，使得飞机结构的目标清洗区域位于所述激光束的焦平面处，所述指示光的轮廓与所述目标清洗区域的轮廓重合，且所述激光束在飞机结构表面形成的光斑的边界位于所述目标清洗区域内。

5.根据权利要求4所述的飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法,其特征在于，所述控制所述激光束对飞机结构表面的目标清洗区域进行激光扫描处理具体包括：

采用振镜系统控制所述激光束对飞机结构的表面进行激光扫描处理。

6.根据权利要求1-5任一项所述的飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法,其特征在于，在所述激光清洗头上设置长度与所述激光束焦距相等且呈圆筒状的定焦工装，以使得所述激光清洗头与飞机结构表面之间的距离保持为焦距不变。

7.根据权利要求6所述的飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法,其特征在于，所述定焦工装的侧壁上均匀间隔设有多个用于散发清洗过程中产生的烟气粉尘的条形通孔。

8.根据权利要求1-5任一项所述的飞机非导电复合涂层的原位激光清洗方法,其特征在于，还包括如下步骤：

当第一次扫描后飞机结构表面残留有非导电复合涂层时，控制所述激光束对飞机结构的表面进行再次激光扫描处理，直至飞机结构表面无非导电复合涂层残留。

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