CN112171068A - 一种高效率大面积去除厚涂层的方法及其应用 - Google Patents

一种高效率大面积去除厚涂层的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高效率大面积去除厚涂层的方法及应用，包括：步骤一：采用短脉冲激光束将大面积厚涂层通过激光刻蚀的方法进行分区，形成若干个分区；步骤二：针对各个分区区域，先采用大光斑长脉冲激光束或者大光斑连续激光束扫描加热，再喷低温冷气快速冷却。本发明通过对各分区进行快速加热和冷却，由此在涂层和基体界面上产生超过界面结合强度的应力，实现大面积快速剥落厚涂层的目的。

Description

一种高效率大面积去除厚涂层的方法及其应用
技术领域
本发明涉及激光清洗领域，尤其涉及一种高效率大面积去除厚涂层的方法及其应用。
背景技术
工程应用中，尤其是很多重大装备的表面需涂覆厚涂层。比如，飞机蒙皮由底漆、防腐漆层、面漆等构成；各类工作在高温热循环工况装备的表面通常有热障涂层等。无论是飞机蒙皮表面油漆，还是热障涂层，这类涂层的共同特点是厚度厚，飞机蒙皮表面漆层总厚度可达数毫米，热障涂层也可达数百微米。此外，这类厚涂层由于装备工况恶劣和安全系数要求高等原因，一般涂层与基体结合强度非常高。飞机蒙皮、坦克外壳等在服役一段时间后，表面油漆会因外力、辐射和气流冲刷等原因导致出现脱落、龟裂和老化等显性损伤或者隐形损伤，需要去除整体或者局部的旧漆层，以便于涂覆新涂层。航空发动机表面热障涂层，服役一段时间后需要局部或者整体去除热障涂层，以便于涂覆新涂层。目前，厚涂层的去除采用化学清洗、喷砂或者手工打磨的方式，存在不环保、效率低和基体损伤等问题。激光清洗作为近年来迅速发展起来的新兴清洗方式，利用激光与待去除物相互作用，去除待去除物。这种方法已经被广泛用于去除铁锈、氧化皮、油污等薄层污染物，激光去除待去除物的机制为：利用短脉冲或者超短脉冲激光的极高峰值功率密度光束作用于待去除雾，使之达到气化点，最终气化去除待去除雾。此类方法的优点是，可以精确去除待去除物。此类方法的缺点，去除效率低，有直接作用于基体和损伤基体的风险。这就限制了基于气化烧蚀机制的激光清洗方法在大面积工程应用和重大工程装备中的应用。
针对飞机蒙皮的激光清洗技术，人们也努力探寻了一些像在实验室内利用激光清洗模拟飞机蒙皮的铝合金涂漆材料的方法和装置。现有技术公开了一种激光去除飞机蒙皮表面涂层的方法，可以快速有效地去除铝蒙皮表面油漆涂层，通过调节激光工艺参数，包括激光输出平均功率P、激光光斑大小D、激光重复频率f、激光扫描线宽、扫描速度v和扫描纵向搭接间距l等参数，来达到去除漆层的目的。但是该方法仍只是主要依靠激光的热烧蚀效应去除漆层，并且效率依旧低下。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种高效率大面积去除厚涂层的方法及其应用，解决现有技术的方法去除厚涂层效率低下的问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种高效率大面积去除厚涂层的方法，包括：
步骤一：采用短脉冲激光束将大面积厚涂层通过激光刻蚀的方法进行分区，形成若干个分区；
步骤二：针对各个分区区域，先采用大光斑长脉冲激光束或者大光斑连续激光束扫描加热，再喷低温冷气快速冷却。
优选地，所述步骤一中激光刻蚀的深度小于涂层厚度。
优选地，所述步骤二中的所述大光斑长脉冲激光束或者所述大光斑连续激光束的功率密度在105W/cm2-106W/cm2数量级。
优选地，所述步骤二中，若分区区域面积小，针对每个分区，先采用大光斑长脉冲激光束或者大光斑连续激光束扫描分区区域，扫描完成后再喷低温冷气；若分区区域面积大，在激光束扫描分区区域时，冷气喷射装置紧随激光扫描头之后，喷射低温冷气冷却激光扫描后的区域。
优选地，所述步骤一中使用的激光器为纳秒激光器或者皮秒激光器或者飞秒激光器。
优选地，所述步骤二中使用的激光器为长脉冲激光器或者连续激光器，所述长脉冲激光器和连续激光器的脉宽为百微秒或者毫秒量级。
优选地，所述低温冷气为普通空气，温度范围为-5℃～15℃。
一种高效率大面积去除厚涂层的方法的应用，所述方法用于装备或者固体壁面上的厚涂层整体去除，或者用于装备或者固体壁面上局部涂层损伤区域修复前的旧涂层剥落去除。
本发明的有益效果：
1)本发明首先将待去除涂层区域进行激光刻蚀分区，然后采用激光快速加热和低温冷气快速冷却的方法对各分区进行快速加热和冷却，由此在涂层和基体界面上产生超过界面结合强度的应力，实现大面积快速剥落厚涂层的目的。
2)本发明在激光加热和冷气冷却剥落涂层之前，先用激光刻蚀的方法对大面积涂层进行刻蚀分区，以确保剥落区域和涂层去除过程可控。与常规的气化烧蚀去除相比，剥落去除厚涂层的方法具有去除效率高、去除效果好、基体零损伤的独特优势。且采用激光刻蚀分区，使得涂层剥落过程可控，且易于与智能化控制相结合。
3)本发明的方法不仅可以用于整体厚涂层区域，由于对涂层区域可以灵活刻蚀分区，该方法还特别适合用于有局域损伤的厚涂层的去除以及装备涂装修复。
附图说明
图1为本发明实施例的一种高效率大面积去除厚涂层的方法的流程示意图。
附图标记：
1.厚涂层，2.基体，3.短脉冲激光束，4.刻蚀沟槽，5.大光斑长脉冲激光束或者大光斑连续激光束，6.冷气喷射装置，7.扫描路径，8.剥落的涂层。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
下面结合附图具体描述根据本发明一较佳实施例的一种高效率大面积去除厚涂层的方法。
具体而言，如图1所示，根据本发明实施例的一种高效率大面积去除厚涂层的方法，包括：
步骤一：采用短脉冲激光束3将大面积厚涂层1通过激光刻蚀的方法进行分区，形成若干个分区，以确保剥落区域和涂层去除过程可控；
步骤二：针对各个分区区域，先采用大光斑长脉冲激光束或者大光斑连续激光束5扫描加热，再冷气喷射装置6喷低温冷气快速冷却。
由此，根据本发明实施例的一种高效率大面积去除厚涂层的方法，通过激光扫描快速加热涂层以及喷射低温冷气对涂层进行快速冷却，涂层从高温急剧冷却的过程中，由于涂层截面各部分冷却速度不同，而造成温度的差异，引起涂层的体积收缩的不均匀，从而导致内应力的形成。如果内应力超过涂层-基体的结合强度，则区域内涂层会区片状剥落去除。如此循环往复，通过大光斑长脉冲激光束或者大光斑连续激光束5扫描加热和低温冷气快速冷却相结合，逐区快速剥落涂层，实现高效率大面积激光清洗厚涂层的方法。
优选地，本实施例中，步骤一中激光刻蚀的深度小于涂层厚度，以免损伤基体。
优选地，本实施例中，步骤二中的大光斑长脉冲激光束或者大光斑连续激光束5的功率密度在105W/cm2-106W/cm2数量级。此功率密度下，控制在未达到涂层熔化或气化的条件下，能够实现涂层大面积的快速加热，提高工作效率。以保证该功率密度为前提，结合所用激光器的输出功率，确定光斑大小。
进一步的，步骤二中，若分区区域面积小，例如分区面积为1～1.5倍的光斑面积，则针对每个分区，先采用大光斑长脉冲激光束或者大光斑连续激光束5按照扫描路径7扫描分区区域，扫描完成后再喷低温冷气；若分区区域面积大，例如分区面积大于1.5倍的光斑面积，则在大光斑长脉冲激光束或者大光斑连续激光束5扫描分区区域时，冷气喷射装置6紧随激光扫描头之后，喷射低温冷气冷却激光扫描后的区域。
优选地，本实施例中，步骤一中使用的激光器为纳秒激光器或者皮秒激光器或者飞秒激光器。
进一步的，步骤二中使用的激光器为长脉冲激光器或者连续激光器，长脉冲激光器和连续激光器的脉宽为百微秒或者毫秒量级。
优选地，本实施例中，低温冷气为普通空气，温度范围为-5℃～15℃。在此温度范围，能够实现涂层的快速冷却，引起涂层发生较激烈的收缩，在涂层和基体热膨胀系数不一致的情况下，导致涂层的脱落。
本实施例中方法用于装备或者固体壁面上的厚涂层整体去除，或者用于装备或者固体壁面上局部涂层损伤区域修复前的旧涂层剥落去除。
实施例1：
对由厚60μm聚氨酯面漆和厚30μm环氧聚酰胺底漆构成的漆层，基底为铝板结构的飞机蒙皮进行大面积的油漆去除，待去除面积为9m2。
首先采用Nd3+：YAG激光器，其波长为1064nm，脉冲宽度为200ns，功率为100W，重复频率为50KHz，扫描速度为200mm/s，在漆层上刻蚀出深度约80μm的刻蚀沟槽4，刻蚀沟槽4的深度小于漆层的总厚度90μm，通过刻蚀沟槽4将待去除区分为9个区域，每个区域面积范围0.5-1.5m2。
然后针对每个分区区域，采用大功率半导体激光器在输出功率5kW、光斑尺寸3×3mm、功率密度325kW/cm2的条件下，以500mm/s的扫描速度，对分区区域进行快速加热。
紧随其后，使用工业冷风机按20m3/min的速率喷5℃、20MPa的低温冷气于激光扫描区域，快速冷却加热区。分区内漆层在快速加热和快速冷却诱导的界面应力作用下从基体上剥落。如此对9个分区进行处理，去除所有分区的漆层，实现厚涂层高效逐区剥落。
实施例2：
对由厚60μm聚氨酯面漆和厚30μm聚氨酯底漆构成的漆层，基底为铝板结构的飞机蒙皮进行小面积的油漆去除，待去除区域面积为9mm2。
首先采用Nd3+：YAG激光器，其波长为1064nm，脉冲宽度为200ns，功率为100W，重复频率40kHz，扫描速度为50mm/s，沿待去除区域边缘外0.5-1mm范围扫描，在漆层上刻蚀出深度约80μm的刻蚀沟槽4，刻蚀沟槽4的深度小于漆层总厚度90μm，通过刻蚀沟槽4将待去除区与未损坏区隔断，划为单独区域，区域面积范围12-15mm2。
然后采用大功率半导体激光器在输出功率5kW、光斑尺寸1×1mm、功率密度325kW/cm2的条件下，以100mm/s的扫描速度，对所隔离出的区域进行快速加热。
紧随其后，使用工业冷风机按20m3/min的速率喷5℃、20MPa的低温冷气于激光扫描区域，快速冷却加热区。被隔离出的区域内漆层在快速加热和快速冷却诱导的界面应力作用下从基体上剥落。
实施例3：
对结构为400μmYSZ陶瓷层，100μmNiCoCrAlY粘结层，GH4169合金基底的热障涂层进行失效区域陶瓷层的去除，待去除失效部分面积为9cm2。
首先采用Nd3+：YAG激光器，其波长为1064nm，脉冲宽度为200ns，功率为100W，重复频率40kHz,扫描速度为100mm/s，沿待去除区域外0.5—1cm范围扫描，在陶瓷层上刻蚀得到深度380μm、宽度50μm的刻蚀沟槽4，通过刻蚀沟槽4将待去除区与未损坏区隔断，划为单独区域，区域面积范围12-15cm2。
然后采用大功率半导体激光器在输出功率5kW、光斑尺寸2×2mm、功率密度325kW/cm2的条件下，以200mm/s的扫描速度，对所划分的单独区域进行快速加热。
紧随其后，使用工业冷风机按20m3/min的速率喷-5℃的低温冷气于激光扫描区域，快速冷却加热区。在快速加热和快速冷却诱导的界面应力作用下，将失效的陶瓷层区域剥落。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种高效率大面积去除厚涂层的方法，其特征在于，包括：
步骤一：采用短脉冲激光束将大面积厚涂层通过激光刻蚀的方法进行分区，形成若干个分区；
步骤二：针对各个分区区域，先采用大光斑长脉冲激光束或者大光斑连续激光束扫描加热，再喷低温冷气快速冷却。
2.根据权利要求1所述的高效率大面积去除厚涂层的方法，其特征在于，所述步骤一中激光刻蚀的深度小于涂层厚度。
3.根据权利要求1所述的高效率大面积去除厚涂层的方法，其特征在于，所述步骤二中的所述大光斑长脉冲激光束或者所述大光斑连续激光束的功率密度在105W/cm2-106W/cm2数量级。
4.根据权利要求1所述的高效率大面积去除厚涂层的方法，其特征在于，所述步骤二中，若分区区域面积小，针对每个分区，先采用大光斑长脉冲激光束或者大光斑连续激光束扫描分区区域，扫描完成后再喷低温冷气；若分区区域面积大，在大光斑长脉冲激光束或者大光斑连续激光束扫描分区区域时，冷气喷射装置紧随激光扫描头之后，喷射低温冷气冷却激光扫描后的区域。
5.根据权利要求1所述的高效率大面积去除厚涂层的方法，其特征在于，所述步骤一中使用的激光器为纳秒激光器或者皮秒激光器或者飞秒激光器。
6.根据权利要求1所述的高效率大面积去除厚涂层的方法，其特征在于，所述步骤二中使用的激光器为长脉冲激光器或者连续激光器，所述长脉冲激光器和连续激光器的脉宽为百微秒或者毫秒量级。
7.根据权利要求1所述的高效率大面积去除厚涂层的方法，其特征在于，所述低温冷气为普通空气，温度范围为-5℃～15℃。
8.根据权利要求1所述的高效率大面积去除厚涂层的方法的应用，其特征在于，所述方法用于装备或者固体壁面上的厚涂层整体去除，或者用于装备或者固体壁面上局部涂层损伤区域修复前的旧涂层剥落去除。
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