CN113732519A - 一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，所述方法包括针对不同的除漆需求，通过预试验初步缩小激光参数范围后，开展以表面成分评价因子为指标的激光除漆试验；所述激光除漆试验包括以下步骤：S1、采用高功率的中频激光去除铝合金飞机蒙皮表面的目标漆层；S2、在步骤S1完成后采用低功率的高频激光快速扫描除漆表面，并去除步骤S1完成后所产生的碳化物沉积层；S3、在步骤S2完成后通过正交优化确定最佳除漆参数。本发明所提供的铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法对现有的大范围、参考性的激光除漆参数进行深入优化和聚焦，将表面成分评价因子作为评判依据，从更为客观的角度细致且准确地聚焦最优加工参数。

Description

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法

技术领域

本发明涉及激光除漆技术领域，具体为一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法。

背景技术

飞机铝合金蒙皮表面漆层可以起到装饰、防腐蚀、改善气动外形等作用，一般由一层环氧底漆和一层聚氨酯面漆构成。飞机在服役过程中，表面漆层会因为太阳辐射、外物冲击、复杂气流冲刷等原因造成老化、起皮、龟裂、脱落等损伤，为保证航空飞行的可靠性和安全性，需要定期去除原有漆层以便于重新喷漆。

传统飞机蒙皮除漆工艺一般采用化学除漆法或机械除漆法。化学除漆法是用脱漆剂、酸和碱等能够与漆层反应的化学药剂将其除去。虽然化学除漆法除漆速度较快，但除漆剂消耗快，清洗成本较高，危险系数较大，可能造成局部清洗不净，并且容易污染环境、危害人体健康。机械除漆法是指利用钢丝刷、打磨机等工具去除漆层。虽然这种方法成本较低，但费时费力，且与基底材料之间存在直接的机械接触，容易损伤金属蒙皮，难以保证除漆质量，并且除漆部位受到限制，不规则形状部件的漆层较难通过打磨去除。

激光除漆是一种新兴除漆技术，其基本原理是将高能量密度的激光束整形聚焦后作用于待除漆部位，利用激光和漆层之间的相互作用，使得油漆经历膨胀、气化、烧蚀、热振动等一系列复杂的过程后，从基体材料表面剥离，从而达到去除漆层的效果。由于激光除漆效果与激光参数直接相关，不同除漆需求(如仅去除面漆、仅去除底漆、面漆底漆全部去除)所对应的激光参数不尽相同，且多种激光参数的作用效果相互耦合，导致工艺设计难度加大。

但是现有技术在实际使用时，现有的激光除漆参数给出的参考范围较大，无法根据现有经验快速确定各项激光参数较为精确的加工范围，因此需要进行大量预试验才能从所给参考范围中摸索出初步参数，耗费了大量人力、物力、财力以及时间成本，此外，现有的激光除漆参数设计以除漆后表面形貌或目视除漆效果等主观性较强的指标为依据，受操作者主观能动性影响较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：所述方法包括针对不同的除漆需求，通过预试验初步缩小激光参数范围后，开展以表面成分评价因子为指标的激光除漆试验；

所述激光除漆试验包括以下步骤：

S1、采用高功率的中频激光去除铝合金飞机蒙皮表面的目标漆层；

S2、在步骤S1完成后采用低功率的高频激光快速扫描除漆表面，并去除步骤S1完成后所产生的碳化物沉积层；

S3、在步骤S2完成后通过正交优化确定最佳除漆参数，所述除漆参数包括扫描速度、激光功率和脉冲频率的设计。

优选的，所述步骤S1中除漆顺序依次为对飞机蒙皮环氧底漆进行去除、对飞机蒙皮聚氨酯面漆进行去除和对飞机蒙皮环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系进行去除，所述步骤S1中采用60mm/s的扫描速度、7W的激光功率和20kHz的脉冲频率对飞机蒙皮环氧底漆进行去除。

优选的，所述步骤S1中采用200mm/s的扫描速度、6W的激光功率和20kHz的脉冲频率对飞机蒙皮聚氨酯面漆进行去除。

优选的，所述步骤S1中采用130mm/s的扫描速度、10W的激光功率和20kHz的脉冲频率对飞机蒙皮环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系进行去除。

优选的，所述步骤S2中采用800mm/s的扫描速度、0.01W的激光功率和50kHz的脉冲频率，对步骤S1中飞机蒙皮环氧底漆或聚氨酯面漆在激光去除过程中产生的碳化物沉积层进行清除。

优选的，所述步骤S2中采用200mm/s的扫描速度、0.8W的激光功率和50kHz的脉冲频率，对步骤S1中飞机蒙皮环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系在激光去除过程中产生的碳化物沉积层进行清除。

优选的，所述除漆参数中：

激光波长为1064nm；

激光光斑直径为20μm；

发射激光的激光器包括YLP-SD20L光纤激光器。

优选的，所述除漆参数中：

环氧底漆的厚度为30-40μm；

聚氨酯面漆的厚度为25-30μm；

环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系的厚度为100-110μm；

铝合金飞机蒙皮包括2024铝合金蒙皮。

采用上述中的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法得到的铝合金飞机蒙皮。

上述中的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法在飞机维修中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法对现有的大范围、参考性的激光除漆参数进行深入优化和聚焦，将表面成分评价因子作为评判依据，从更为客观的角度细致且准确地聚焦最优加工参数；其次，利用表面成分评价因子进行参数优化，将客观准确的试验数据作为优化依据，避免了操作者主观判断不准确所导致的除漆参数选择不佳，漆层未去除干净或基底受损严重；同时对优化后的激光除漆工艺参数进行残漆率的计算和漆层烧蚀效率的评价，以验证优化结果的正确性，并量化当下的激光除漆工艺效率；

2、本发明同时还基于激光除漆效果与激光工艺参数直接相关的理论，其中扫描速度、激光功率和脉冲频率是影响除漆效果的三个主要因素，扫描速度过快，则光束搭接率较低，漆层内部能量累积不足，造成除漆均匀性下降且除漆效果不佳，而扫描速度过慢，则光束搭接率较高，容易造成漆层内部能量过度累积，从而损伤基体；激光功率过高，漆层过度吸收光束能量，容易导致基体严重烧蚀，而激光功率过低，则能量吸收不足，很难达到除漆洁净度的要求；脉冲频率过高，出光速度加快，但光束质量下降，影响能量输出，导致残漆率较高，而脉冲频率过低，脉冲数不足，漆层吸收能量达不到所需，从而除漆效果不佳；本发明所提供的激光工艺参数可以保证在不损伤基体的同时有效去除飞机蒙皮表面漆层，达到较好的除漆效果且除漆效率处于较优水平。

3、本发明同时还为飞机蒙皮激光除漆技术提供可靠的加工工艺参数，可满足不同除漆需求，且除漆高效，处理后的铝合金飞机蒙皮去漆效果良好，蒙皮表面质量可靠稳定，不影响二次喷漆，节省了激光除漆试验探索初步参数所消耗的大量人力、物力资源，改善激光除漆工艺设计效率。

附图说明

图1为未处理的铝合金飞机蒙皮表面SEM图；

图2为采用实施例1的方法处理得到的铝合金飞机蒙皮表面SEM图一；

图3为采用实施例1的方法处理得到的铝合金飞机蒙皮表面SEM图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：方法包括针对不同的除漆需求，通过预试验初步缩小激光参数范围后，开展以表面成分评价因子为指标的激光除漆试验；

激光除漆试验包括以下步骤：

S1、采用高功率的中频激光去除铝合金飞机蒙皮表面的目标漆层；

S2、在步骤S1完成后采用低功率的高频激光快速扫描除漆表面，并去除步骤S1完成后所产生的碳化物沉积层；

S3、在步骤S2完成后通过正交优化确定最佳除漆参数，除漆参数包括扫描速度、激光功率和脉冲频率的设计。

步骤S1中除漆顺序依次为对飞机蒙皮环氧底漆进行去除、对飞机蒙皮聚氨酯面漆进行去除和对飞机蒙皮环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系进行去除，步骤S1中采用60mm/s的扫描速度、7W的激光功率和20kHz的脉冲频率对飞机蒙皮环氧底漆进行去除。

步骤S1中采用200mm/s的扫描速度、6W的激光功率和20kHz的脉冲频率对飞机蒙皮聚氨酯面漆进行去除。

步骤S1中采用130mm/s的扫描速度、10W的激光功率和20kHz的脉冲频率对飞机蒙皮环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系进行去除。

步骤S2中采用800mm/s的扫描速度、0.01W的激光功率和50kHz的脉冲频率，对步骤S1中飞机蒙皮环氧底漆或聚氨酯面漆在激光去除过程中产生的碳化物沉积层进行清除。

步骤S2中采用200mm/s的扫描速度、0.8W的激光功率和50kHz的脉冲频率，对步骤S1中飞机蒙皮环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系在激光去除过程中产生的碳化物沉积层进行清除。

除漆参数中：

激光波长为1064nm；

激光光斑直径为20μm；

发射激光的激光器包括YLP-SD20L光纤激光器。

除漆参数中：

环氧底漆的厚度为30-40μm；

聚氨酯面漆的厚度为25-30μm；

环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系的厚度为100-110μm；

铝合金飞机蒙皮包括2024铝合金蒙皮。

采用上述中的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法得到的铝合金飞机蒙皮。

上述中的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法在飞机维修中的应用。

下面结合具体案例对本发明提供的铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数进行详细说明：

制备表面完全覆盖漆层的铝合金蒙皮样件，扫描电镜能谱仪测量表面成分，并定位、放置在激光除漆工作台上。

启动激光加工系统，调整激光头高度，使其到操作平台的距离保持在160mm，即将待处理表面置于透镜的焦平面上，选择并确定除漆区域。

根据不同除漆需求设置相应的激光加工参数。对于每种除漆需求(仅去除底漆、仅去除面漆、底漆面漆全去除)，分别选择扫描速度、激光功率和脉冲频率的三个因素水平进行正交优化试验，共计9组。

正交试验结束后，采用800mm/s的扫描速度、0.01W的激光功率和50kHz的脉冲频率清除喷涂环氧底漆的铝合金蒙皮试件以及喷涂聚氨酯面漆的铝合金蒙皮试件在激光除漆过程中表面所沉积的漆层碳化物，采用200mm/s的扫描速度、0.8W的激光功率和50kHz的脉冲频率清除喷涂环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系的铝合金蒙皮试件在激光除漆过程中表面所沉积的漆层碳化物。

三种试件表面的碳化物沉积层和除漆碎屑清除完毕后，从激光加工台上取下铝合金蒙皮试件，利用扫描电镜能谱仪测量其表面成分。选取碳元素、氧元素和铝元素的质量分数进行综合归一化处理，得到表面成分评价因子。

表1激光去除环氧底漆正交试验组参数设置

表2激光去除聚氨酯面漆正交试验组参数设置

表3激光去除环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系正交试验组参数设置

依据正交试验所有组别的表面成分评价因子选取最佳激光除漆参数组合：仅去除环氧底漆时最佳激光除漆参数组合为扫描速度60mm/s，激光功率7W，脉冲频率20kHz；仅去除聚氨酯面漆时最佳激光除漆参数组合为扫描速度200mm/s，激光功率6W，脉冲频率20kHz；同时去除环氧底漆和聚氨酯面漆时最佳激光除漆参数组合为扫描速度130mm/s，激光功率10W，脉冲频率20kHz。

由于仅去除环氧底漆以及仅去除聚氨酯面漆时，优化后的激光除漆参数组合并不在最初的正交试验组中，故补做最优激光除漆参数试验以验证除漆效果。通过对比三种除漆需求所对应的最优激光除漆参数组合与相应正交试验组的除漆效果，发现其残漆率均有所下降，且漆层烧蚀速率也处在较优水平，证明本发明优化后的激光除漆参数可获得更好的除漆效果和工艺效率。

作为本发明的优选方案，激光波长为1064nm，激光光斑直径为20μm，发射激光的激光器包括YLP-SD20L光纤激光器。

YLP-SD20L光纤激光器的详细参数：

型号	YLP-SD20L光纤激光器
		激光波长	1064nm
最高扫描速度	12000mm/s
		单脉冲能量	0.2mJ
脉冲宽度	110-140ns
		重复频率	20-80kHz
激光平均功率	20W
		最小线宽	0.02mm
打标范围	100mm×100mm
		打标深度	0.01-0.3mm
整机功率	≤500W

作为进一步优选的技术方案，环氧底漆的厚度为30-40μm，聚氨酯面漆的厚度为25-30μm，环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系的厚度为100-110μm，铝合金飞机蒙皮包括2024铝合金蒙皮。

下面结合实施例和对比例对本发明做进一步详细说明：

实施例1

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，采用扫描速度为60mm/s、激光功率为7W和脉冲频率为20kHz的激光对厚度为30-40μm的环氧底漆进行去除。

实施例2

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，采用扫描速度为200mm/s、激光功率为6W和脉冲频率为20kHz的激光对厚度为25-30μm的聚氨酯面漆进行去除。

实施例3

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，采用扫描速度为130mm/s、激光功率为10W和脉冲频率为20kHz的激光对厚度为100-110μm的环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系进行去除。

对比例1

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，与实施例1不同的是，采用130mm/s的扫描速度。

对比例2

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，与实施例1不同的是，采用3W的激光功率。

对比例3

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，与实施例1不同的是，采用80kHz的脉冲频率。

对比例4

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，与实施例2不同的是，采用130mm/s的扫描速度。

对比例5

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，与实施例2不同的是，采用50kHz的脉冲频率。

对比例6

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，与实施例2不同的是，采用60mm/s的扫描速度，80kHz的脉冲频率。

对比例7

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，与实施例3不同的是，采用8W的激光功率，80kHz的脉冲频率。

对比例8

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，与实施例3不同的是，采用200mm/s的扫描速度，50kHz的脉冲频率。

对比例9

一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，与实施例3不同的是，采用60mm/s的扫描速度，6W的激光功率。

分别对以上各实施例和各对比例除漆后的铝合金蒙皮材料进行微观表征，通过SEM观察除漆表面微观形貌及判断金属基体表面是否出现损伤，结果见表4。

表4

工作原理：在使用时，该发明从表4可知，与各对比例相比，各实施例的除漆效果更好，除漆效率也处在较优水平，且不会损伤基体。

图1为去除环氧底漆前铝合金飞机蒙皮表面的SEM图像，从中可以看出，蒙皮表面完整附着漆层；图2、图3为采用实施例1中激光工艺参数处理后的铝合金飞机蒙皮表面SEM图，从中可以看出，蒙皮表面的漆层已经被完全去除，裸露出金属基体，且基体并未受到损伤(图中所示的划痕为原始基体表面，划痕清晰可见也可说明激光并未造成基体表面明显烧蚀)，可知本发明所提供的铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法对现有的大范围、参考性的激光除漆参数进行深入优化和聚焦，将表面成分评价因子作为评判依据，从更为客观的角度细致且准确地聚焦最优加工参数，分别采用聚焦后的特定扫描速度、激光功率及脉冲频率对铝合金飞机蒙皮表面的漆层进行去除，可以满足不同除漆需求，在实际应用时可根据具体除漆需求选择相应的工艺参数，以达到仅去除底漆、仅去除面漆或底漆面漆同时去除的目的；其次，利用表面成分评价因子进行参数优化，将客观准确的试验数据作为优化依据，避免了操作者主观判断不准确所导致的除漆参数选择不佳，漆层未去除干净或基底受损严重；同时对优化后的激光除漆工艺参数进行残漆率的计算和漆层烧蚀效率的评价，以验证优化结果的正确性，并量化当下的激光除漆工艺效率；此外，明确给出了三种除漆需求所对应的最佳激光除漆参数，而不是一个笼统的范围，在实际应用时，可以辅助操作者快速获得初步工艺参数，而不需再通过大量预试验从已给的大范围、参考性的参数区间内确定较优的加工参数区间，操作者后续可以依据具体呈现出来的除漆效果微调参数，从而节省试验成本，提高工艺效率。综上所述，本发明所提供的铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法具有满足不同除漆需求、评价指标客观性强、工艺效率可量化及参数聚焦性高等优点；同时还基于激光除漆效果与激光工艺参数直接相关的理论，其中扫描速度、激光功率和脉冲频率是影响除漆效果的三个主要因素，扫描速度过快，则光束搭接率较低，漆层内部能量累积不足，造成除漆均匀性下降且除漆效果不佳，而扫描速度过慢，则光束搭接率较高，容易造成漆层内部能量过度累积，从而损伤基体；激光功率过高，漆层过度吸收光束能量，容易导致基体严重烧蚀，而激光功率过低，则能量吸收不足，很难达到除漆洁净度的要求；脉冲频率过高，出光速度加快，但光束质量下降，影响能量输出，导致残漆率较高，而脉冲频率过低，脉冲数不足，漆层吸收能量达不到所需，从而除漆效果不佳，本发明所提供的激光工艺参数可以保证在不损伤基体的同时有效去除飞机蒙皮表面漆层，达到较好的除漆效果且除漆效率处于较优水平；还为飞机蒙皮激光除漆技术提供可靠的加工工艺参数，可满足不同除漆需求，且除漆高效，处理后的铝合金飞机蒙皮去漆效果良好，蒙皮表面质量可靠稳定，不影响二次喷漆，节省了激光除漆试验探索初步参数所消耗的大量人力、物力资源，改善激光除漆工艺设计效率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，其特征在于：所述方法包括针对不同的除漆需求，通过预试验初步缩小激光参数范围后，开展以表面成分评价因子为指标的激光除漆试验；

所述激光除漆试验包括以下步骤：

S1、采用高功率的中频激光去除铝合金飞机蒙皮表面的目标漆层；

S2、在步骤S1完成后采用低功率的高频激光快速扫描除漆表面，并去除步骤S1完成后所产生的碳化物沉积层；

S3、在步骤S2完成后通过正交优化确定最佳除漆参数，所述除漆参数包括扫描速度、激光功率和脉冲频率的设计。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，其特征在于：所述步骤S1中除漆顺序依次为对飞机蒙皮环氧底漆进行去除、对飞机蒙皮聚氨酯面漆进行去除和对飞机蒙皮环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系进行去除，所述步骤S1中采用60mm/s的扫描速度、7W的激光功率和20kHz的脉冲频率对飞机蒙皮环氧底漆进行去除。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，其特征在于：所述步骤S1中采用200mm/s的扫描速度、6W的激光功率和20kHz的脉冲频率对飞机蒙皮聚氨酯面漆进行去除。

4.根据权利要求1所述的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，其特征在于：所述步骤S1中采用130mm/s的扫描速度、10W的激光功率和20kHz的脉冲频率对飞机蒙皮环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系进行去除。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，其特征在于：所述步骤S2中采用800mm/s的扫描速度、0.01W的激光功率和50kHz的脉冲频率，对步骤S1中飞机蒙皮环氧底漆或聚氨酯面漆在激光去除过程中产生的碳化物沉积层进行清除。

6.根据权利要求1所述的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，其特征在于：所述步骤S2中采用200mm/s的扫描速度、0.8W的激光功率和50kHz的脉冲频率，对步骤S1中飞机蒙皮环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系在激光去除过程中产生的碳化物沉积层进行清除。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，其特征在于：所述除漆参数中：

激光波长为1064nm；

激光光斑直径为20μm；

发射激光的激光器包括YLP-SD20L光纤激光器。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法，其特征在于：所述除漆参数中：

环氧底漆的厚度为30-40μm；

聚氨酯面漆的厚度为25-30μm；

环氧底漆/聚氨酯面漆漆层体系的厚度为100-110μm；

铝合金飞机蒙皮包括2024铝合金蒙皮。

9.采用权利要求1-8所述的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法得到的铝合金飞机蒙皮。

10.权利要求1-8所述的一种铝合金飞机蒙皮激光除漆工艺参数设计方法在飞机维修中的应用。

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