南京理工大学
毕业设计说明书(论
文)
作者:罗浩学号：
理学院
光信息科学与技术
激光清洗原理及应用
0911100224学院(系):专题业:目:(姓
名)(专业技术职务)
(姓名)(专业技术职务)
2013年6月
毕业设计说明书（论文）中文摘要本文对激光清洗技术的几种常用清洗方法、清洗机理、影响清洗效果的主要因素、以及目前的主要应用方向等进行了比较详细、全面的介绍，并将激光清洗技术与传统清洗方法进行比较，指出了激光清洗的优势所在。之后，本文重点选取了激光脱漆这一应用方向，对其进行了更加具体、深入的调研。内容包括：激光器的选取、如何确定脱漆用的激光脉冲的能量密度、能量密度对激光作用机理的影响、确定合适的脉冲宽度、激光扫描速度及扫描轨道搭接率的选择、采用液膜法提高脱漆效率、检验脱漆对工件力学性质的影响、如何对脱漆过程进行实时监测、实际应用中的激光脱漆机的组成。对于激光脱漆的讨论，都是面向整个激光清洗领域，而不是仅限于激光脱漆这一应用。在对激光清洗的其他应用进行研究时，也要按同样的研究思路、角度、方法进行。
关键词激光清洗激光脱漆
毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleTheprincipleandapplicationoflasercleaningAbstract
Inthispaper,themethods,principlesandmajoreffectingfactorsforvariouskindsoflasercleaningtechnologyandtheirmajorapplicationsareintroducedcomprehensively.Besides,comparisonbetweenlasercleaningandtraditionalcleaningmethodsaremadetoindicatethesuperiorityoflasercleaning.Afterthat,thepaperselectslaserstrippingastheapplicationdirectiontoconductmoreconcentrateanddeeperresearch.Themaincontentincludes:Theselectionoflaser,howtochoosetheenergydensityoflaserpulseinlaserstripping,theeffectofenergydensitytolasermechanism,howtochoosetheproperpulsewidth,howtochooselaserscanningspeedandrateofscanningorbitaloverlap,theusageofliquidmembranetoimprovestrippingefficiency,testingoftheeffectofstrippingtomechanicalpropertiesofworkpieces,howtoreal-timemonitorthestrippingprocessandthecompositionoflaserstrippingmachineinrealapplications.Thediscussionoflaserstrippingisorientedtothewholelasercleaningareainsteadoflaserstrippingonly.Thesameperspectiveandmethodcanbeusedinstudyofotherlasercleaningapplications.
Keywordslasercleaninglaserpaintstripping
目次
1
1.1
1.2
2
2.1
2.2绪论……………………………………………………………………………5研究背景………………………………………………………………………5激光清洗的机理………………………………………………………………5激光清洗的原理………………………………………………………………6激光清洗的机理………………………………………………………………6激光清洗的方法……………………………………………………………7
2.3激光清洗与传统清洗方式的对比………………………………………………8
2.4影响激光清洗效果的因素……………………………………………………93激光清洗技术用于脱漆的具体应用………………………………………10
3.1适合做激光脱漆的激光器……………………………………………………10
3.2激光脱漆效率与能量密度的关系…………………………………………12
3.3能量密度与工件表面温度分布及激光作用机理的关系……………………14
3.4脉冲宽度对脱漆效果的影响…………………………………………………18
3.5确定合适的扫描速度和扫描轨道搭接率……………………………………19
3.6液膜对脱漆效率的影响……………………………………………………21
3.7激光脱漆对工件力学性质的影响……………………………………………21
3.8激光脱漆过程中的实时监测…………………………………………………28
3.9实现激光脱漆的设备…………………………………………………………33结论………………………………………………………………………………34致谢………………………………………………………………………………35参考文献…………………………………………………………………………36
1绪论
1.1研究背景
工业生产中的很多领域很多环节都离不开清洗技术，传统的清洗技术包括机械清洗、化学清洗和超声波清洗。这些传统清洗技术，越来越不能满足现代工业的要求，在清洁度、效率、自动化控制、清洗对象和环保方面表现出明显的不足。激光清洗是一种新兴的清洗技术，以其高清洁度、绿色无污染、高度自动化、可远程精确实时控制、无需清洗剂、不损伤工件表面等优点，迅速成为工业生产中不可或缺的技术，弥补了传统清洗技术的不足，满足了当代工业生产及环境保护的的高要求。激光清洗的应用范围广泛，在半导体生产、精细集成电路芯片、计算机驱动器、高能光学元件的加工,汽车航空船舶制造业的产品零件、文物的清理修复、物体表面污染物的清除、金属表面脱漆等领域都有重要的应用，其表现都令人满意。
国外对激光清洗已经进行了长时间的研究，取得了很多的研究成果、技术专利。激光清洗在国外已经进入到了实际应用的阶段。国内对激光去清洗的研究起步较晚，目前还停留在研究的阶段，没有实现激光清洗的实际应用。本文，对目前国内外在激光清洗方面取得的理论及实验研究进行了总结，旨在为实现激光清洗的实际应用提出理论和经验上的指导，为国内激光清洗行业的发展有所帮助。[1]
1.2激光清洗的应用
激光清洗硬盘磁头。计算机硬盘磁头在使用过程中,表面易产生污染物。污染物会减少磁记录密度;还会破坏磁盘,导致磁录的可靠性下降。采用短脉宽、较低能量密度的KrF准分子激光器,可以有效去除磁头污染物，并不损坏磁头表面。
激光清洗硅晶体表面。晶体硅是半导体行业中常用的材料,其表面在高温下易形成碳化硅等污染物。使用短脉冲KrF准分子激光器可有效清洗硅晶体表面
[2]。
激光清理巨型光学镜片上的颗粒污染物。大型天文望远镜的镜片由于尺寸太大，不方便移动，对避免损伤的要求高，很难用传统方法清洗。使用短脉冲KrF准分子激光器进行清理，可以在不损伤镜面的情况下使颗粒污染物脱离镜片，脱落后的污染物可以轻易地用气体吹离镜面或用吸尘器吸走。
激光清除海面石油污染。清除泄漏在海面上的石油，以往是用燃烧的清除方法,不仅浪费资源,而且会产生有害气体,造成污染。用激光清除石油，通过控制激光的能量,可以使石油受热蒸发而不燃烧,然后用真空回收装置进行收集。当油层较厚时,可采用大功率激光从石油层底下进行扫描,石油层会形成浓缩的石油膜,而海水在激光作用下受热沸腾将石油膜高高托起,再用过滤收集石油膜的特殊装置进行收集。用船舶装载激光设备清理石油，速度快、效率高,一天可清理数十平方公里的海面。
激光清理橡胶模具，使用调Q的Nd：YAG激光器，可以有效地清除粘附在橡胶制品模具上的橡胶层，而模具完好无损。
激光清洗核电站反应堆内污染物。通过光纤,将高功率激光束引入反应堆内部,可有效清除放射性粉尘,并保证了工作人员的安全。
激光清理文物。激光可用于清除绘画上的老化清漆层、书画表面的霉菌
[9][7][8][6][5][4][3]或大理石雕塑、古建筑上的表面附着的硬壳污染物。短脉冲KrF准分子激光器
配合激光诱导击穿光谱学(LIBS)技术，能够方便清除掉污染层，而不损害文物。激光清洗在除锈领域有广泛的应用。比如桥梁、电视发射塔、高压输电线路的铁架等金属建筑物的表层锈蚀、镀锌板表面的红锈、铜材表面的氧化层等，都可以用激光实现高效快捷的清理，并且能防止进一步氧化[10]。
[11]此外，激光清洗在清除墙体广告、涂鸦、污迹方面也有重要应用。
2
2.1激光清洗的原理激光清洗的机理
物体表面附着物与表面之间的结合主要是由于存在以下各种力:共价键、双偶极子、毛细作用、氢键、吸附力和静电力等。其中毛细力、吸附力和静电力是最难破坏的，激光清洗技术就是要克服这几种力[12]。
图2.1微粒与物体表面最主要的三种结合力[13]
这些吸附力要比重力大得很多（几个数量级）,并且与粒子直径d有关系。吸附力随着粒子半径减小呈现很慢的线性衰减趋势，而粒子质量m与直径的三次方成正比，由牛顿定律可知F=ma,当粒子尺寸变小时吸附力所提供的加速度迅速增大。所以，尺寸越小的粒子，清除起来所需的加速度就越大,这就是常规的清洗技术为什么难以清除直径很小的物体表面附着物。
由于物体表面附着物的成分和结构复杂，激光与之作用的机理也各不相同，用于对此作解释最常用的理论模型有以下几种：
1.光气化，光分解。激光器产生的激光经过光学系统的聚光可以实现能量的高度集中，聚焦后的激光束在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温，使物体表面附着物瞬间气化或分解。
2.光剥离。通过激光的作用使物体表面附着物受热膨胀。当物体表面附着物的膨胀力大于其与基体之间的吸附力时，物体表面附着物便会从物体的表面脱离。
3.光振动。利用较高频率和功率的脉冲激光冲击物体的表面,在物体表面产生超声波,超声波在冲击中下层硬表面以后返回,与入射声波发生干涉,从而产生高能共振波,使污垢发生微小爆裂,粉碎，脱离基体物质表面。当物体与表面附着物对激光束的吸收系数差别不大,或者表面附着物受热后会产生有毒物质等情况时，可以选用这种清洗手段。
2.2激光清洗的方法
1.激光干洗。采用激光脉冲直接照射去除物体表面附着物。当入射激光功率密度较低时，激光被基体或粒子吸收后产生振动或是膨胀,从而使基体和附着物分离。当入射激光功率密度较高时，激光直接引起表面附着物的熔融、汽化，使附着物迅速脱离基体表面。
图2.2
激光干洗的力学示意图[13]
2.激光+液膜的方法。先沉积一层液膜于基体表面，用激光脉冲照射使液膜发生非常剧烈的汽化现象，在物体表面与液膜的界面上出现气泡的迅速大量产生与爆炸性破裂的现象，气泡破裂产生的冲击波克服掉基体与附着物的吸附力，从而使附着物从基体表面分离。
图2.3激光+液膜法的力学示意图[13]
3.激光＋惰性气体的方法。即激光辐射的同时，将惰性气体吹向物体表面。一方面，惰性气体可以作为保护气，防止脱落的高温的附着物在空气中燃烧以及物体表面在高温环境下氧化。另一方面，惰性气体可以把脱落的附着物从物体表面吹走，避免发生二次污染。
2.3激光清洗与传统清洗方式的对比
传统的清洗方法主要有4种：高压水清洗法、机械清洗法、化学清洗法、超声波清洗法。这些清洗方法主要是用来清除较大颗粒的固体污染物和油脂类污染物，可以在很大程度上满足了工业生产和日常生活的需要。但是存在以下问题：机械法清洗技术清洗效率低，劳动强度大，而且清洁度低，只能用于对精度要求不高的场合，还容易损伤工件基体。化学清洗法需碳—氟—氯化合物及其他有机溶剂，会产生大量的废液，对环境污染太大，而且，当工件表面污物成分复杂时，需用多种清洗剂多次清洗才能将污物除去，清洗剂还可能腐蚀工件基体。超声波
本科毕业设计说明书（论文）第9页共37页清洗是一种比较新颖的清洗技术，但它有很大的局限性，被清洗的工件需要放置在清洗槽中，受到清洗槽尺寸限制，而且同样需要用到化学溶剂。这三种清洗方法都无法有效清洗吸附在物体表面的亚微米级粒子，可控性、柔性不高，难以实现选区定域、实时的精密清洗，无法清洗危险或难以到达的地方，难以实现远距离遥控清洗。
相比之下，激光清洗有着显著的优势。激光清洗是一种绿色清洗方法,不需使用任何化学溶剂和清洗液,清洗下来的废渣基本上都是固体粉末,体积小,易于存放，不会造成环境污染。激光清洗的无研磨和非接触性可以避免损伤基体表面，也不会产生二次污染。激光可通过光纤传输,与机器手配合可实现远距离操作,能有效清洗不易达到的部位,可以对危险地方进行清洗。激光清洗的对象非常广泛，能够清除多种物质表面的附着物,达到传统清洗无法达到的清洁度。而且不损伤基体表面。清洗效率高,节省时间。可以很容易地实现自动化操作，清洗系统可以长期稳定使用,运行成本低。
2.4影响激光清洗效果的因素
激光清洗去除一定表面积内的微粒子数与清洗前的微子数的比值，为清洗表面的洁净度。它是衡量激光清洗效果的主要指标。激光束的波长、能量密度、脉冲次数、偏振状态、入射方向、使用的气流以及被清洗物体的材料和附着物的性质、大小等，都对清洗效果有影响。[14]
1.波长。同一清洗对象对不同波长激光的吸收率不同，穿透深度不同，作用时发生的物化过程也不同，从而有不同的清洗效果。要根据具体的清洗对象选择合适波长的激光器。
2.能量（功率）密度。单位面积清洗力峰值随能量密度线性增加。洁净度也随能量密度大致呈线性增加。当能量密度过低，单位面积清洗力太小时，不能产生清洗效果。对一定波长的激光束，只有当能量密度达到阈值时，才能产生清洗效果。
3.脉冲宽度。当激光单脉冲的能量一定时，脉冲宽度能影响物体表面沿激光照射方向上的温度分布。当激光脉冲的能量密度较低，不能有效实现有效清洗时，采用较短的脉宽，可以使激光能量更集中于物体表面，达到激光清洗的阈值要求。当激光脉冲的能量密度较高时，采用较宽的脉宽，使激光能量的分布更分散，增
本科毕业设计说明书（论文）
加激光作用的深度范围，加快脱漆速度。第10页共37页
4.脉冲次数。在高于能量密度阈值的脉冲激光束照射下，物体表面的洁净度随脉冲次数增加而提高。为避免损伤被清洗物体表面，可采用较低的能量密度，通过增加脉冲次数来获得高的洁净度。而在不损伤基体表面的条件下，选用较高的能量密度，减少脉冲次数，可以提高清洗效率。
5.光束偏振状态。对于沉积的金属薄膜和具有压电或电磁性的材料，采用偏振光清洗效果更好。
6.基体材料和附着物。不同的基体和附着物，清洗工艺参数有着明显差异。[15]
以上对影响激光清洗效果的因素的讨论较为简略，在本文的第二部分中，将以激光脱漆为例，对其进行详细、系统的讨论分析。
3对激光清洗（脱漆）的具体应用研究
工业上，广泛采用涂漆技术进行材料防锈防蚀，油漆层出现剥离或脱落时需重新涂漆，要对原有油漆层进行清除。飞机、轮船等每隔几年就要脱漆一次。传统的方法主要采用机械和化学法，机械法劳动强度大，噪声大，容易损伤基体，清洗效果差；化学法污染环境，不能局部清洗。相比之下，激光脱漆技术有着明显优势：经济、高效、快速、便于自动控制；脱漆过程中产生的废弃物为固体粉末，容易收集，不会污染环境。
以下以激光脱漆为研究对象，通过对激光脱漆进行详细研究的过程，指出对激光清洗进行研究一般的方法、角度、理论依据。
3.1适合做激光脱漆的激光器
使用激光清洗时，针对不同的表面附着物，要选择不同波长的激光。因为，不同波长的激光，其透射能力不同，不同物质对同一波长的激光的吸收能力也不同。根据不同的材料，选用不同波长的激光，可以提高激光清洗的效率。对同一物质进行清洗时，若使用短波长激光，则清洗阈值低，但吸收深度浅，若使用长波长激光，则清洗阙值高，但吸收深度长。清洗领域常用的激光器有Nd：YAG激光器(1064nm)、CO2激光器(10.6m)、KrF准分子激光器(248nm)等。国外关
本科毕业设计说明书（论文）第11页共37页于激光清洗的研究应用表明[16]，当清洗的精度要求较高时，如半导体电路元件以及光学镜片表面颗粒污染物的清洗，宜选用KrF准分子激光器;而在对清洗精度要求较低，对清洗效率和成本要求较高时，比如脱漆领域，最适合的激光器是脉冲式的Nd：YAG激光器和CO2激光器。因为金属对长波长的激光吸收弱，对短波长激光吸收强，所以采用1064nm的Nd：YAG激光或10.6m的CO2激光器有利于保护金属基底。而且，使用Nd：YAG激光器和CO2激光器可以提高激光的穿透深度，使同一时刻受到清洗作用的漆层厚度更大，加快脱漆的速度。之所以选用脉冲激光器，是因为连续波激光器的功率密度低，能量在时间上不集中，造成清洗效率低，大量的光能都散失被基体吸收了，这样还不利于清洗处表面的散热，会引起基体表面温度的明显升高，很容易损伤机体，故不采用连续波激光器。由此可知，最适合激光脱漆的，应该是具有长波长、高功率、高重复率的脉冲激光。TEACO2激光器和声光调Q的Nd：YAG激光器具备以上特点，在目前的金属工件脱漆领域中得到了广泛应用。
表3.1对不同清洗对象使用的激光器的总结[16]清洗对象
半导体元件
古石制品
轮胎模具
磁头
绝缘材料
Al镜表面
电子线路
芯片
光掩膜
牙齿
Si片[***********]82482480.100.04—0.50.08—0.50.16—0.190.11—0.24—102.4—20.61—2W300J/pulse2002330纳秒级纳秒级23波长（nm）2481060能量密度（J/cm2）0.03—0.30.3脉宽（ns）纳秒级5—20激光器KrF激光器Nd：YAG激光器YAG激光器KrF激光器准分子激光器KrF激光器KrF激光器KrF激光器LEXtra-200激光器Ho：YAG激光器KrF激光器
3.2激光脱漆效率与能量密度的关系所有的实践经验都表明，激光能量密度对激光清洗效果的影响是非常突出的，所以在确定了脱漆使用的激光器以后首先要探讨激光脱漆的最佳能量密度。只有在激光的能量密度达到某一值，激光对清洗对象才具有明显的清洗能力。我们称这一激光能量密度值为该波长的激光对该清洗对象的清洗阈值。激光功率密度高于某一值时，激光会击穿靶面处的气体，使清洗效果反而下降[17]。就在这两值之间，有某一能量密度，在此能量密度下，清洗效率达到最高。同时还要考虑到对基体的影响，在努力提高脱漆效率的同时还要保证基体不会受到破坏，即其力学性质参数与清洗前无明显差别。
2005年时，国内郑光，谭荣清，郑义军等人做过激光能量密度对脱漆速度影响的实验[18]。这个实验是模拟飞机蒙皮激光脱漆，研究激光能量密度对脱漆速度的影响。激光器选用的是中科院电子所研制的高功率高重复率TEACO2激光器，实验时的输出激光单脉冲能量为6.73J或8.27J。实验时用反射率为90%、f=250mm的铜凹面镜将激光光束聚焦到样品上。并调整光路，使激光束垂直样品。通过将样品放置离铜凹面镜焦点不同距离的位置上进行激光脱漆，获得不同的激光能量密度。计算激光能量密度的的方法是，测量样品所在位置的激光束光斑尺寸，用激光脉冲能量（6.73J*90%）除以激光束面积，得到的就是能量密度。实验样品在激光脱漆前微量天平测量质量，然后用一定数量的激光脉冲作用于样品，且每个脉冲都作用在样品不同的位置上，即研究单激光脉冲的脱漆效果，激光脱漆后再用微量天平测量质量。求出实验前后样品的质量差，这就是脱去的漆的质量。这里，我们用激光能量利用效率的Q*值(kJ／g)来衡量清洗效率，Q*=消耗的激光能量／脱去的漆的质量。显然，Q*值越小，激光脱漆的效率越高。
实验结果如图3.1所示
a.所能脱去的漆的量随激光能量密度的变化
b.单位面积脱去的漆的量随激光能量密度的变化
c.Q*值随激光能量密度的变化
图3.1激光能量密度与脱漆效率的关系[18]
图a是数量、单脉冲能量一定的激光脉冲序列，所能脱掉的油漆质量随着能量密度的变化曲线。从图中可以看到，所能脱去的油漆质量的曲线随激光脉冲能量密度的增加呈现出先升后降的趋势，在能量密度为6—8J/cm2附近达到峰值。
图b是单位面积脱掉的油漆的质量随激光能量密度的变化曲线。也就是把上述脱掉的油漆质量除以脉冲作用的总面积(单脉冲作用的面积*实验所用的脉冲数)。从图上可以看出，在能量密度趋向于8J/cm2的过程中，虽然激光脉冲作
本科毕业设计说明书（论文）第14页共37页用的面积越来越小，但在单位面积上能脱掉的油漆的质量还在增加，所以，脱掉的漆的质量还在随着能量密度的提高而增加。当能量密度越过8J/cm2后，单位面积上脱掉的油漆的质量不再增加，而激光脉冲的作用面积却在继续变小，所以脱去的油漆的质量随着能量密度的升高呈下降趋势。当能量密度超过12/cm2后，单位面积上能脱掉的油漆的质量随着能量密度的升高而显著下降。
图c是Q*值随激光能量密度的变化曲线，从图中可以看出在能量密度为5—10J/cm2的范围内，激光的能量利用效率较高。
以上是激光能量密度对脱漆效率、激光能量利用率的影响，是从脱漆速度、激光能耗的角度寻找适宜脱漆的激光能量密度。在使用激光脱漆时，不能只考虑以上两个因素，还要考虑到脱漆的安全性，即不同能量密度时，激光脉冲与工件表面的作用机理是什么，会不会影响基体的力学性质，造成不良影响。
3.3能量密度与工件表面温度分布及激光作用机理的关系
在激光脱漆过程中，随着激光能量密度的增加，漆层物质将依次发生熔融、汽化、等离子体化等物态变化。单位质量的漆层物质在吸收Q1的能量后，就已经膨胀到可以产生足够大的应力而克服与基体表面的结合力达到临界脱离的状态。这时如果提供一些外力的作用，如冲击、振动、机械力等，漆层就可以脱落下来。而单位质量的漆层物质吸收Q2的能量（Q2>Q1）后，可以达到熔融状态。这说明漆层在达到熔融状态前就已经可以脱落了。如果激光的能量密度不够大，则在激光脉冲持续时间内，漆层物质没有吸收到所需要的能量Q1，漆层的温度变化就不够大，不能产生足够的热膨胀应力，漆层就不能脱落。增大激光的能量密度，直到在激光脉冲持续时间内，漆层物质刚好可以吸收到Q1的能量，漆层的温度变化产生足够的热膨胀应力使漆层处于可以脱落的临界状态，只要稍微增加激光的能量密度漆层就可以自行脱落。这时的激光能量密度，就是激光脱漆的能量密度阈值。继续增加激光的能量密度，这时漆层物质在激光脉冲到来后的一段时间内就已经吸收到了Q1的能量，进入临界脱落的状态，在此后的脉冲持续时间中，漆层物质继续吸收激光的能量，随激光能量密度的逐渐增大，依次发生熔融、汽化、离子体化现象。
其实，只要激光的能量密度略高于阈值，漆层物质吸收到的激光能量超过
本科毕业设计说明书（论文）
第15页共37页Q1，漆层物质就能达到熔融状态急剧膨胀从工件表面急剧喷射出来。
目前，国内外对于使用激光进行飞机和船舶表面脱漆的应用已经进行了研究，对于清洗机理的作用条件进行了初步的界定。2012年，国内施曙东等人，对激光脱漆过程中激光与工件表面的作用机理进行了比较细致的研究[19]。他们的研究表明，激光脱漆的主要作用机理是振动效应和烧蚀效应。振动效应是指当激光脉冲照射时，油漆层和基底吸收激光能量，温度升高，激光脉冲结束时，油漆层和基底由于热传导作用迅速散失热量温度下降，短时间内剧烈的热膨胀和冷却收缩会在漆层和基底的结合处产生应力振动，从而实现脱漆。这种效应可以归入前文所提到的热膨胀作用。烧蚀效应是指当漆层吸收的激光能量较多，漆层温度升高超过了汽化温度，漆层发生汽化现象从工件表面脱离。这也就是前文提到的熔融汽化作用。
他们通过建立作用模型对激光脱漆过程中的漆层及基体表面的温度的变化进行了模拟。他们建立的模型如图3.2所示
图3.2激光脱漆中激光与漆层和基体作用的模型[19]
模型坐标系以ｚ＝0处的平面为漆层与金属基底的接触面，表面漆层的厚度为Lp，则漆层的上表面坐标为z=Lp，基底的厚度为Ls，则基底的下表面坐标为ｚ＝-Ls，基底的厚度远远大于激光在基底材料中的吸收长度１／α，整个系统的ｒ方向边界定为ｒ＝Ｒ。对于高斯分布的脉冲激光，认为它的入射激光束脉冲的能量密度的表达式为
r2ttIr,tI0srgtI0expexpr220（3.1）
本科毕业设计说明书（论文）第16页共37页I0为入射激光初始光强，s(r)和g(t)分别为高斯激光的空间和时间的分布形式，τ为脉冲激光函数的半峰全宽。入射激光脉冲是该系统唯一的热源，漆层和基底吸收入射激光脉冲的能量。根据物质对光的吸收定律可知，各层中吸收的光强的表达式形式（在漆层中和基体材料中的表达式形式是相同的，只是边界条件不同）为
kmTm(r,z,t)Am(T)I0s(r)g(t)exp(az)z（3.2）Km为各层材料的热导系数，Am（Ｔ）为各层材料的吸收率，角标m分别为基底和漆层参数，α为材料的吸收系数。
在吸收激光的同时，热传导作用开始。热传导方程式(热传导方程式在漆层中和基体材料中的表达式形式也是相同的，只是边界条件不同）的形式为pcpT(r,z,t)1T(r,z,t)T(r,z,t)[rkp][kptrrrzz（3.3）当激光脉冲作用于工件表面时，由于激光作用的面积与工件表面的面积相比很小，而在激光脉冲持续时间内，热传导范围仅仅局限于漆层和基体的浅表面，因此模型的两个R边界侧面和基体下表面在热传导中认为是绝热的。
根据以上假定和具体的材料性质参数以及实验环境温度等条件，补充好边界条件后，就可以得到在漆层中和基体材料中具体的光吸收表达式和传热表达式。
使用数值计算软件ComsolMultiphysics（一种适合对瞬态作用的热－结构应力进行分析的有限元工具）对上述的模型进行计算模拟，得出在激光脉冲作用下漆层和基底中形成的温度、应力分布情况。
他们进行了涂漆钢板的脱漆实验。用1064nm的高重复率脉冲Nd:YAG激光扫描涂有50um厚度油漆的钢板。通过调节激光器的重复率与抽运电流改变激光器的输出功率，并测量出与之对应的激光脉冲功率密度，然后对试验样本进行多次扫描。随着激光峰值功率密度的不断增大，样本表面的漆层逐渐脱落。这里定义了清洗阈值和损伤阈值，样本表面的漆层开始有脱离基底的趋势时的能量密度为清洗阈值，当漆层能够完全脱离金属表面而有没有对金属表面造成明显伤痕时的能量密度为完全清洗，当金属表面出现明显的伤痕时的能量密度为损伤阈值。
当测出了清洗阈值和损伤阈值之后，再利用上述的数值计算软件进行分析，得出在各种功率密度的激光脉冲作用下的漆层和基体中的温度、应力分布情况，如图
3.3所示
a.清洗阈值条件下的温度分布
b.基体损伤条件下的温度分布
c.清洗阈值条件下的应力分布
d.基体损伤条件下的应力分布
图3.3不同能量密度条件下的工件表面的温度和应力分布情况[19]
从图中可以看出，在清洗阈值条件下，漆层中温度低于熔点和气化温度，温度最高处位于基体的浅表面，温度的迅速变化产生了很大的热应力，使漆层脱离。因此，阈值清洗条件下，脱漆的主要机理是热振动效应。在损伤清洗条件下，激光光斑中心处漆层中的温度已经超过漆材料的熔点650Ｋ，而基体温度已经接近或超过了实验样本钢材的熔点1600Ｋ，基底表面产生了熔坑状的损伤。所以，在损伤清洗条件下，脱漆的机理既包括振动效应，也包括烧蚀效应。这都与实验所观察到的现象吻合。由此证明，可以使用数值计算软件对脱漆时漆层和基体内的温度以及应力进行准确的分析评估。
这项研究对激光脱漆的应用有着重要的指导作用。在实际的脱漆实践中，可以通过数值计算模拟的方法对其清洗阈值、损伤阈值、无损伤情况下的最大功率密度等重要参数进行估算。帮助人们选用合适的激光参数，以达到合适的功率密度。这项实验的一个缺点，是没有对损伤采取精确、科学的评估方法，通过观察基体表面的形貌判定其是否发生损伤，而不是采取力学属性测量的方法。后文将专门讨论对损伤进行力学性质判定的方法。
3.4脉冲宽度对脱漆效果的影响
必须说明的是，以上讨论都是从激光能量密度的角度出发的，也就是讨论单脉冲能量对脱漆过程的种种影响。其实，在激光单脉冲能量相同的情况下，脉冲宽度不同，脱漆的效果也不同。使用上文中提到的吸收光强方程和传热方程，改变其激光脉宽常数τ，通过数值计算模拟，就可以得到在激光单脉冲能量一定的
条件下，漆层内温度分布随激光脉冲脉宽变化的变化情况。计算机模拟的结果是，漆层表面的温度值最高，随漆层深度增加，温度逐渐降低。当激光脉宽较大时，漆层内的温度变化曲线比较平坦，漆层表面的峰值温度较低，随着激光脉宽的变窄，漆层内的温度变化曲线越来越陡，漆层表面的峰值温度也越来越高，说明激光脉冲输入的能量越来越集中于漆层的表面，向漆层的深处以及周围的热传递减少了。所以，在激光脉冲的能量较小时，适当的缩短激光脉宽可以使激光脉冲的能量更集中的作用，提高脱漆的效率以及激光能量的利用率。当激光脉冲的能量很大时，可以适当的加长激光脉宽，是激光脉冲作用的深度范围更大，加快脱漆的速度，同时还可以避免对基体造成损伤。
3.5确定合适的扫描速度和扫描轨道搭接率
将激光光斑的尺寸固定，激光的单脉冲能量、脉宽、重复率固定。改变激光的扫描速度，多次进行脱漆实验，观察脱漆效果的变化。结果的表明，当激光扫描速度太大时，激光与工件表面作用时间太短，不能完全清除油漆；当激光扫描速度太小时，激光与工件表面作用时间过长，在完全清除油漆的同时，又容易使基体变形、表面产生损伤等。因此，在使用激光脱漆时，必须控制其扫描速度，使扫描速度处于刚好完全清洗油漆的扫描速度和避免造成基体损伤的扫描速度之间。2008年，陈菊芳等人做了相关的实验[20]，对激光脱漆的最佳扫描速度进行了探讨。他们以不同的激光功率和扫描速率对样本进行了多次脱漆实验，通过在光学显微镜下观察激光脱漆后的样本表面形貌对激光脱漆的效果进行评估，得出了不同的激光功率下的实现完全脱漆的最大扫描速度和避免造成基体损伤的最小扫描速度，结果如图3.4所示。
图3.4不同的激光功率下实现完全脱漆的最大扫描速度
[20]和避免造成基体损伤的最小扫描速度的变化曲线
从图中的两条变化曲线可以看出，当使用的激光功率较小时，（图中为300W）实现完全脱漆的最大扫描速度与避免造成基体损伤的最小扫描速度很接近，此时对扫描速度的控制要求很高，工程上很难达到。随着使用的激光功率的增加，实现完全脱漆的最大扫描速度和避免造成基体损伤的最小扫描速度都增大了，而两者的差距也变大了。此时对扫描速度的控制要求降低了，适合工程应用。
使用脉冲激光器进行脱漆时，由于激光的输出是不连续的，所以激光扫描线是由一串不连续的脉冲点序列组成的。认为输出激光束的光斑为圆形，激光模式为准高斯型，即光束中心能量较高，光束边缘能量较低。因此，光斑边缘处的油漆不能完全清除，为了实现漆层的完全清除，要保证光斑之间的搭接率。显然，扫描搭接率由光斑形状、光斑面积、激光脉冲重复率和扫描速度等因素共同作用。在研究与实际应用中，通常采用先确定符合脱漆要求的激光扫描速度，再由扫描速度计算出搭接率的方法，来确定激光脱漆过程采用的搭接率。
图3.5激光脉冲光斑的搭接率示意图[20]
图3.5所示为激光光斑间的搭接情况示意图，设激光光斑的半径为r，每两个光斑间的搭接长度为l，激光扫描形成的扫描线总长度为L。可以看出，激光光斑半径r、光斑间的搭接长度l和激光扫描线总长度L的关系为L＝2nr－(n－
1)l。定义搭接率为l/2r。当l＝2r时，各激光光斑完全重合，此时搭接率为100%；当l＝0时，各个激光光斑之间刚好能够接触没有重叠，此时搭接率为0。根据激光的重复频率、扫描速度、激光光斑半径，可以确定单位时间内激光的扫描线总长度为L、扫描线内的激光脉冲数n，然后就可以计算除光斑间的搭接长度l和搭接率。以上讨论的是激光扫描线上的搭接率问题，激光扫描线间的搭接率在定义和分析计算方法上，与之类似，也按上述方法进行计算。
通过实验确定最佳搭接率的具体方法如下。在脉冲能量密度达到清洗阈值的情况下，先选择较大的激光扫描速度，此时激光扫描过的漆层表面已经实现了完全脱漆，因为扫描线移动速度过快，各激光光斑之间搭接率较低，所以在扫描方
本科毕业设计说明书（论文）第21页共37页向会看到有残漆条纹（条纹所在处正是激光光斑间搭接的位置）；降低激光扫描速度降，扫描线上的残漆条纹已变得越来越窄越来越不明显；继续降低激光扫描速度，直到残漆条纹完全消失，此时基体表面不会受到损伤。求出此时的搭接率，就是激光脱漆的最佳搭接率。小于此搭接率时，工件表面会有残漆，大于此搭接率时，会降低激光脱漆的效率，还有可能对基体表面造成损伤。用同样的操作方法可以确定扫描线间的最佳搭接率。
研究最佳搭接率对激光脱漆很有帮助。当确定了脱漆用的激光器，和被脱漆的材料后。可以根据脱漆所需的具体能量密度，调整光学系统，改变光斑的大小以达到最高的脱漆效率。此时只要根据之前测定好的搭接率，就可以确定脱漆的最佳扫描速度。
3.6液膜对脱漆效率的影响
如果在激光清洗前，先在工件表面沉积一层液膜，再用激光照射工件表面，液膜吸收激光的能量后急剧受热，产生爆炸性汽化，基体表面的附着物在爆炸产生的冲击波作用下脱离基体表面，继而飞离工件表面，从而实现对工件的清洗。这是一种新的清洗方法，在原理上不同于用激光直接照射工件表面进行清洗，对提高脱漆效率有帮助。2005年，中国科学院郑光做过激光+液膜脱漆方法的实验
[17]。他做的是用激光+液膜的脱漆方法，对飞机蒙皮进行脱漆，并与激光直接照射飞机蒙皮表面进行清洗的方法进行了比较。两组实验采用同样的能量密度、扫描速度、激光光斑大小、激光脉冲重复频率。结果发现，在脱漆前给飞机蒙皮沾过水的一组，只扫描一次，扫描线上的漆层大部分就已经脱落了，再扫描一次后，基体表面就完全脱漆了。而不沾水的一组，需要扫描3、4次，才能实现完全脱漆。所以，采用激光+液膜的方法进行激光脱漆，可能使脱漆效率得到明显提高。
3.7激光脱漆对工件力学性质的影响
3.7.1评价工件力学性质的指标
保持基体的力学性质不变是激光脱漆的前提，前面几节讨论的都是如何快速、高效的脱漆。本节将讨论检测判定基体力学性质的方法，为实现安全脱漆提供保障。
本科毕业设计说明书（论文）
第22页共37页在讨论激光脱漆的力学性能检测，先交代一下力学性能检测中要涉及到的性能指标及其含义。
抗拉强度，也被称为强度极限，是指使材料彻底失去承载能力的极限应力值。屈服强度σ0.2，也被称为条件屈服应力，是指在应力—应变曲线中使材料产生0.2％塑性应变(及永久应变)的应力值。
断后延伸率，也被称为断后伸长率，是指拉伸试验样本至其断裂后时，试验样本标距长度的相对伸长值。标距是指试验样本中间平行窄段的长度，如图3.6所示，图中标有25mm的部分即为试验样本的标距。
图3.6断后延伸率试验样本示意图[17]
疲劳寿命，它是度量材料抗疲劳性能的参量。试验样本的疲劳寿命是指对试验样本一直施加交变应力，直到试验样本出现规定长度的或肉眼可见的裂纹或完全断裂等损伤现象的应力循环次数。
疲劳极限σ-1，使试验样本的疲劳寿命为无穷大时的疲劳强度，在实践中，
通常认为使试验样本的疲劳寿命大于107的疲劳强度为疲劳极限也称为条件疲劳极限。（疲劳性能是一个非常重要的性能指标，疲劳性能对机械的安全性起着非常关键的影响作用，绝大多数机械的断裂事故是由疲劳失效引起的。一旦材料达到了疲劳寿命，塑性材料就会变得像脆性材料一样，在无可见形变等征兆的情况下突然发生断裂解体。而此时使材料发生断裂解体的交变应力的最大值远小于在静载条件下测得的屈服强度σ0.2。
3.7.2激光脱漆对工件力学性质的影响的实验检测
2005年，中国科学院郑光在研究飞机蒙皮脱漆的时候，对被脱漆的飞机蒙皮样本做过详细、系统的力学性质检测，分析了激光脱漆的安全性[17]。他在检测方法都严格的遵守了国家标准，测试思路也很合理，除了个别地方有缺陷（下文中将提到）以外，很值得我们在做激光脱漆的力学性能检测时将其引为参考。下
本科毕业设计说明书（论文）第23页共37页面以他的实验为范本，讨论检测工件力学性质的实验思路与具体操作方法。
1.强度性能测试。
将全部样本分成两组。将其中一组样本进行激光除漆处理，而另一组样本不进行激光除漆。然后对所有样本分别进行静载拉伸试验，测量每个样本的抗拉强度和屈服强度，最后再对两组样本的测量结果进行分析整理，经比较即可得出最终结论。依照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》的要求，设计样本的几何形状（如图3.6所示）和静载拉伸试验。在试验样本的标距内取间距大致相同的五个位置，用读数显微镜测量该位置处标距的宽度，计算其均值与方差，以此评估试验样本的加工质量。使用高功率高重复率的TEACO2激光器进行脱漆，将能量密度调整至高达83J／cm2。（在做这个实验之前，作者做了脱漆的激光能量密度实验，结果表明只需5—8J／cm2的激光能量密度就可实现脱漆，之所以选用这么高的激光能量密度进行脱漆是为了保证在实际的应用中，如果由于系统意外故障使聚焦到飞机蒙皮上的激光光斑的能量密度远高于6—8J／cm2，飞机蒙皮不会损伤。）拉伸实验是在中科院力学所的MTS810MatcrialTestSystem试验机上进行的，拉伸速率是lmm／min。
测试的结果如下
表3.2实验样品的强度性能测试结果[17]经激光脱漆的试样
试样编号
宽度均值（mm）
宽度方差
抗拉强度（MPa）
屈服强度σ0.2（MPa）110.0080.02775398.79311.0310.0080.21135391.4318.9410.0520.04494402.72330.1510.1340.04159399.75310.9未经激光脱漆的试样610.0980.04764398.42310.7910.2640.45709399.93308.7
图3.7实验样品的应力—应变曲线[17]
可以看出，经过激光脱漆的一组样本和没经过激光脱漆的一组样本在抗拉强度和屈服强度这两项指标并没有明显的差异。而在应力—应变曲线中，经过激光脱漆的一组样本和没经过激光脱漆的一组样本在从发生弹性形变开始到达到最大应力值时，曲线重合得很好。在各样本应力一应变曲线的后段，也就是样本发生断裂时的应变值有较大差异（须注意的是，两组样本断裂时的应变值都是交错分布的，应变值并没有随组别发生有规律的分布差别，两个组的样本断裂时的应变值都是有大有小），这是由于样本没有在标距中心处断裂而引起的引伸计的测量误差。可以认为，经过激光脱漆的一组样本和没经过激光脱漆的一组样本的应力—应变性能和断后延伸率没有差异。由此证明，激光脱漆不会影响飞机蒙皮材料的强度性质。
我认为这个实验在设计上存在一个问题，即没有考虑到漆层对样本强度性能的影响，实践证明，涂漆会对基体材料（尤其是像飞机蒙皮这样的厚度很薄的基体材料）的力学性质产生影响。如果将实验的设计改为选取两组试验样本，其中一组样本不经过激光脱漆，直接进行静载拉伸试验，另一组样本先进行激光脱漆，再重新脱漆，待漆层干后进行静载拉伸试验。通过比较两组样本的各项测试指标，就可以看出经过一次换漆后的飞机蒙皮在强度性能上有何变化。也可以选取两组试验样本，其中一组样本先进行激光脱漆，再进行静载拉伸试验，另一组样本先用传统的脱漆方法进行脱漆，再进行静载拉伸试验。通过比较两组样本的各项测试指标，就可以对比得出激光脱漆法和传统的脱漆方法对飞机蒙皮的强度性能的影响的大小。
2.疲劳性能测试。同样的，将全部样本分成两组。将其中一组样本进行激光除漆处理，而另一组样本不进行激光除漆。然后对所有样本分别进行高周疲劳试验（失效循环次数高于50000的疲劳称为高周疲劳，而失效循环次数低于50000的疲劳称为低周疲劳。在操作方法上，高周疲劳试验以应力为控制量，低周疲劳试验以应变为控制量），测量每个样本的疲劳寿命，最后再对两组样本的测量结果进行分析比较，得出结论。参照GB3075—82《金属轴向疲劳试验方法》的要求设计样品形状和疲劳试验。使用与上文强度测试同样的装置进行激光脱漆，只是脱漆使用的能量密度降低了，约为7.5J／cm2(作者没有说明降低脱漆的能量密度的原因，而选择
7.5J／cm2的能量密度确实偏小，因为按照作者之前的讨论正常脱漆的能量密度在6—8J／cm2之间)。在MTS810MaterialTestSystem试验机上采用不对称拉伸循环应力（如图3.8所示）进行试验。应力比R**为0.1，频率为40Hz，最大应力σmax为150MPa，应力范围是135MPa。试验结果如表3.3所示。
图3.8疲劳性能试验使用的不对称循环应力[17]
表3.3实验样品的疲劳寿命测试结果
未经激光脱漆的试样的疲劳寿命
样品编号
疲劳寿命（周）N1187009N2247008N3311985N4[17]N[1**********]88
经过激光脱漆的试样的疲劳寿命
样品编号
疲劳寿命（周）T1242016T2292394T3310976T4357038T5405735
经过激光脱漆的5个样本的疲劳寿命均值为321631周，方差为62518。没有经过激光脱漆的5个样本的疲劳寿命均值为303340周，方差为94244。（实验测得的疲劳寿命值的方差很大，所以，此处最好增加样本的数量以增强说服力）可以认为经过激光脱漆的5个样本和没有经过激光脱漆的5个样本在疲劳寿命上没有明显的差异。得出结论，激光脱漆不影响飞机蒙皮的疲劳寿命。
与上一个实验相同，这个实验也没有考虑漆层对样本疲劳寿命的影响。改进方法也与上个实验相同。另外没有考虑样本本身的加工质量，应对样本的均匀性和表面的粗糙度、有无缺陷进行严格控制，以加强实验的说服力。
3.硬度性能测试。
金属的硬度是指金属材料抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是一个衡量金属软硬程度的参数。测量硬度的方式有很多种，对应地，硬度指标也分为维氏硬度(HV)、布氏硬度(HB)、里氏硬度（HL）、洛氏硬度(HR)、肖氏硬度(HS)等等。在各种静态硬度测量(包括维氏硬度、洛氏硬度和布氏硬度)中，维氏硬度精确度最高。维氏硬度的测试方法是将一个正四棱锥体金刚石的一个顶点，以规定的力压入试样表面，经过预定的保持时间后，撤掉压力和金刚石，测量压痕对角线的长度，以此来计算出压痕表面
所承受的平均应力，再乘以0.102，所得的数值就是该样本的维氏硬度。本次实验就是使用显微硬度计测量的是维氏硬度(HV)。
试验方法同上，还是把试验样本分为两组。一组做激光脱漆，另一组不做激光脱漆。然后分别测量其维氏硬度。测量过程中，使用100g的压力，保持15s的时间。测试得处的飞机蒙皮样本脱漆前后的维氏硬度值如表3.4所示。
经过激光脱漆的一组飞机蒙皮样本的维氏硬度的均值为140，方差约为17。
没有经过激光脱漆的一组飞机蒙皮样本的维氏硬度的均值为145，方差约为17。可以看出，飞机蒙皮样本在经过激光脱漆后，其维氏硬度值也无明显变化。作者认为，漆层的硬度和厚度都太小，对测试结果构不成影响。不过为了严谨起见，还是按前文提到的方法改进实验更好、更有说服力。
表3.4实验样本的表面维氏硬度测量结果[17]
图3.9实验样本的表面维氏硬度测量结果[17]
3.7.3实验结果的启发
在对飞机蒙皮样本脱漆前后的力学性质做了系统、规范的检测之后，郑光提出了一个设想：可不可以省掉激光脱漆器中的反馈控制系统。现有的脱漆设备为了避免在脱漆过程中出现激光能量密度失控损伤飞机蒙皮的情况，都配备了结构复杂、成本高昂的激光能量密度反馈控制系统。如果可以证明，在激光能量密度变化幅度较大（大于现有激光脱漆器的聚焦光斑的激光能量密度可能的最大变化幅度）的情况下，激光脱漆仍然不会对飞机蒙皮造成力学性质上的变化，那就可以省去能量密度反馈控制系统。虽然，他做的三项测试中，没有全部采用远高于脱漆时用的激光能量密度，（在疲劳性质的测量中，使用的激光能量密度仅略高于脱漆的最佳激光能量密度）因此不能证明飞机蒙皮脱漆设备可以省去激光能
本科毕业设计说明书（论文）第28页共37页量密度反馈控制系统。但是，在激光脱漆甚至激光清洗的各个领域，都可以考虑根据对工件的要求,考察其性质指标在激光清洗前后的变化，以确定是否需要配备相应的反馈控制系统，以节省成本。
3.8激光脱漆过程中的实时监测
在前面的讨论中，激光脱漆的样本都是平面的、均匀的（包括基体材料与漆层）。脱漆的方法，就是把样本放到能在二维方向上移动的工作台上，选取合适的扫描速度，让样本在工作台的驱动下移动，实现对样本的激光脱漆。而在实际脱漆应用中，被脱漆的工件的几何形状可能存在不规则，漆层的厚度可能也也所差异（在工件使用过程中可能存在漆层的损耗，造成工件不同位置的漆层厚度不同）。所以，实际进行激光脱漆的设备要有实时监测能力，在根据预设的扫描速度进行脱漆的同时，要不断地对脱漆处的声光等信号进行实时检测，对扫描速度进行调整，保证不会出现某处漆层尚未完全清除激光就已移开或者漆层已经完全清除激光还继续作用于基体材料的情况。
目前，应用最普遍、技术最成熟的激光脱漆实时监测技术是激光诱导等离子体光谱分析技术（LIBS）。这项技术的理论依据是高能量的脉冲激光作用于材料表面，诱导产生等离子体光谱，而每一种元素的原子对应一组特定波长的谱线，通过对光谱仪采集到的等离子体光谱进行分析，就可推断出激光作用处物质的元素组成，从而判别出激光是在作用于漆层还是基体材料。因为LIBS技术具有快速性和准确性的优点，所以激光诱导等离子体光谱分析技术非常适合应用于激光清洗过程的实时检测，尤其是在大气环境下，可以快速、准确地分析脱漆处表面物质的多种元素成分，分辨能力强。其监测系统设备简单，维护容易，体积不大，方便车载，可以在外场脱漆中使用。
2011年，江苏大学机械工程学院佟艳群等人，对表面有污物的铜质硬币进行了脱漆实验，用中阶梯光栅光谱仪探测其等离子体光谱谱线[21]。实验所用装置如图3.10所示。
图3.10用中阶梯光栅光谱仪测量激光诱导等离子光谱装置示意图[21]
脱漆时产生的等离子体辐射光谱信号通过一个专用探测头接收。为了很好地接收辐射光谱信号，必须使样品脱漆处的光线正好聚焦到探测头上，根据光路可逆原理，先将一个激光器作为光源安装到探测头内，调节其光斑的聚焦位置直到与激光脱漆处重合，然后将采集信号用的光纤探头安装到探测头内。光谱仪由DG645延迟器和光电二极管控制，其中光电二极管用来接收等离子体光辐射并触发DG645工作。为了保证不会因为触发信号过大损坏
DG645，应事先使用示波器观察等离子体光辐射的幅度和上升时间等参数，据此调节光电二极管的位置和方向。此外还需通过调整光谱仪的门宽延时曝光时间，达到最佳的测量效果。
对表面干净的铜币进行激光清洗时，采集到的光谱如图3.11所示。
图3.11对铜币进行激光清洗时采集到的光谱图[21]
表3.5各谱线的对应原子种类[21]
标号
1
2
3
4
5
6
7波长/nm324.77327.38406.27515.32521.84578.20656.39标准波长/nm324.754327.396406.269515.323521.820578.213656.450原子CuCuCuCuCuCuCu标号[1**********]4波长/nm744.26746.90777.54809.26818.82821.63844.67标准波长/nm744.256746.87977.543809.263818.816821.646844.638原子NNOCuNNO
对光谱图中强度较明显的谱线，对照标准谱线波长数据库，可以查出各条LIBS谱线对应的元素。测量结果，光谱图中铜元素特征谱线很明显，说明当激光作用于铜币表面时，激光能量使表面铜温度急剧升高形成等离子体。此外，光谱图中O和N的谱线也很明显，这是因为脱漆在大气环境下进行，激光作用于空气，使空气温度急剧升高形成等离子体。进行多次测量，对光谱图进行比较，发现每次采集到的光谱线的分布位置相同，各条谱线的相对强度也基本一致，只是每次的谱线的整体强度值不同，这并不影响对元素成分的判别。
再对表面有污物的铜币进行激光清洗，实验条件不变。五个激光脉冲过后，铜币表面已经清洗干净。当第一个激光脉冲作用于铜币表面时，采集到的光谱如图3.12。
图3.12第一个激光脉冲作用时采集到的光谱图[21]
对光谱图进行分析发现光谱中包含铜币本身的谱线，同时还包含很多其他的谱线，尤其是一些连续谱，这些连续谱是铜币表面的污物形成的，因为污物的成分很复杂，所以产生众多的谱线形成连续谱。
第二个激光脉冲作用与铜币表面时，采集到的光谱图如下。
图3.13第二个激光脉冲作用时采集到的光谱图[21]
从图3.13中可以看出，连续谱已经基本消失，表明铜币表面的污物已经被清洗掉了。而且铜元素的谱线强度明显增加了，这是因为，当铜币表面有污物时，一部分激光的能量被污物吸收了，所以使铜元素的谱线强度降低了。这说明基体材料谱线的强度变化，也可以作为判别激光清洗是否充分的依据。第二次以后的激光脉冲作用时的谱线基本同上。说明在第二个激光脉冲后，清洗就已经完成了。
在使用光谱仪进行实时监测时，要注意根据基体材料和表面附着物质的不同，确定其特征谱线的波长，以选择合适的观察波长范围。
由于光谱仪设备昂贵，使激光清洗的成本变高，于是有人提出了用声发射检测系统对激光清洗过程进行实时监控[22]。这次的清洗实验是用短脉冲激光清洗推
进剂贮罐表面的污物，实验装置如图3.14所示，可以看出声发射检测系统相比于光谱仪检测系统有一个优势：声发射检测系统只要把探测传感器放置在被清洗工件的某处即可通过工件的传声接受声信号，不像光谱仪检测时存在的探测头的聚焦问题。
图3.14声发射检测系统对激光清洗过程进行实时监控实验示意图[22]
进行激光清洗时，贮罐表面的污染物粒子迅速受热熔融，剧烈膨胀喷溅，产生振动而引起声发射现象。声发射信号被宽频带传感器采集到，经前置放大器对
信号放大后再由声发射仪测出声发射信号的强度变化，分析得知此时激光清洗的状态，从而实现对激光清洗的控制。用几个激光脉冲依次作用于一点，观察其产生的声发射信号的强度变化。图3.15是前四个激光脉冲作用时，测量的结果。
a.第一个激光脉冲作用时测得的声发射信号
b.第二个激光脉冲作用时测得的声发射信号
c.第三个激光脉冲作用时测得的声发射信号
d.第四个激光脉冲作用时测得的声发射信号
图3.15前四个激光脉冲作用时测得的声发射信号[22]
可以看出，随清洗过程的进行，声发射信号的强度在减弱。这是因为，声发射信号的强度与从基体表面喷溅出的熔融物的数量呈正相关。第一个脉冲作用时，激光脉冲作用于贮罐表面的污物，使其熔融喷溅，有很强的声发射信号产生;第二个脉冲作用时，声发射信号强度有所减小，说明基体表面的污物数量减少了，形成的熔融物也少了;第三个脉冲作用时，声发射信号强度已经很微弱了，说明基体表面的污物所剩不多了；第四个脉冲作用时，声发射信号强度几乎为零，说明此时贮罐表面已清洗完全。由此可见，通过对声发射信号强度的检测，可以实现对激光清洗过程的判定和控制。在实际应用中，还要考虑滤除背景噪声信号，从声发射信号中提取特征信号，以及将声发射仪测得的声发射信号强度值从模拟信号转换为数字信号方便电脑分析控制的问题。
3.9实现激光脱漆的设备
实际使用的激光脱漆设备由：激光器、导光系统和检测控制系统等组成。这里要说明的是，实际脱漆的对象由于体积、形状、能否移动等因素，能放置在工作台上进行脱漆的很少，所以要求激光清洗头的位置可动，故需要导光系统。对于Nd：YAG激光器，只要在清洗用的机械手臂上架设光纤，激光器输出的激光通过光纤传导至激光清洗头，就可以灵活的进行脱漆了。而对于CO2激光器，其输出激光不能用光纤传导，一般采用在光路上（也就是清洗用的在机械手臂上）放置全反镜的方法，将激光传导至清洗头，为了达到理想的导光效果，还要配备相应的控制电路。
结论
激光清洗是一种新概念的清洗技术，以其清洁度高、绿色环保、易实现自动化、能远程精确实时控制、无需清洗剂、不损伤工件表面等优点，克服了传统清洗方法存在的弊端，得到了迅速的发展和应用。不仅满足了当代工业的要求，而且减少了对环境的破坏。激光清洗的应用范围包括：激光脱漆、激光清洗硬盘磁头、激光清洗硅晶体表面、激光清理巨型光学镜片上的颗粒污染物、激光清除海面石油污染、激光清理橡胶模具、激光清洗核电站反应堆内污染物、激光清理文物等。激光清洗有三种形式：激光干洗法，激光+液膜法，激光＋惰性气体法。激光清洗主要的三种机理：光气化、光分解，光剥离，光振动。
本文选取了激光脱漆为实例，对激光清洗的实际应用研究的思路、角度、方法进行了讨论。所得结论如下：在进行激光清洗的某项具体应用时，首先应根据被清洗的基体材料和表面附着物的物化性质，选取与之对应的波长、单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲重复率的激光器。然后，通过实验，测出激光脉冲的能量密度对脱漆效率的影响，同时使用计算模拟软件分析能量密度与工件表面温度分布的关系（温度决定着激光与物质作用的机理，出于保护基体材料的目的，应进行考虑），二者结合，得出适合激光清洗的能量密度，既能保证脱漆的高效率同时又保证基体材料不受损伤。再通过实验，确定激光扫描速度及扫描轨道搭接率，保证清洗的质量提高清洗的效率。根据具体清洗对象的特性，采用适合的实时监测手段与设备，对清洗过程进行控制。根据被清洗物的性质决定是否可以采用激光+液膜法提高其清洗效率，是否需要采用激光+惰性气体法保护被清洗的区域，防止发生高温条件下脱落附着物的燃烧或基体材料表面的氧化。如果对基体材料的某些性质有严格要求，应进行相应的检测实验，确保在进行激光清洗的同时保持基体材料的性质。最后，根据具体清洗的情况要求，设计相应的激光清洗设备。
其实，激光清洗的用处还有很多，这需要我们在工作和生活中，多思考，多研究。这样才能使激光清洗走进我们的生活，为我们的生活提供更多的便利。
致谢
在本课题的研究和论文撰写过程中，导师纪运景副教授给予了我很多的指导和帮助，在这里对她表示衷心的感谢！纪老师严谨的治学态度对我产生重要的影响，她严格要求和督促我，为我走进科学研究的大门指引了方向。
同时非常感谢苗凯博同学，在百忙之中抽出这么多时间指导我的毕业设计。感谢他在论文撰写、格式修改等实际工作中给予的指导，以及这段时间对我的帮助和鼓励。
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南京理工大学
毕业设计说明书(论
文)
作者:罗浩学号：
理学院
光信息科学与技术
激光清洗原理及应用
0911100224学院(系):专题业:目:(姓
名)(专业技术职务)
(姓名)(专业技术职务)
2013年6月
毕业设计说明书（论文）中文摘要本文对激光清洗技术的几种常用清洗方法、清洗机理、影响清洗效果的主要因素、以及目前的主要应用方向等进行了比较详细、全面的介绍，并将激光清洗技术与传统清洗方法进行比较，指出了激光清洗的优势所在。之后，本文重点选取了激光脱漆这一应用方向，对其进行了更加具体、深入的调研。内容包括：激光器的选取、如何确定脱漆用的激光脉冲的能量密度、能量密度对激光作用机理的影响、确定合适的脉冲宽度、激光扫描速度及扫描轨道搭接率的选择、采用液膜法提高脱漆效率、检验脱漆对工件力学性质的影响、如何对脱漆过程进行实时监测、实际应用中的激光脱漆机的组成。对于激光脱漆的讨论，都是面向整个激光清洗领域，而不是仅限于激光脱漆这一应用。在对激光清洗的其他应用进行研究时，也要按同样的研究思路、角度、方法进行。
关键词激光清洗激光脱漆
毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleTheprincipleandapplicationoflasercleaningAbstract
Inthispaper,themethods,principlesandmajoreffectingfactorsforvariouskindsoflasercleaningtechnologyandtheirmajorapplicationsareintroducedcomprehensively.Besides,comparisonbetweenlasercleaningandtraditionalcleaningmethodsaremadetoindicatethesuperiorityoflasercleaning.Afterthat,thepaperselectslaserstrippingastheapplicationdirectiontoconductmoreconcentrateanddeeperresearch.Themaincontentincludes:Theselectionoflaser,howtochoosetheenergydensityoflaserpulseinlaserstripping,theeffectofenergydensitytolasermechanism,howtochoosetheproperpulsewidth,howtochooselaserscanningspeedandrateofscanningorbitaloverlap,theusageofliquidmembranetoimprovestrippingefficiency,testingoftheeffectofstrippingtomechanicalpropertiesofworkpieces,howtoreal-timemonitorthestrippingprocessandthecompositionoflaserstrippingmachineinrealapplications.Thediscussionoflaserstrippingisorientedtothewholelasercleaningareainsteadoflaserstrippingonly.Thesameperspectiveandmethodcanbeusedinstudyofotherlasercleaningapplications.
Keywordslasercleaninglaserpaintstripping
目次
1
1.1
1.2
2
2.1
2.2绪论……………………………………………………………………………5研究背景………………………………………………………………………5激光清洗的机理………………………………………………………………5激光清洗的原理………………………………………………………………6激光清洗的机理………………………………………………………………6激光清洗的方法……………………………………………………………7
2.3激光清洗与传统清洗方式的对比………………………………………………8
2.4影响激光清洗效果的因素……………………………………………………93激光清洗技术用于脱漆的具体应用………………………………………10
3.1适合做激光脱漆的激光器……………………………………………………10
3.2激光脱漆效率与能量密度的关系…………………………………………12
3.3能量密度与工件表面温度分布及激光作用机理的关系……………………14
3.4脉冲宽度对脱漆效果的影响…………………………………………………18
3.5确定合适的扫描速度和扫描轨道搭接率……………………………………19
3.6液膜对脱漆效率的影响……………………………………………………21
3.7激光脱漆对工件力学性质的影响……………………………………………21
3.8激光脱漆过程中的实时监测…………………………………………………28
3.9实现激光脱漆的设备…………………………………………………………33结论………………………………………………………………………………34致谢………………………………………………………………………………35参考文献…………………………………………………………………………36
1绪论
1.1研究背景
工业生产中的很多领域很多环节都离不开清洗技术，传统的清洗技术包括机械清洗、化学清洗和超声波清洗。这些传统清洗技术，越来越不能满足现代工业的要求，在清洁度、效率、自动化控制、清洗对象和环保方面表现出明显的不足。激光清洗是一种新兴的清洗技术，以其高清洁度、绿色无污染、高度自动化、可远程精确实时控制、无需清洗剂、不损伤工件表面等优点，迅速成为工业生产中不可或缺的技术，弥补了传统清洗技术的不足，满足了当代工业生产及环境保护的的高要求。激光清洗的应用范围广泛，在半导体生产、精细集成电路芯片、计算机驱动器、高能光学元件的加工,汽车航空船舶制造业的产品零件、文物的清理修复、物体表面污染物的清除、金属表面脱漆等领域都有重要的应用，其表现都令人满意。
国外对激光清洗已经进行了长时间的研究，取得了很多的研究成果、技术专利。激光清洗在国外已经进入到了实际应用的阶段。国内对激光去清洗的研究起步较晚，目前还停留在研究的阶段，没有实现激光清洗的实际应用。本文，对目前国内外在激光清洗方面取得的理论及实验研究进行了总结，旨在为实现激光清洗的实际应用提出理论和经验上的指导，为国内激光清洗行业的发展有所帮助。[1]
1.2激光清洗的应用
激光清洗硬盘磁头。计算机硬盘磁头在使用过程中,表面易产生污染物。污染物会减少磁记录密度;还会破坏磁盘,导致磁录的可靠性下降。采用短脉宽、较低能量密度的KrF准分子激光器,可以有效去除磁头污染物，并不损坏磁头表面。
激光清洗硅晶体表面。晶体硅是半导体行业中常用的材料,其表面在高温下易形成碳化硅等污染物。使用短脉冲KrF准分子激光器可有效清洗硅晶体表面
[2]。
激光清理巨型光学镜片上的颗粒污染物。大型天文望远镜的镜片由于尺寸太大，不方便移动，对避免损伤的要求高，很难用传统方法清洗。使用短脉冲KrF准分子激光器进行清理，可以在不损伤镜面的情况下使颗粒污染物脱离镜片，脱落后的污染物可以轻易地用气体吹离镜面或用吸尘器吸走。
激光清除海面石油污染。清除泄漏在海面上的石油，以往是用燃烧的清除方法,不仅浪费资源,而且会产生有害气体,造成污染。用激光清除石油，通过控制激光的能量,可以使石油受热蒸发而不燃烧,然后用真空回收装置进行收集。当油层较厚时,可采用大功率激光从石油层底下进行扫描,石油层会形成浓缩的石油膜,而海水在激光作用下受热沸腾将石油膜高高托起,再用过滤收集石油膜的特殊装置进行收集。用船舶装载激光设备清理石油，速度快、效率高,一天可清理数十平方公里的海面。
激光清理橡胶模具，使用调Q的Nd：YAG激光器，可以有效地清除粘附在橡胶制品模具上的橡胶层，而模具完好无损。
激光清洗核电站反应堆内污染物。通过光纤,将高功率激光束引入反应堆内部,可有效清除放射性粉尘,并保证了工作人员的安全。
激光清理文物。激光可用于清除绘画上的老化清漆层、书画表面的霉菌
[9][7][8][6][5][4][3]或大理石雕塑、古建筑上的表面附着的硬壳污染物。短脉冲KrF准分子激光器
配合激光诱导击穿光谱学(LIBS)技术，能够方便清除掉污染层，而不损害文物。激光清洗在除锈领域有广泛的应用。比如桥梁、电视发射塔、高压输电线路的铁架等金属建筑物的表层锈蚀、镀锌板表面的红锈、铜材表面的氧化层等，都可以用激光实现高效快捷的清理，并且能防止进一步氧化[10]。
[11]此外，激光清洗在清除墙体广告、涂鸦、污迹方面也有重要应用。
2
2.1激光清洗的原理激光清洗的机理
物体表面附着物与表面之间的结合主要是由于存在以下各种力:共价键、双偶极子、毛细作用、氢键、吸附力和静电力等。其中毛细力、吸附力和静电力是最难破坏的，激光清洗技术就是要克服这几种力[12]。
图2.1微粒与物体表面最主要的三种结合力[13]
这些吸附力要比重力大得很多（几个数量级）,并且与粒子直径d有关系。吸附力随着粒子半径减小呈现很慢的线性衰减趋势，而粒子质量m与直径的三次方成正比，由牛顿定律可知F=ma,当粒子尺寸变小时吸附力所提供的加速度迅速增大。所以，尺寸越小的粒子，清除起来所需的加速度就越大,这就是常规的清洗技术为什么难以清除直径很小的物体表面附着物。
由于物体表面附着物的成分和结构复杂，激光与之作用的机理也各不相同，用于对此作解释最常用的理论模型有以下几种：
1.光气化，光分解。激光器产生的激光经过光学系统的聚光可以实现能量的高度集中，聚焦后的激光束在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温，使物体表面附着物瞬间气化或分解。
2.光剥离。通过激光的作用使物体表面附着物受热膨胀。当物体表面附着物的膨胀力大于其与基体之间的吸附力时，物体表面附着物便会从物体的表面脱离。
3.光振动。利用较高频率和功率的脉冲激光冲击物体的表面,在物体表面产生超声波,超声波在冲击中下层硬表面以后返回,与入射声波发生干涉,从而产生高能共振波,使污垢发生微小爆裂,粉碎，脱离基体物质表面。当物体与表面附着物对激光束的吸收系数差别不大,或者表面附着物受热后会产生有毒物质等情况时，可以选用这种清洗手段。
2.2激光清洗的方法
1.激光干洗。采用激光脉冲直接照射去除物体表面附着物。当入射激光功率密度较低时，激光被基体或粒子吸收后产生振动或是膨胀,从而使基体和附着物分离。当入射激光功率密度较高时，激光直接引起表面附着物的熔融、汽化，使附着物迅速脱离基体表面。
图2.2
激光干洗的力学示意图[13]
2.激光+液膜的方法。先沉积一层液膜于基体表面，用激光脉冲照射使液膜发生非常剧烈的汽化现象，在物体表面与液膜的界面上出现气泡的迅速大量产生与爆炸性破裂的现象，气泡破裂产生的冲击波克服掉基体与附着物的吸附力，从而使附着物从基体表面分离。
图2.3激光+液膜法的力学示意图[13]
3.激光＋惰性气体的方法。即激光辐射的同时，将惰性气体吹向物体表面。一方面，惰性气体可以作为保护气，防止脱落的高温的附着物在空气中燃烧以及物体表面在高温环境下氧化。另一方面，惰性气体可以把脱落的附着物从物体表面吹走，避免发生二次污染。
2.3激光清洗与传统清洗方式的对比
传统的清洗方法主要有4种：高压水清洗法、机械清洗法、化学清洗法、超声波清洗法。这些清洗方法主要是用来清除较大颗粒的固体污染物和油脂类污染物，可以在很大程度上满足了工业生产和日常生活的需要。但是存在以下问题：机械法清洗技术清洗效率低，劳动强度大，而且清洁度低，只能用于对精度要求不高的场合，还容易损伤工件基体。化学清洗法需碳—氟—氯化合物及其他有机溶剂，会产生大量的废液，对环境污染太大，而且，当工件表面污物成分复杂时，需用多种清洗剂多次清洗才能将污物除去，清洗剂还可能腐蚀工件基体。超声波
本科毕业设计说明书（论文）第9页共37页清洗是一种比较新颖的清洗技术，但它有很大的局限性，被清洗的工件需要放置在清洗槽中，受到清洗槽尺寸限制，而且同样需要用到化学溶剂。这三种清洗方法都无法有效清洗吸附在物体表面的亚微米级粒子，可控性、柔性不高，难以实现选区定域、实时的精密清洗，无法清洗危险或难以到达的地方，难以实现远距离遥控清洗。
相比之下，激光清洗有着显著的优势。激光清洗是一种绿色清洗方法,不需使用任何化学溶剂和清洗液,清洗下来的废渣基本上都是固体粉末,体积小,易于存放，不会造成环境污染。激光清洗的无研磨和非接触性可以避免损伤基体表面，也不会产生二次污染。激光可通过光纤传输,与机器手配合可实现远距离操作,能有效清洗不易达到的部位,可以对危险地方进行清洗。激光清洗的对象非常广泛，能够清除多种物质表面的附着物,达到传统清洗无法达到的清洁度。而且不损伤基体表面。清洗效率高,节省时间。可以很容易地实现自动化操作，清洗系统可以长期稳定使用,运行成本低。
2.4影响激光清洗效果的因素
激光清洗去除一定表面积内的微粒子数与清洗前的微子数的比值，为清洗表面的洁净度。它是衡量激光清洗效果的主要指标。激光束的波长、能量密度、脉冲次数、偏振状态、入射方向、使用的气流以及被清洗物体的材料和附着物的性质、大小等，都对清洗效果有影响。[14]
1.波长。同一清洗对象对不同波长激光的吸收率不同，穿透深度不同，作用时发生的物化过程也不同，从而有不同的清洗效果。要根据具体的清洗对象选择合适波长的激光器。
2.能量（功率）密度。单位面积清洗力峰值随能量密度线性增加。洁净度也随能量密度大致呈线性增加。当能量密度过低，单位面积清洗力太小时，不能产生清洗效果。对一定波长的激光束，只有当能量密度达到阈值时，才能产生清洗效果。
3.脉冲宽度。当激光单脉冲的能量一定时，脉冲宽度能影响物体表面沿激光照射方向上的温度分布。当激光脉冲的能量密度较低，不能有效实现有效清洗时，采用较短的脉宽，可以使激光能量更集中于物体表面，达到激光清洗的阈值要求。当激光脉冲的能量密度较高时，采用较宽的脉宽，使激光能量的分布更分散，增
本科毕业设计说明书（论文）
加激光作用的深度范围，加快脱漆速度。第10页共37页
4.脉冲次数。在高于能量密度阈值的脉冲激光束照射下，物体表面的洁净度随脉冲次数增加而提高。为避免损伤被清洗物体表面，可采用较低的能量密度，通过增加脉冲次数来获得高的洁净度。而在不损伤基体表面的条件下，选用较高的能量密度，减少脉冲次数，可以提高清洗效率。
5.光束偏振状态。对于沉积的金属薄膜和具有压电或电磁性的材料，采用偏振光清洗效果更好。
6.基体材料和附着物。不同的基体和附着物，清洗工艺参数有着明显差异。[15]
以上对影响激光清洗效果的因素的讨论较为简略，在本文的第二部分中，将以激光脱漆为例，对其进行详细、系统的讨论分析。
3对激光清洗（脱漆）的具体应用研究
工业上，广泛采用涂漆技术进行材料防锈防蚀，油漆层出现剥离或脱落时需重新涂漆，要对原有油漆层进行清除。飞机、轮船等每隔几年就要脱漆一次。传统的方法主要采用机械和化学法，机械法劳动强度大，噪声大，容易损伤基体，清洗效果差；化学法污染环境，不能局部清洗。相比之下，激光脱漆技术有着明显优势：经济、高效、快速、便于自动控制；脱漆过程中产生的废弃物为固体粉末，容易收集，不会污染环境。
以下以激光脱漆为研究对象，通过对激光脱漆进行详细研究的过程，指出对激光清洗进行研究一般的方法、角度、理论依据。
3.1适合做激光脱漆的激光器
使用激光清洗时，针对不同的表面附着物，要选择不同波长的激光。因为，不同波长的激光，其透射能力不同，不同物质对同一波长的激光的吸收能力也不同。根据不同的材料，选用不同波长的激光，可以提高激光清洗的效率。对同一物质进行清洗时，若使用短波长激光，则清洗阈值低，但吸收深度浅，若使用长波长激光，则清洗阙值高，但吸收深度长。清洗领域常用的激光器有Nd：YAG激光器(1064nm)、CO2激光器(10.6m)、KrF准分子激光器(248nm)等。国外关
本科毕业设计说明书（论文）第11页共37页于激光清洗的研究应用表明[16]，当清洗的精度要求较高时，如半导体电路元件以及光学镜片表面颗粒污染物的清洗，宜选用KrF准分子激光器;而在对清洗精度要求较低，对清洗效率和成本要求较高时，比如脱漆领域，最适合的激光器是脉冲式的Nd：YAG激光器和CO2激光器。因为金属对长波长的激光吸收弱，对短波长激光吸收强，所以采用1064nm的Nd：YAG激光或10.6m的CO2激光器有利于保护金属基底。而且，使用Nd：YAG激光器和CO2激光器可以提高激光的穿透深度，使同一时刻受到清洗作用的漆层厚度更大，加快脱漆的速度。之所以选用脉冲激光器，是因为连续波激光器的功率密度低，能量在时间上不集中，造成清洗效率低，大量的光能都散失被基体吸收了，这样还不利于清洗处表面的散热，会引起基体表面温度的明显升高，很容易损伤机体，故不采用连续波激光器。由此可知，最适合激光脱漆的，应该是具有长波长、高功率、高重复率的脉冲激光。TEACO2激光器和声光调Q的Nd：YAG激光器具备以上特点，在目前的金属工件脱漆领域中得到了广泛应用。
表3.1对不同清洗对象使用的激光器的总结[16]清洗对象
半导体元件
古石制品
轮胎模具
磁头
绝缘材料
Al镜表面
电子线路
芯片
光掩膜
牙齿
Si片[***********]82482480.100.04—0.50.08—0.50.16—0.190.11—0.24—102.4—20.61—2W300J/pulse2002330纳秒级纳秒级23波长（nm）2481060能量密度（J/cm2）0.03—0.30.3脉宽（ns）纳秒级5—20激光器KrF激光器Nd：YAG激光器YAG激光器KrF激光器准分子激光器KrF激光器KrF激光器KrF激光器LEXtra-200激光器Ho：YAG激光器KrF激光器
3.2激光脱漆效率与能量密度的关系所有的实践经验都表明，激光能量密度对激光清洗效果的影响是非常突出的，所以在确定了脱漆使用的激光器以后首先要探讨激光脱漆的最佳能量密度。只有在激光的能量密度达到某一值，激光对清洗对象才具有明显的清洗能力。我们称这一激光能量密度值为该波长的激光对该清洗对象的清洗阈值。激光功率密度高于某一值时，激光会击穿靶面处的气体，使清洗效果反而下降[17]。就在这两值之间，有某一能量密度，在此能量密度下，清洗效率达到最高。同时还要考虑到对基体的影响，在努力提高脱漆效率的同时还要保证基体不会受到破坏，即其力学性质参数与清洗前无明显差别。
2005年时，国内郑光，谭荣清，郑义军等人做过激光能量密度对脱漆速度影响的实验[18]。这个实验是模拟飞机蒙皮激光脱漆，研究激光能量密度对脱漆速度的影响。激光器选用的是中科院电子所研制的高功率高重复率TEACO2激光器，实验时的输出激光单脉冲能量为6.73J或8.27J。实验时用反射率为90%、f=250mm的铜凹面镜将激光光束聚焦到样品上。并调整光路，使激光束垂直样品。通过将样品放置离铜凹面镜焦点不同距离的位置上进行激光脱漆，获得不同的激光能量密度。计算激光能量密度的的方法是，测量样品所在位置的激光束光斑尺寸，用激光脉冲能量（6.73J*90%）除以激光束面积，得到的就是能量密度。实验样品在激光脱漆前微量天平测量质量，然后用一定数量的激光脉冲作用于样品，且每个脉冲都作用在样品不同的位置上，即研究单激光脉冲的脱漆效果，激光脱漆后再用微量天平测量质量。求出实验前后样品的质量差，这就是脱去的漆的质量。这里，我们用激光能量利用效率的Q*值(kJ／g)来衡量清洗效率，Q*=消耗的激光能量／脱去的漆的质量。显然，Q*值越小，激光脱漆的效率越高。
实验结果如图3.1所示
a.所能脱去的漆的量随激光能量密度的变化
b.单位面积脱去的漆的量随激光能量密度的变化
c.Q*值随激光能量密度的变化
图3.1激光能量密度与脱漆效率的关系[18]
图a是数量、单脉冲能量一定的激光脉冲序列，所能脱掉的油漆质量随着能量密度的变化曲线。从图中可以看到，所能脱去的油漆质量的曲线随激光脉冲能量密度的增加呈现出先升后降的趋势，在能量密度为6—8J/cm2附近达到峰值。
图b是单位面积脱掉的油漆的质量随激光能量密度的变化曲线。也就是把上述脱掉的油漆质量除以脉冲作用的总面积(单脉冲作用的面积*实验所用的脉冲数)。从图上可以看出，在能量密度趋向于8J/cm2的过程中，虽然激光脉冲作
本科毕业设计说明书（论文）第14页共37页用的面积越来越小，但在单位面积上能脱掉的油漆的质量还在增加，所以，脱掉的漆的质量还在随着能量密度的提高而增加。当能量密度越过8J/cm2后，单位面积上脱掉的油漆的质量不再增加，而激光脉冲的作用面积却在继续变小，所以脱去的油漆的质量随着能量密度的升高呈下降趋势。当能量密度超过12/cm2后，单位面积上能脱掉的油漆的质量随着能量密度的升高而显著下降。
图c是Q*值随激光能量密度的变化曲线，从图中可以看出在能量密度为5—10J/cm2的范围内，激光的能量利用效率较高。
以上是激光能量密度对脱漆效率、激光能量利用率的影响，是从脱漆速度、激光能耗的角度寻找适宜脱漆的激光能量密度。在使用激光脱漆时，不能只考虑以上两个因素，还要考虑到脱漆的安全性，即不同能量密度时，激光脉冲与工件表面的作用机理是什么，会不会影响基体的力学性质，造成不良影响。
3.3能量密度与工件表面温度分布及激光作用机理的关系
在激光脱漆过程中，随着激光能量密度的增加，漆层物质将依次发生熔融、汽化、等离子体化等物态变化。单位质量的漆层物质在吸收Q1的能量后，就已经膨胀到可以产生足够大的应力而克服与基体表面的结合力达到临界脱离的状态。这时如果提供一些外力的作用，如冲击、振动、机械力等，漆层就可以脱落下来。而单位质量的漆层物质吸收Q2的能量（Q2>Q1）后，可以达到熔融状态。这说明漆层在达到熔融状态前就已经可以脱落了。如果激光的能量密度不够大，则在激光脉冲持续时间内，漆层物质没有吸收到所需要的能量Q1，漆层的温度变化就不够大，不能产生足够的热膨胀应力，漆层就不能脱落。增大激光的能量密度，直到在激光脉冲持续时间内，漆层物质刚好可以吸收到Q1的能量，漆层的温度变化产生足够的热膨胀应力使漆层处于可以脱落的临界状态，只要稍微增加激光的能量密度漆层就可以自行脱落。这时的激光能量密度，就是激光脱漆的能量密度阈值。继续增加激光的能量密度，这时漆层物质在激光脉冲到来后的一段时间内就已经吸收到了Q1的能量，进入临界脱落的状态，在此后的脉冲持续时间中，漆层物质继续吸收激光的能量，随激光能量密度的逐渐增大，依次发生熔融、汽化、离子体化现象。
其实，只要激光的能量密度略高于阈值，漆层物质吸收到的激光能量超过
本科毕业设计说明书（论文）
第15页共37页Q1，漆层物质就能达到熔融状态急剧膨胀从工件表面急剧喷射出来。
目前，国内外对于使用激光进行飞机和船舶表面脱漆的应用已经进行了研究，对于清洗机理的作用条件进行了初步的界定。2012年，国内施曙东等人，对激光脱漆过程中激光与工件表面的作用机理进行了比较细致的研究[19]。他们的研究表明，激光脱漆的主要作用机理是振动效应和烧蚀效应。振动效应是指当激光脉冲照射时，油漆层和基底吸收激光能量，温度升高，激光脉冲结束时，油漆层和基底由于热传导作用迅速散失热量温度下降，短时间内剧烈的热膨胀和冷却收缩会在漆层和基底的结合处产生应力振动，从而实现脱漆。这种效应可以归入前文所提到的热膨胀作用。烧蚀效应是指当漆层吸收的激光能量较多，漆层温度升高超过了汽化温度，漆层发生汽化现象从工件表面脱离。这也就是前文提到的熔融汽化作用。
他们通过建立作用模型对激光脱漆过程中的漆层及基体表面的温度的变化进行了模拟。他们建立的模型如图3.2所示
图3.2激光脱漆中激光与漆层和基体作用的模型[19]
模型坐标系以ｚ＝0处的平面为漆层与金属基底的接触面，表面漆层的厚度为Lp，则漆层的上表面坐标为z=Lp，基底的厚度为Ls，则基底的下表面坐标为ｚ＝-Ls，基底的厚度远远大于激光在基底材料中的吸收长度１／α，整个系统的ｒ方向边界定为ｒ＝Ｒ。对于高斯分布的脉冲激光，认为它的入射激光束脉冲的能量密度的表达式为
r2ttIr,tI0srgtI0expexpr220（3.1）
本科毕业设计说明书（论文）第16页共37页I0为入射激光初始光强，s(r)和g(t)分别为高斯激光的空间和时间的分布形式，τ为脉冲激光函数的半峰全宽。入射激光脉冲是该系统唯一的热源，漆层和基底吸收入射激光脉冲的能量。根据物质对光的吸收定律可知，各层中吸收的光强的表达式形式（在漆层中和基体材料中的表达式形式是相同的，只是边界条件不同）为
kmTm(r,z,t)Am(T)I0s(r)g(t)exp(az)z（3.2）Km为各层材料的热导系数，Am（Ｔ）为各层材料的吸收率，角标m分别为基底和漆层参数，α为材料的吸收系数。
在吸收激光的同时，热传导作用开始。热传导方程式(热传导方程式在漆层中和基体材料中的表达式形式也是相同的，只是边界条件不同）的形式为pcpT(r,z,t)1T(r,z,t)T(r,z,t)[rkp][kptrrrzz（3.3）当激光脉冲作用于工件表面时，由于激光作用的面积与工件表面的面积相比很小，而在激光脉冲持续时间内，热传导范围仅仅局限于漆层和基体的浅表面，因此模型的两个R边界侧面和基体下表面在热传导中认为是绝热的。
根据以上假定和具体的材料性质参数以及实验环境温度等条件，补充好边界条件后，就可以得到在漆层中和基体材料中具体的光吸收表达式和传热表达式。
使用数值计算软件ComsolMultiphysics（一种适合对瞬态作用的热－结构应力进行分析的有限元工具）对上述的模型进行计算模拟，得出在激光脉冲作用下漆层和基底中形成的温度、应力分布情况。
他们进行了涂漆钢板的脱漆实验。用1064nm的高重复率脉冲Nd:YAG激光扫描涂有50um厚度油漆的钢板。通过调节激光器的重复率与抽运电流改变激光器的输出功率，并测量出与之对应的激光脉冲功率密度，然后对试验样本进行多次扫描。随着激光峰值功率密度的不断增大，样本表面的漆层逐渐脱落。这里定义了清洗阈值和损伤阈值，样本表面的漆层开始有脱离基底的趋势时的能量密度为清洗阈值，当漆层能够完全脱离金属表面而有没有对金属表面造成明显伤痕时的能量密度为完全清洗，当金属表面出现明显的伤痕时的能量密度为损伤阈值。
当测出了清洗阈值和损伤阈值之后，再利用上述的数值计算软件进行分析，得出在各种功率密度的激光脉冲作用下的漆层和基体中的温度、应力分布情况，如图
3.3所示
a.清洗阈值条件下的温度分布
b.基体损伤条件下的温度分布
c.清洗阈值条件下的应力分布
d.基体损伤条件下的应力分布
图3.3不同能量密度条件下的工件表面的温度和应力分布情况[19]
从图中可以看出，在清洗阈值条件下，漆层中温度低于熔点和气化温度，温度最高处位于基体的浅表面，温度的迅速变化产生了很大的热应力，使漆层脱离。因此，阈值清洗条件下，脱漆的主要机理是热振动效应。在损伤清洗条件下，激光光斑中心处漆层中的温度已经超过漆材料的熔点650Ｋ，而基体温度已经接近或超过了实验样本钢材的熔点1600Ｋ，基底表面产生了熔坑状的损伤。所以，在损伤清洗条件下，脱漆的机理既包括振动效应，也包括烧蚀效应。这都与实验所观察到的现象吻合。由此证明，可以使用数值计算软件对脱漆时漆层和基体内的温度以及应力进行准确的分析评估。
这项研究对激光脱漆的应用有着重要的指导作用。在实际的脱漆实践中，可以通过数值计算模拟的方法对其清洗阈值、损伤阈值、无损伤情况下的最大功率密度等重要参数进行估算。帮助人们选用合适的激光参数，以达到合适的功率密度。这项实验的一个缺点，是没有对损伤采取精确、科学的评估方法，通过观察基体表面的形貌判定其是否发生损伤，而不是采取力学属性测量的方法。后文将专门讨论对损伤进行力学性质判定的方法。
3.4脉冲宽度对脱漆效果的影响
必须说明的是，以上讨论都是从激光能量密度的角度出发的，也就是讨论单脉冲能量对脱漆过程的种种影响。其实，在激光单脉冲能量相同的情况下，脉冲宽度不同，脱漆的效果也不同。使用上文中提到的吸收光强方程和传热方程，改变其激光脉宽常数τ，通过数值计算模拟，就可以得到在激光单脉冲能量一定的
条件下，漆层内温度分布随激光脉冲脉宽变化的变化情况。计算机模拟的结果是，漆层表面的温度值最高，随漆层深度增加，温度逐渐降低。当激光脉宽较大时，漆层内的温度变化曲线比较平坦，漆层表面的峰值温度较低，随着激光脉宽的变窄，漆层内的温度变化曲线越来越陡，漆层表面的峰值温度也越来越高，说明激光脉冲输入的能量越来越集中于漆层的表面，向漆层的深处以及周围的热传递减少了。所以，在激光脉冲的能量较小时，适当的缩短激光脉宽可以使激光脉冲的能量更集中的作用，提高脱漆的效率以及激光能量的利用率。当激光脉冲的能量很大时，可以适当的加长激光脉宽，是激光脉冲作用的深度范围更大，加快脱漆的速度，同时还可以避免对基体造成损伤。
3.5确定合适的扫描速度和扫描轨道搭接率
将激光光斑的尺寸固定，激光的单脉冲能量、脉宽、重复率固定。改变激光的扫描速度，多次进行脱漆实验，观察脱漆效果的变化。结果的表明，当激光扫描速度太大时，激光与工件表面作用时间太短，不能完全清除油漆；当激光扫描速度太小时，激光与工件表面作用时间过长，在完全清除油漆的同时，又容易使基体变形、表面产生损伤等。因此，在使用激光脱漆时，必须控制其扫描速度，使扫描速度处于刚好完全清洗油漆的扫描速度和避免造成基体损伤的扫描速度之间。2008年，陈菊芳等人做了相关的实验[20]，对激光脱漆的最佳扫描速度进行了探讨。他们以不同的激光功率和扫描速率对样本进行了多次脱漆实验，通过在光学显微镜下观察激光脱漆后的样本表面形貌对激光脱漆的效果进行评估，得出了不同的激光功率下的实现完全脱漆的最大扫描速度和避免造成基体损伤的最小扫描速度，结果如图3.4所示。
图3.4不同的激光功率下实现完全脱漆的最大扫描速度
[20]和避免造成基体损伤的最小扫描速度的变化曲线
从图中的两条变化曲线可以看出，当使用的激光功率较小时，（图中为300W）实现完全脱漆的最大扫描速度与避免造成基体损伤的最小扫描速度很接近，此时对扫描速度的控制要求很高，工程上很难达到。随着使用的激光功率的增加，实现完全脱漆的最大扫描速度和避免造成基体损伤的最小扫描速度都增大了，而两者的差距也变大了。此时对扫描速度的控制要求降低了，适合工程应用。
使用脉冲激光器进行脱漆时，由于激光的输出是不连续的，所以激光扫描线是由一串不连续的脉冲点序列组成的。认为输出激光束的光斑为圆形，激光模式为准高斯型，即光束中心能量较高，光束边缘能量较低。因此，光斑边缘处的油漆不能完全清除，为了实现漆层的完全清除，要保证光斑之间的搭接率。显然，扫描搭接率由光斑形状、光斑面积、激光脉冲重复率和扫描速度等因素共同作用。在研究与实际应用中，通常采用先确定符合脱漆要求的激光扫描速度，再由扫描速度计算出搭接率的方法，来确定激光脱漆过程采用的搭接率。
图3.5激光脉冲光斑的搭接率示意图[20]
图3.5所示为激光光斑间的搭接情况示意图，设激光光斑的半径为r，每两个光斑间的搭接长度为l，激光扫描形成的扫描线总长度为L。可以看出，激光光斑半径r、光斑间的搭接长度l和激光扫描线总长度L的关系为L＝2nr－(n－
1)l。定义搭接率为l/2r。当l＝2r时，各激光光斑完全重合，此时搭接率为100%；当l＝0时，各个激光光斑之间刚好能够接触没有重叠，此时搭接率为0。根据激光的重复频率、扫描速度、激光光斑半径，可以确定单位时间内激光的扫描线总长度为L、扫描线内的激光脉冲数n，然后就可以计算除光斑间的搭接长度l和搭接率。以上讨论的是激光扫描线上的搭接率问题，激光扫描线间的搭接率在定义和分析计算方法上，与之类似，也按上述方法进行计算。
通过实验确定最佳搭接率的具体方法如下。在脉冲能量密度达到清洗阈值的情况下，先选择较大的激光扫描速度，此时激光扫描过的漆层表面已经实现了完全脱漆，因为扫描线移动速度过快，各激光光斑之间搭接率较低，所以在扫描方
本科毕业设计说明书（论文）第21页共37页向会看到有残漆条纹（条纹所在处正是激光光斑间搭接的位置）；降低激光扫描速度降，扫描线上的残漆条纹已变得越来越窄越来越不明显；继续降低激光扫描速度，直到残漆条纹完全消失，此时基体表面不会受到损伤。求出此时的搭接率，就是激光脱漆的最佳搭接率。小于此搭接率时，工件表面会有残漆，大于此搭接率时，会降低激光脱漆的效率，还有可能对基体表面造成损伤。用同样的操作方法可以确定扫描线间的最佳搭接率。
研究最佳搭接率对激光脱漆很有帮助。当确定了脱漆用的激光器，和被脱漆的材料后。可以根据脱漆所需的具体能量密度，调整光学系统，改变光斑的大小以达到最高的脱漆效率。此时只要根据之前测定好的搭接率，就可以确定脱漆的最佳扫描速度。
3.6液膜对脱漆效率的影响
如果在激光清洗前，先在工件表面沉积一层液膜，再用激光照射工件表面，液膜吸收激光的能量后急剧受热，产生爆炸性汽化，基体表面的附着物在爆炸产生的冲击波作用下脱离基体表面，继而飞离工件表面，从而实现对工件的清洗。这是一种新的清洗方法，在原理上不同于用激光直接照射工件表面进行清洗，对提高脱漆效率有帮助。2005年，中国科学院郑光做过激光+液膜脱漆方法的实验
[17]。他做的是用激光+液膜的脱漆方法，对飞机蒙皮进行脱漆，并与激光直接照射飞机蒙皮表面进行清洗的方法进行了比较。两组实验采用同样的能量密度、扫描速度、激光光斑大小、激光脉冲重复频率。结果发现，在脱漆前给飞机蒙皮沾过水的一组，只扫描一次，扫描线上的漆层大部分就已经脱落了，再扫描一次后，基体表面就完全脱漆了。而不沾水的一组，需要扫描3、4次，才能实现完全脱漆。所以，采用激光+液膜的方法进行激光脱漆，可能使脱漆效率得到明显提高。
3.7激光脱漆对工件力学性质的影响
3.7.1评价工件力学性质的指标
保持基体的力学性质不变是激光脱漆的前提，前面几节讨论的都是如何快速、高效的脱漆。本节将讨论检测判定基体力学性质的方法，为实现安全脱漆提供保障。
本科毕业设计说明书（论文）
第22页共37页在讨论激光脱漆的力学性能检测，先交代一下力学性能检测中要涉及到的性能指标及其含义。
抗拉强度，也被称为强度极限，是指使材料彻底失去承载能力的极限应力值。屈服强度σ0.2，也被称为条件屈服应力，是指在应力—应变曲线中使材料产生0.2％塑性应变(及永久应变)的应力值。
断后延伸率，也被称为断后伸长率，是指拉伸试验样本至其断裂后时，试验样本标距长度的相对伸长值。标距是指试验样本中间平行窄段的长度，如图3.6所示，图中标有25mm的部分即为试验样本的标距。
图3.6断后延伸率试验样本示意图[17]
疲劳寿命，它是度量材料抗疲劳性能的参量。试验样本的疲劳寿命是指对试验样本一直施加交变应力，直到试验样本出现规定长度的或肉眼可见的裂纹或完全断裂等损伤现象的应力循环次数。
疲劳极限σ-1，使试验样本的疲劳寿命为无穷大时的疲劳强度，在实践中，
通常认为使试验样本的疲劳寿命大于107的疲劳强度为疲劳极限也称为条件疲劳极限。（疲劳性能是一个非常重要的性能指标，疲劳性能对机械的安全性起着非常关键的影响作用，绝大多数机械的断裂事故是由疲劳失效引起的。一旦材料达到了疲劳寿命，塑性材料就会变得像脆性材料一样，在无可见形变等征兆的情况下突然发生断裂解体。而此时使材料发生断裂解体的交变应力的最大值远小于在静载条件下测得的屈服强度σ0.2。
3.7.2激光脱漆对工件力学性质的影响的实验检测
2005年，中国科学院郑光在研究飞机蒙皮脱漆的时候，对被脱漆的飞机蒙皮样本做过详细、系统的力学性质检测，分析了激光脱漆的安全性[17]。他在检测方法都严格的遵守了国家标准，测试思路也很合理，除了个别地方有缺陷（下文中将提到）以外，很值得我们在做激光脱漆的力学性能检测时将其引为参考。下
本科毕业设计说明书（论文）第23页共37页面以他的实验为范本，讨论检测工件力学性质的实验思路与具体操作方法。
1.强度性能测试。
将全部样本分成两组。将其中一组样本进行激光除漆处理，而另一组样本不进行激光除漆。然后对所有样本分别进行静载拉伸试验，测量每个样本的抗拉强度和屈服强度，最后再对两组样本的测量结果进行分析整理，经比较即可得出最终结论。依照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》的要求，设计样本的几何形状（如图3.6所示）和静载拉伸试验。在试验样本的标距内取间距大致相同的五个位置，用读数显微镜测量该位置处标距的宽度，计算其均值与方差，以此评估试验样本的加工质量。使用高功率高重复率的TEACO2激光器进行脱漆，将能量密度调整至高达83J／cm2。（在做这个实验之前，作者做了脱漆的激光能量密度实验，结果表明只需5—8J／cm2的激光能量密度就可实现脱漆，之所以选用这么高的激光能量密度进行脱漆是为了保证在实际的应用中，如果由于系统意外故障使聚焦到飞机蒙皮上的激光光斑的能量密度远高于6—8J／cm2，飞机蒙皮不会损伤。）拉伸实验是在中科院力学所的MTS810MatcrialTestSystem试验机上进行的，拉伸速率是lmm／min。
测试的结果如下
表3.2实验样品的强度性能测试结果[17]经激光脱漆的试样
试样编号
宽度均值（mm）
宽度方差
抗拉强度（MPa）
屈服强度σ0.2（MPa）110.0080.02775398.79311.0310.0080.21135391.4318.9410.0520.04494402.72330.1510.1340.04159399.75310.9未经激光脱漆的试样610.0980.04764398.42310.7910.2640.45709399.93308.7
图3.7实验样品的应力—应变曲线[17]
可以看出，经过激光脱漆的一组样本和没经过激光脱漆的一组样本在抗拉强度和屈服强度这两项指标并没有明显的差异。而在应力—应变曲线中，经过激光脱漆的一组样本和没经过激光脱漆的一组样本在从发生弹性形变开始到达到最大应力值时，曲线重合得很好。在各样本应力一应变曲线的后段，也就是样本发生断裂时的应变值有较大差异（须注意的是，两组样本断裂时的应变值都是交错分布的，应变值并没有随组别发生有规律的分布差别，两个组的样本断裂时的应变值都是有大有小），这是由于样本没有在标距中心处断裂而引起的引伸计的测量误差。可以认为，经过激光脱漆的一组样本和没经过激光脱漆的一组样本的应力—应变性能和断后延伸率没有差异。由此证明，激光脱漆不会影响飞机蒙皮材料的强度性质。
我认为这个实验在设计上存在一个问题，即没有考虑到漆层对样本强度性能的影响，实践证明，涂漆会对基体材料（尤其是像飞机蒙皮这样的厚度很薄的基体材料）的力学性质产生影响。如果将实验的设计改为选取两组试验样本，其中一组样本不经过激光脱漆，直接进行静载拉伸试验，另一组样本先进行激光脱漆，再重新脱漆，待漆层干后进行静载拉伸试验。通过比较两组样本的各项测试指标，就可以看出经过一次换漆后的飞机蒙皮在强度性能上有何变化。也可以选取两组试验样本，其中一组样本先进行激光脱漆，再进行静载拉伸试验，另一组样本先用传统的脱漆方法进行脱漆，再进行静载拉伸试验。通过比较两组样本的各项测试指标，就可以对比得出激光脱漆法和传统的脱漆方法对飞机蒙皮的强度性能的影响的大小。
2.疲劳性能测试。同样的，将全部样本分成两组。将其中一组样本进行激光除漆处理，而另一组样本不进行激光除漆。然后对所有样本分别进行高周疲劳试验（失效循环次数高于50000的疲劳称为高周疲劳，而失效循环次数低于50000的疲劳称为低周疲劳。在操作方法上，高周疲劳试验以应力为控制量，低周疲劳试验以应变为控制量），测量每个样本的疲劳寿命，最后再对两组样本的测量结果进行分析比较，得出结论。参照GB3075—82《金属轴向疲劳试验方法》的要求设计样品形状和疲劳试验。使用与上文强度测试同样的装置进行激光脱漆，只是脱漆使用的能量密度降低了，约为7.5J／cm2(作者没有说明降低脱漆的能量密度的原因，而选择
7.5J／cm2的能量密度确实偏小，因为按照作者之前的讨论正常脱漆的能量密度在6—8J／cm2之间)。在MTS810MaterialTestSystem试验机上采用不对称拉伸循环应力（如图3.8所示）进行试验。应力比R**为0.1，频率为40Hz，最大应力σmax为150MPa，应力范围是135MPa。试验结果如表3.3所示。
图3.8疲劳性能试验使用的不对称循环应力[17]
表3.3实验样品的疲劳寿命测试结果
未经激光脱漆的试样的疲劳寿命
样品编号
疲劳寿命（周）N1187009N2247008N3311985N4[17]N[1**********]88
经过激光脱漆的试样的疲劳寿命
样品编号
疲劳寿命（周）T1242016T2292394T3310976T4357038T5405735
经过激光脱漆的5个样本的疲劳寿命均值为321631周，方差为62518。没有经过激光脱漆的5个样本的疲劳寿命均值为303340周，方差为94244。（实验测得的疲劳寿命值的方差很大，所以，此处最好增加样本的数量以增强说服力）可以认为经过激光脱漆的5个样本和没有经过激光脱漆的5个样本在疲劳寿命上没有明显的差异。得出结论，激光脱漆不影响飞机蒙皮的疲劳寿命。
与上一个实验相同，这个实验也没有考虑漆层对样本疲劳寿命的影响。改进方法也与上个实验相同。另外没有考虑样本本身的加工质量，应对样本的均匀性和表面的粗糙度、有无缺陷进行严格控制，以加强实验的说服力。
3.硬度性能测试。
金属的硬度是指金属材料抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是一个衡量金属软硬程度的参数。测量硬度的方式有很多种，对应地，硬度指标也分为维氏硬度(HV)、布氏硬度(HB)、里氏硬度（HL）、洛氏硬度(HR)、肖氏硬度(HS)等等。在各种静态硬度测量(包括维氏硬度、洛氏硬度和布氏硬度)中，维氏硬度精确度最高。维氏硬度的测试方法是将一个正四棱锥体金刚石的一个顶点，以规定的力压入试样表面，经过预定的保持时间后，撤掉压力和金刚石，测量压痕对角线的长度，以此来计算出压痕表面
所承受的平均应力，再乘以0.102，所得的数值就是该样本的维氏硬度。本次实验就是使用显微硬度计测量的是维氏硬度(HV)。
试验方法同上，还是把试验样本分为两组。一组做激光脱漆，另一组不做激光脱漆。然后分别测量其维氏硬度。测量过程中，使用100g的压力，保持15s的时间。测试得处的飞机蒙皮样本脱漆前后的维氏硬度值如表3.4所示。
经过激光脱漆的一组飞机蒙皮样本的维氏硬度的均值为140，方差约为17。
没有经过激光脱漆的一组飞机蒙皮样本的维氏硬度的均值为145，方差约为17。可以看出，飞机蒙皮样本在经过激光脱漆后，其维氏硬度值也无明显变化。作者认为，漆层的硬度和厚度都太小，对测试结果构不成影响。不过为了严谨起见，还是按前文提到的方法改进实验更好、更有说服力。
表3.4实验样本的表面维氏硬度测量结果[17]
图3.9实验样本的表面维氏硬度测量结果[17]
3.7.3实验结果的启发
在对飞机蒙皮样本脱漆前后的力学性质做了系统、规范的检测之后，郑光提出了一个设想：可不可以省掉激光脱漆器中的反馈控制系统。现有的脱漆设备为了避免在脱漆过程中出现激光能量密度失控损伤飞机蒙皮的情况，都配备了结构复杂、成本高昂的激光能量密度反馈控制系统。如果可以证明，在激光能量密度变化幅度较大（大于现有激光脱漆器的聚焦光斑的激光能量密度可能的最大变化幅度）的情况下，激光脱漆仍然不会对飞机蒙皮造成力学性质上的变化，那就可以省去能量密度反馈控制系统。虽然，他做的三项测试中，没有全部采用远高于脱漆时用的激光能量密度，（在疲劳性质的测量中，使用的激光能量密度仅略高于脱漆的最佳激光能量密度）因此不能证明飞机蒙皮脱漆设备可以省去激光能
本科毕业设计说明书（论文）第28页共37页量密度反馈控制系统。但是，在激光脱漆甚至激光清洗的各个领域，都可以考虑根据对工件的要求,考察其性质指标在激光清洗前后的变化，以确定是否需要配备相应的反馈控制系统，以节省成本。
3.8激光脱漆过程中的实时监测
在前面的讨论中，激光脱漆的样本都是平面的、均匀的（包括基体材料与漆层）。脱漆的方法，就是把样本放到能在二维方向上移动的工作台上，选取合适的扫描速度，让样本在工作台的驱动下移动，实现对样本的激光脱漆。而在实际脱漆应用中，被脱漆的工件的几何形状可能存在不规则，漆层的厚度可能也也所差异（在工件使用过程中可能存在漆层的损耗，造成工件不同位置的漆层厚度不同）。所以，实际进行激光脱漆的设备要有实时监测能力，在根据预设的扫描速度进行脱漆的同时，要不断地对脱漆处的声光等信号进行实时检测，对扫描速度进行调整，保证不会出现某处漆层尚未完全清除激光就已移开或者漆层已经完全清除激光还继续作用于基体材料的情况。
目前，应用最普遍、技术最成熟的激光脱漆实时监测技术是激光诱导等离子体光谱分析技术（LIBS）。这项技术的理论依据是高能量的脉冲激光作用于材料表面，诱导产生等离子体光谱，而每一种元素的原子对应一组特定波长的谱线，通过对光谱仪采集到的等离子体光谱进行分析，就可推断出激光作用处物质的元素组成，从而判别出激光是在作用于漆层还是基体材料。因为LIBS技术具有快速性和准确性的优点，所以激光诱导等离子体光谱分析技术非常适合应用于激光清洗过程的实时检测，尤其是在大气环境下，可以快速、准确地分析脱漆处表面物质的多种元素成分，分辨能力强。其监测系统设备简单，维护容易，体积不大，方便车载，可以在外场脱漆中使用。
2011年，江苏大学机械工程学院佟艳群等人，对表面有污物的铜质硬币进行了脱漆实验，用中阶梯光栅光谱仪探测其等离子体光谱谱线[21]。实验所用装置如图3.10所示。
图3.10用中阶梯光栅光谱仪测量激光诱导等离子光谱装置示意图[21]
脱漆时产生的等离子体辐射光谱信号通过一个专用探测头接收。为了很好地接收辐射光谱信号，必须使样品脱漆处的光线正好聚焦到探测头上，根据光路可逆原理，先将一个激光器作为光源安装到探测头内，调节其光斑的聚焦位置直到与激光脱漆处重合，然后将采集信号用的光纤探头安装到探测头内。光谱仪由DG645延迟器和光电二极管控制，其中光电二极管用来接收等离子体光辐射并触发DG645工作。为了保证不会因为触发信号过大损坏
DG645，应事先使用示波器观察等离子体光辐射的幅度和上升时间等参数，据此调节光电二极管的位置和方向。此外还需通过调整光谱仪的门宽延时曝光时间，达到最佳的测量效果。
对表面干净的铜币进行激光清洗时，采集到的光谱如图3.11所示。
图3.11对铜币进行激光清洗时采集到的光谱图[21]
表3.5各谱线的对应原子种类[21]
标号
1
2
3
4
5
6
7波长/nm324.77327.38406.27515.32521.84578.20656.39标准波长/nm324.754327.396406.269515.323521.820578.213656.450原子CuCuCuCuCuCuCu标号[1**********]4波长/nm744.26746.90777.54809.26818.82821.63844.67标准波长/nm744.256746.87977.543809.263818.816821.646844.638原子NNOCuNNO
对光谱图中强度较明显的谱线，对照标准谱线波长数据库，可以查出各条LIBS谱线对应的元素。测量结果，光谱图中铜元素特征谱线很明显，说明当激光作用于铜币表面时，激光能量使表面铜温度急剧升高形成等离子体。此外，光谱图中O和N的谱线也很明显，这是因为脱漆在大气环境下进行，激光作用于空气，使空气温度急剧升高形成等离子体。进行多次测量，对光谱图进行比较，发现每次采集到的光谱线的分布位置相同，各条谱线的相对强度也基本一致，只是每次的谱线的整体强度值不同，这并不影响对元素成分的判别。
再对表面有污物的铜币进行激光清洗，实验条件不变。五个激光脉冲过后，铜币表面已经清洗干净。当第一个激光脉冲作用于铜币表面时，采集到的光谱如图3.12。
图3.12第一个激光脉冲作用时采集到的光谱图[21]
对光谱图进行分析发现光谱中包含铜币本身的谱线，同时还包含很多其他的谱线，尤其是一些连续谱，这些连续谱是铜币表面的污物形成的，因为污物的成分很复杂，所以产生众多的谱线形成连续谱。
第二个激光脉冲作用与铜币表面时，采集到的光谱图如下。
图3.13第二个激光脉冲作用时采集到的光谱图[21]
从图3.13中可以看出，连续谱已经基本消失，表明铜币表面的污物已经被清洗掉了。而且铜元素的谱线强度明显增加了，这是因为，当铜币表面有污物时，一部分激光的能量被污物吸收了，所以使铜元素的谱线强度降低了。这说明基体材料谱线的强度变化，也可以作为判别激光清洗是否充分的依据。第二次以后的激光脉冲作用时的谱线基本同上。说明在第二个激光脉冲后，清洗就已经完成了。
在使用光谱仪进行实时监测时，要注意根据基体材料和表面附着物质的不同，确定其特征谱线的波长，以选择合适的观察波长范围。
由于光谱仪设备昂贵，使激光清洗的成本变高，于是有人提出了用声发射检测系统对激光清洗过程进行实时监控[22]。这次的清洗实验是用短脉冲激光清洗推
进剂贮罐表面的污物，实验装置如图3.14所示，可以看出声发射检测系统相比于光谱仪检测系统有一个优势：声发射检测系统只要把探测传感器放置在被清洗工件的某处即可通过工件的传声接受声信号，不像光谱仪检测时存在的探测头的聚焦问题。
图3.14声发射检测系统对激光清洗过程进行实时监控实验示意图[22]
进行激光清洗时，贮罐表面的污染物粒子迅速受热熔融，剧烈膨胀喷溅，产生振动而引起声发射现象。声发射信号被宽频带传感器采集到，经前置放大器对
信号放大后再由声发射仪测出声发射信号的强度变化，分析得知此时激光清洗的状态，从而实现对激光清洗的控制。用几个激光脉冲依次作用于一点，观察其产生的声发射信号的强度变化。图3.15是前四个激光脉冲作用时，测量的结果。
a.第一个激光脉冲作用时测得的声发射信号
b.第二个激光脉冲作用时测得的声发射信号
c.第三个激光脉冲作用时测得的声发射信号
d.第四个激光脉冲作用时测得的声发射信号
图3.15前四个激光脉冲作用时测得的声发射信号[22]
可以看出，随清洗过程的进行，声发射信号的强度在减弱。这是因为，声发射信号的强度与从基体表面喷溅出的熔融物的数量呈正相关。第一个脉冲作用时，激光脉冲作用于贮罐表面的污物，使其熔融喷溅，有很强的声发射信号产生;第二个脉冲作用时，声发射信号强度有所减小，说明基体表面的污物数量减少了，形成的熔融物也少了;第三个脉冲作用时，声发射信号强度已经很微弱了，说明基体表面的污物所剩不多了；第四个脉冲作用时，声发射信号强度几乎为零，说明此时贮罐表面已清洗完全。由此可见，通过对声发射信号强度的检测，可以实现对激光清洗过程的判定和控制。在实际应用中，还要考虑滤除背景噪声信号，从声发射信号中提取特征信号，以及将声发射仪测得的声发射信号强度值从模拟信号转换为数字信号方便电脑分析控制的问题。
3.9实现激光脱漆的设备
实际使用的激光脱漆设备由：激光器、导光系统和检测控制系统等组成。这里要说明的是，实际脱漆的对象由于体积、形状、能否移动等因素，能放置在工作台上进行脱漆的很少，所以要求激光清洗头的位置可动，故需要导光系统。对于Nd：YAG激光器，只要在清洗用的机械手臂上架设光纤，激光器输出的激光通过光纤传导至激光清洗头，就可以灵活的进行脱漆了。而对于CO2激光器，其输出激光不能用光纤传导，一般采用在光路上（也就是清洗用的在机械手臂上）放置全反镜的方法，将激光传导至清洗头，为了达到理想的导光效果，还要配备相应的控制电路。
结论
激光清洗是一种新概念的清洗技术，以其清洁度高、绿色环保、易实现自动化、能远程精确实时控制、无需清洗剂、不损伤工件表面等优点，克服了传统清洗方法存在的弊端，得到了迅速的发展和应用。不仅满足了当代工业的要求，而且减少了对环境的破坏。激光清洗的应用范围包括：激光脱漆、激光清洗硬盘磁头、激光清洗硅晶体表面、激光清理巨型光学镜片上的颗粒污染物、激光清除海面石油污染、激光清理橡胶模具、激光清洗核电站反应堆内污染物、激光清理文物等。激光清洗有三种形式：激光干洗法，激光+液膜法，激光＋惰性气体法。激光清洗主要的三种机理：光气化、光分解，光剥离，光振动。
本文选取了激光脱漆为实例，对激光清洗的实际应用研究的思路、角度、方法进行了讨论。所得结论如下：在进行激光清洗的某项具体应用时，首先应根据被清洗的基体材料和表面附着物的物化性质，选取与之对应的波长、单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲重复率的激光器。然后，通过实验，测出激光脉冲的能量密度对脱漆效率的影响，同时使用计算模拟软件分析能量密度与工件表面温度分布的关系（温度决定着激光与物质作用的机理，出于保护基体材料的目的，应进行考虑），二者结合，得出适合激光清洗的能量密度，既能保证脱漆的高效率同时又保证基体材料不受损伤。再通过实验，确定激光扫描速度及扫描轨道搭接率，保证清洗的质量提高清洗的效率。根据具体清洗对象的特性，采用适合的实时监测手段与设备，对清洗过程进行控制。根据被清洗物的性质决定是否可以采用激光+液膜法提高其清洗效率，是否需要采用激光+惰性气体法保护被清洗的区域，防止发生高温条件下脱落附着物的燃烧或基体材料表面的氧化。如果对基体材料的某些性质有严格要求，应进行相应的检测实验，确保在进行激光清洗的同时保持基体材料的性质。最后，根据具体清洗的情况要求，设计相应的激光清洗设备。
其实，激光清洗的用处还有很多，这需要我们在工作和生活中，多思考，多研究。这样才能使激光清洗走进我们的生活，为我们的生活提供更多的便利。
致谢
在本课题的研究和论文撰写过程中，导师纪运景副教授给予了我很多的指导和帮助，在这里对她表示衷心的感谢！纪老师严谨的治学态度对我产生重要的影响，她严格要求和督促我，为我走进科学研究的大门指引了方向。
同时非常感谢苗凯博同学，在百忙之中抽出这么多时间指导我的毕业设计。感谢他在论文撰写、格式修改等实际工作中给予的指导，以及这段时间对我的帮助和鼓励。
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