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                  激光清洗飛機蒙皮的可行性報告
                  上傳時間:2019/5/15  點擊數:
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                                              激光清洗飛機蒙皮簡述

                  1、研究背景

                  隨著鋁、鎂等合金材料及復合材料在飛機制造業上的應用,飛機的性能尤其是飛行速度大幅度提高,對飛機蒙皮涂料的性能也提出了更高要求,如飛機迎風面及機翼要求有更高的耐溫性、耐紫外光性、耐凍融循環性、耐磨性、耐雨蝕性等,因而對飛機蒙皮表面上涂覆漆層的工藝和涂層的性能都有很高的要求。

                  飛機蒙皮在上漆時必須充分考慮到底漆、面漆和基材的匹配。在涂漆前,需要對飛機蒙皮進行表面預處理,其表面處理方式不能用噴砂打毛的方法來增強附著力,一般選擇鉻酸陽極化、阿羅丁氧化處理和磷化底漆三種處理方式。在經過表面處理后,需要在飛機蒙皮表面涂覆上一層底漆。對于飛機蒙皮而言,底漆應對飛機蒙皮有良好的附著性,優良的防腐蝕性、耐熱性、耐沖擊性、彈性和耐機用液體油性,同時還應與飛機蒙皮面漆應具有良好的配套性。目前在飛機中應用很廣的蒙皮底漆主要有環氧底漆、丙烯酸底漆、過氯乙烯底漆及聚氨酯底漆等。在涂覆了一層底漆后,最后在飛機蒙皮表面涂覆一層高功能特種防護面漆,主要包括酚醛涂料、醇酸涂料、環氧涂料和氟碳涂料等。

                  飛機在表面受損或每隔數年(一般46年)進行正常維修保養時需要清除掉舊的涂層,再重新進行新的涂覆。近年來,隨著航空工業的快速發展,客機、運輸機和戰斗機的數量越來越多,有關蒙皮表面油漆的清除往往成為重新涂裝的難題之一,各種除漆技術應運而生。

                  2、傳統除漆技術概述

                  目前,傳統的清洗方法主要有三種:(1)機械清洗法,即采用刮、擦、刷或噴砂等手段達到去除表面污物的目的;(2)濕法化學清洗法,它是利用有機清洗劑,通過噴、淋或高頻振動以除去油污等表面附著物;(3)超聲波清洗法,該方法是將零件放入水或有機溶劑中,利用超聲波振動效應清洗污垢。

                  對于飛機蒙皮上涂層的清除而言,適合的傳統清洗方法是機械清洗和濕法化學清洗方法。機械方法簡單、操作靈活,但勞動強度大,噪聲污染嚴重,脫離表面的污物容易重新吸附于清潔表面形成二次污染。而且,操作工藝選擇不當時,不但很難保持去污表面的精度,還容易對零件表面造成永久性損傷,這在飛機蒙皮清洗時必須特別注意。為了提高精度而采用先進的設備價格又很昂貴。以進口砂面機為例,一臺此種設備費用達30萬美元,成本極高,針對不同的材質和硬度表面,磨粒形狀和操作工藝(如噴射壓力、壓縮空氣量等)都有特殊的要求和規定,限制了其使用范圍,但也很難保證不損壞清洗表面。由于飛機形狀的特殊性,采用機械清洗顯然不是最佳選擇。

                  濕法化學清洗方法的應用比機械清洗方法廣泛。它一般使用酸液、堿液和特別的清洗劑去除涂層,清洗液中盡管加入了緩蝕劑,但由于時間難以有效控制,酸液和堿液仍對基體造成不同程度的腐蝕。如采用酸液對金屬表面進行清洗時,伴隨著表面垢皮的溶解,就開始了酸液對基體的腐蝕;由于金屬在酸腐蝕過程中是以析出原子態氫為特征的電化學腐蝕過程,當金屬在腐蝕過程中產生的氫原子不能迅速結合成分子態氫排出,則部分氫原子就會透過金屬表面擴散到金屬內部,產生“氫脆”。盡管戰斗機蒙皮及其主要結構件目前仍以鋁合金為主,但復合材料在客機、運輸機和現代戰斗機上得到越來越多的應用,而一些新的復合材料對化學藥品的耐受力非常差,不適合化學清洗。同時,化學清洗后排放的廢液對環境會造成嚴重的污染。   

                      可見,傳統的除漆方法在飛機蒙皮表面的清洗中受到很大的限制,目前仍然使用實在是不得已而為之。顯然,找到一種高效、快捷的“綠色”清洗方法,以滿足高精度、高清潔度和對基體表面無損傷的清洗要求就很有必要。

                  3、激光清洗技術應用于除漆是未來發展重點

                  經過近四十年的發展,激光技術已日臻完善,并在工業生產、醫療、軍事和娛樂等方面得到了非常廣泛的應用。激光清洗技術是近十幾年來才出現的新技術,相關研究起步于80年代中期,但直到90年代初期才逐漸被研究人員所重視而得到飛速的發展,它的出現開辟了激光技術在工業中應用的新領域,并成為激光加工技術大家庭中的一名新成員。激光清洗技術作為一項新興清洗技術,目前已成為傳統清洗方法的補充和延伸,并開始在微電子、建筑、核電站、航空航天、汽車制造、醫療、文物保護等領域得到應用。

                  3.1 激光清洗技術及其特點

                  激光清洗技術是指采用高能激光束照射工件表面,使表面的污物、銹斑、顆;蛲繉影l生瞬間蒸發或剝離,從而達到潔凈化的工藝過程。與傳統清洗工藝相比,激光清洗技術具有以下一些特點:(1)它是一種“干式”清洗,不需要清潔液或其它化學溶液,不會導致二次污染,而且清潔度遠遠高于化學清洗工藝;(2)激光清洗技術針對的清洗對象非常廣泛,如各種氧化物顆粒、銹跡、涂層及表面的有機物等,同時不受基體材料的限制;(3)傳統的清洗方法往往是近距離操作,對基材表面有機械作用力,容易損傷基體;而激光清洗是非接觸性加工,可以進行遠距離操作,通過調控激光工藝參數,可以在不損傷基材表面的基礎上,有效去除污染物,使表面復舊如新;(4)借助于現代化的手段,激光清洗可以方便地實現自動化操作;(5)激光去污設備可以長期使用,運行成本低;(6)激光清洗技術是一種“綠色”清洗工藝,消除的廢料是固體粉末狀,體積小,易于存放,對環境基本上不造成污染。

                  3.2 激光除漆時激光器的選擇

                  利用激光進行清洗時,激光器的選擇關系著后續的清洗工作,所以激光器的選擇極為重要。目前激光器的種類比較多,如CO2激光器、Nd:YAG固體激光器和準分子激光器等,這幾種激光器都可以滿足激光清洗的要求,究竟選用哪一種激光器應根據具體情況而定。清洗時通常采用脈沖式的激光器,有時也用到連續激光器。而對于涂層(漆層)的清除,CO2 激光器的效果最好,特別是脈沖的TEA CO2激光器在這一領域極具發展前途。但由于CO2激光器不能用光纖進行傳送,在遠程清洗應用方面受到一定的限制,但是采用YAG激光器甚至二極管激光器進行激光清洗提供了廣闊的空間。

                  3.3 激光除漆的過程與機理

                  根據激光器和工作臺的工作情況不同,激光清洗過程有激光束連續掃描的方式(面清洗)和采用定點的多脈沖清洗方式。激光清洗的速度取決于激光器的波長、功率、輸出方式、光束速度及激光功率密度大小等。

                  激光清洗機理主要是待清除物(如油漆)吸收激光能量后,或氣化揮發,或瞬間受熱膨脹而克服基材表面的吸附力而脫離物體表面,進而達到清洗的目的。

                  油漆通常由有機粘合劑、無機填充物和有機(或無機)顏料構成。因而激光除漆的機理則是由于激光使油漆表面加熱并令其有機成分發生氣化,使油漆中的粘合劑失去作用,無機填充物和顏料被夾在有機成分的蒸氣中而脫離物體表面,從而達到除漆的目的。激光除漆的關鍵是控制好激光能量密度,特別是臨界能量密度,使除漆時不損傷油漆下物體的表面,又保持較高的清洗速度。

                  3.4 激光除漆技術在航空中的應用現狀和發展趨勢

                  用激光除去物體表面漆層是一種先進的退漆工藝,對于那些要定期噴涂保護層的設備,激光清洗能體現其優越性,如飛機和輪船的定期維護,需要首先清除原有的保護層后再噴涂新的保護層,因而該技術在航空工業中和船舶工業中有很大的應用空間,典型應用對象是飛機的機體蒙皮和大型船只表面的油漆。它具有成本低、基體無損傷、干凈、操作完全自動化等獨特優點。同傳統的溶劑清除和噴砂法相比,激光除漆不會造成環境污染,可以大大縮短清洗時間,降低勞動強度,并且激光束易于控制,能除掉不規則表面上的漆層。

                  有關激光清洗飛機蒙皮油漆在國內和國外的研究和發展并不均衡。目前,國外在這方面已經進入了實用階段,采用CO2激光器和Nd: YAG激光器的實例都有。例如,美國新澤西州的一家公司采用一種專用的脈沖CO2激光器來燒蝕漆層。該激光系統可以每一脈沖將0. 005 mm厚的漆層汽化,而基體仍保持冷態不受任何損傷。這種激光的光束面積大,在1小時內可以將厚度1mm、面積36 m2 的漆層剝離,并有真空系統及過濾器對廢渣進行處理,而傳統的化學脫漆則需要810小時,排出幾百升的有害廢液。這種激光除漆工藝的優點是成本低、基體無損傷、干凈、操作完全自動化,而且能夠實現多個激光系統同時除漆。采用多個激光系統,能在32小時內將一架波音737飛機表面的漆層完全退除。美國猶他州的希爾空軍基地用激光來剝離F-16飛機的復合材料雷達罩上的漆層已有多年的歷史,清洗效果良好,而且不會對設備表面造成損傷。在德國已經有專門的激光清洗公司,他們用400Hz2千瓦TEA CO2激光器,激光束通過機械手有序的工作,1小時內能清除掉飛機上10m2的油漆。千瓦級的連續波Nd: YAG激光器的出現,在功率上滿足了激光除漆的需要,同時它可以用光纖傳送,這一點優越于CO2激光,因此也被用于適合用于遠程激光除漆。美國HDE公司用1.8 kWNd: YAG激光器進行了除漆研究,用直徑0.6 mmPolymicro光纖傳輸系統把激光送到150米之外的工件上除漆。該公司設計了一臺機車拖動的剝漆工作站,可用于剝除橋墩、車輛和飛機表面的漆層。

                  4、激光清除飛機蒙皮成套工藝與設備的主要研究內容

                  理想的激光清洗系統應該具有如下特性:第一,清洗效率高;第二,便攜式,能夠方便地移動到飛機涂裝現場,并能夠完成蒙皮表面各種位置油漆的清洗;第三,具有吸塵系統,可以確保激光清洗產物不四處飛濺,造成二次污染;第四,有一定的自動化程度。顯然,要使激光除漆系統走向工業化,單靠現有的技術成果是無法實現的。激光器、導光系統及其相應的激光清洗系統都必須進行相應改進,才能滿足激光清洗的要求。因此,必須進行如下內容進行研究:

                  1)小體積、高功率、高重復頻率TEA激光器的研制:大量實驗結果已經表明,TEA激光器在激光除漆方面有其獨特的優越性。但是,我國現有的商品化TEA激光器在功率水平、重復頻率等參數方面與國際水平還有一定的差距,主要表現在清洗效率偏低。因此,將TEA的激光功率水平提高,可以大幅度提高激光清洗的效率,為激光清洗飛機蒙皮表面油漆技術奠定基礎。

                  2)激光束專用導光系統研究:由于飛機蒙皮的特殊形狀,而TEA激光波長為10.6微米,不能通過光纖傳輸,因此必須設計相應的導光系統,才能方便地將激光束傳輸到不同飛機蒙皮表面不同位置,如上表面、下表面,并且確保激光清洗無死角。

                  3)飛機蒙皮激光清洗工藝研究:針對飛機蒙皮現有油漆種類的特點,系統研究激光清洗機理,建立相應的工藝數據庫。

                  4)激光清洗飛機蒙皮專用系統的集成:通過上述研究工作,使得所研究的激光清洗系統具有低成本、便攜式、高效率、自動化等特征。通過本項目的研究,最終將激光除漆技術在飛機蒙皮表面油漆的清除中得到工程應用。

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