激光复合清洗油漆工艺研究及应用

1、引言

激光清洗技术起步于20世纪80年代中期，但直到20世纪90年代初期才真正步入工业生产中，目前在模具清洗、材料表面处理、大型装备与精密机械除漆除锈等方面得到良好的应用。激光清洗具有操作简单、绿色环保、对基材无损伤和材料的适用范围广等优点，完全符合“绿色、环保”的加工理念，是目前可靠、有效的清洗方式。近几年，随着国家对绿色环保的重视，以及激光器及其硬件的成本不断下降，激光清洗应用范围不断拓宽，激光清洗行业也进入一个高速发展的时期。但与传统喷砂、打磨技术相比，激光清洗厚油漆效率低、速度慢，无法满足现生产企业的效率需求。激光复合清洗通过连续与脉冲激光的相互作用，形成一种新的清洗机制。连续激光照射基材表面，表面油漆物吸收激光，部分油漆物直接吸热气化，部分吸热膨胀，致使油漆与基材的结合力降低。由于连续激光对表面油漆预加热作用，增加油漆物对激光的吸收率，所以当脉冲激光在较小的间距内照射基材表面时，表面油漆物更易气化，同时由于脉冲激光具备的高频特性会产生振动冲击波，加快与基材结合力降低的表面油漆物脱落，从而实现快速清洗表面油漆物质的目的。为解决单一激光清洗的局限性，提高激光除漆效率，本次研究采用复合清洗系统和高功率1000W脉冲激光清洗系统，探索了激光复合清洗最佳工艺参数，对比了1000W脉冲激光单独清洗油漆的效率、效果，为扩大激光清洗应用市场提供参考。

2、实验方法与设备

本次试验材料为300mm×300mm普通碳钢板、300mm×φ50mm齿轮吊杆，碳钢板表面涂有约100μm厚度环氧防锈油漆，齿轮吊杆表面涂有约150μm厚度环氧树脂油漆。采用机械臂单向移动、振镜来回摆动的激光复合清洗方式，研究不同场镜（F160/F255）、扫描速度、离焦量与移动速度对清洗效果与效率的影响，对比高功率连续+脉冲激光复合清洗与单一脉冲1000W激光清洗油漆的效率与效果。

3、试验结果与分析

3.1激光复合系统振镜扫描试验

3.1.1不同场镜对比测试

对100μm厚度环氧防锈油漆进行清洗，由图1分析可知，F160场镜清洗后外观呈竖纹状，竖纹间距较大，残留油漆较多。F255场镜清洗后存在轻微竖纹，竖纹间距较小，残留部分油漆。与使用F160场镜相比，F255场镜聚焦后光斑较大，单次清洗面积大，清洗条纹间距较小，表面相对均匀，对基材损伤亦较小。后续试验均采用160mm场镜进行验证。

3.1.2不同扫描速度对比测试

调节工艺参数，设定相同的清洗效率，测试不同扫描速度对100μm厚度环氧防锈油漆进行清洗的效果。由图2分析可知，扫描速度为2000mm/s时，清洗后外观呈条纹状，间距较大。扫描速度为4000mm/s时，清洗后外观呈条纹状，间距较小。扫描速度为6000mm/s时，外观基本无条纹。扫描速度为8000mm/s时，外表面呈光滑状态。扫描速度越快，清洗条纹越少，清洗越均匀。但考虑振镜扫描速度过快，稳定性会降低，故扫描速度可设置为8000mm/s。

3.1.3不同离焦量对比测试

对100μm厚度环氧防锈油漆进行清洗，由图3分析可知，在焦点与正离焦+10mm处清洗油漆，可完全清洗干净油漆，但会对表面造成损伤，清洗后金属表面呈条纹状。在正离焦量+20mm以上清洗油漆，不会对表面造成损伤，但无法将油漆完全清洗干净。随着离焦量增大，清洗能力下降，故离焦量设置为+20mm到+30mm之间时，可以获得一定的清洗能力，且不会对表面造成损伤。

3.2激光复合系统机械臂飞行试验

对100μm厚度环氧防锈油漆进行清洗，由表1和图4分析可知，机械臂移动速度越快，单次清洗能力越弱，机械臂移动速度越慢，对基体损伤越大，易引起基材氧化发黑。因此，针对不同厚度的油漆需匹配不同的移动速度，100μm厚度灰色环氧防锈油漆对应的最佳机械臂移动速度约为15mm/s，清洗后表面无油漆残留，基材呈金属亮白色。

3.3激光复合清洗与1000W脉冲激光清洗对比

3.3.1 100μm油漆清洗对比

对100μm厚度环氧防锈油漆分别采用复合清洗系统和脉冲1000W激光清洗系统进行试验。由图5结果分析可知，针对较粗糙表面，激光复合清洗与1000W脉冲激光都可以将表面油漆去除干净且对表面无损伤，外观都可以满足清洗要求。复合清洗效率可达2.7m²/h，脉冲1000W清洗效率可达3.6m²/h。1000W脉冲激光器清洗效率略高于连续+脉冲激光复合系统清洗效率。

3.3.2 齿轮吊杆油漆清洗对比

由图6分析可知，激光复合清洗与1000W脉冲激光均可以将齿轮吊杆表面油漆清洗干净。对比图6b、6c可知，复合清洗系统清洗150μm油漆效率为3.24m²/h，吊杆表面光滑，无清洗条纹，呈金属基材亮白色。1000W脉冲激光器清洗150μm油漆效率为4.2m²/h，清洗后表面存在轻微痕迹，表面颜色偏黄。通过降低功率可以实现表面无损清洗，清洗效率为1.7m²/h，远低于复合清洗的3.24m²/h。由此可知，复合清洗系统清洗轴承等光滑零件时具有一定优势，能够以较高的清洗效率实现无损清洗。

4、结论

通过工艺调试和优化，可以实现油漆激光复合清洗。激光复合清洗利用连续激光对表层厚油漆烧蚀并对底层薄漆进行预热，再通过脉冲激光对底层残留薄漆进行清洗，可以有效提升清洗效率同时又能保证表面清洗质量。相比单独采用1000W高功率脉冲激光清洗，激光复合清洗能够极大的节约成本，尤其是针对轴承等光滑零件清洗具有优势，能够以更高的清洗效率实现无损清洗，在轨道交通、船舶领域具有很好的应用前景。

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