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激光清洗飞机蒙皮的可行性报告
上传时间:2019/5/15  点击数:
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                            激光清洗飞机蒙皮简述

1、研究背景

随着铝、镁等合金材料及复合材料在飞机制造业上的应用,飞机的性能尤其是飞行速度大幅度提高,对飞机蒙皮涂料的性能也提出了更高要求,如飞机迎风面及机翼要求有更高的耐温性、耐紫外光性、耐冻融循环性、耐磨性、耐雨蚀性等,因而对飞机蒙皮表面上涂覆漆层的工艺和涂层的性能都有很高的要求。

飞机蒙皮在上漆时必须充分考虑到底漆、面漆和基材的匹配。在涂漆前,需要对飞机蒙皮进行表面预处理,其表面处理方式不能用喷砂打毛的方法来增强附着力,一般选择铬酸阳极化、阿罗丁氧化处理和磷化底漆三种处理方式。在经过表面处理后,需要在飞机蒙皮表面涂覆上一层底漆。对于飞机蒙皮而言,底漆应对飞机蒙皮有良好的附着性,优良的防腐蚀性、耐热性、耐冲击性、弹性和耐机用液体油性,同时还应与飞机蒙皮面漆应具有良好的配套性。目前在飞机中应用很广的蒙皮底漆主要有环氧底漆、丙烯酸底漆、过氯乙烯底漆及聚氨酯底漆等。在涂覆了一层底漆后,最后在飞机蒙皮表面涂覆一层高功能特种防护面漆,主要包括酚醛涂料、醇酸涂料、环氧涂料和氟碳涂料等。

飞机在表面受损或每隔数年(一般46年)进行正常维修保养时需要清除掉旧的涂层,再重新进行新的涂覆。近年来,随着航空工业的快速发展,客机、运输机和战斗机的数量越来越多,有关蒙皮表面油漆的清除往往成为重新涂装的难题之一,各种除漆技术应运而生。

2、传统除漆技术概述

目前,传统的清洗方法主要有三种:(1)机械清洗法,即采用刮、擦、刷或喷砂等手段达到去除表面污物的目的;(2)湿法化学清洗法,它是利用有机清洗剂,通过喷、淋或高频振动以除去油污等表面附着物;(3)超声波清洗法,该方法是将零件放入水或有机溶剂中,利用超声波振动效应清洗污垢。

对于飞机蒙皮上涂层的清除而言,适合的传统清洗方法是机械清洗和湿法化学清洗方法。机械方法简单、操作灵活,但劳动强度大,噪声污染严重,脱离表面的污物容易重新吸附于清洁表面形成二次污染。而且,操作工艺选择不当时,不但很难保持去污表面的精度,还容易对零件表面造成永久性损伤,这在飞机蒙皮清洗时必须特别注意。为了提高精度而采用先进的设备价格又很昂贵。以进口砂面机为例,一台此种设备费用达30万美元,成本极高,针对不同的材质和硬度表面,磨粒形状和操作工艺(如喷射压力、压缩空气量等)都有特殊的要求和规定,限制了其使用范围,但也很难保证不损坏清洗表面。由于飞机形状的特殊性,采用机械清洗显然不是最佳选择。

湿法化学清洗方法的应用比机械清洗方法广泛。它一般使用酸液、碱液和特别的清洗剂去除涂层,清洗液中尽管加入了缓蚀剂,但由于时间难以有效控制,酸液和碱液仍对基体造成不同程度的腐蚀。如采用酸液对金属表面进行清洗时,伴随着表面垢皮的溶解,就开始了酸液对基体的腐蚀;由于金属在酸腐蚀过程中是以析出原子态氢为特征的电化学腐蚀过程,当金属在腐蚀过程中产生的氢原子不能迅速结合成分子态氢排出,则部分氢原子就会透过金属表面扩散到金属内部,产生“氢脆”。尽管战斗机蒙皮及其主要结构件目前仍以铝合金为主,但复合材料在客机、运输机和现代战斗机上得到越来越多的应用,而一些新的复合材料对化学药品的耐受力非常差,不适合化学清洗。同时,化学清洗后排放的废液对环境会造成严重的污染。   

    可见,传统的除漆方法在飞机蒙皮表面的清洗中受到很大的限制,目前仍然使用实在是不得已而为之。显然,找到一种高效、快捷的“绿色”清洗方法,以满足高精度、高清洁度和对基体表面无损伤的清洗要求就很有必要。

3、激光清洗技术应用于除漆是未来发展重点

经过近四十年的发展,激光技术已日臻完善,并在工业生产、医疗、军事和娱乐等方面得到了非常广泛的应用。激光清洗技术是近十几年来才出现的新技术,相关研究起步于80年代中期,但直到90年代初期才逐渐被研究人员所重视而得到飞速的发展,它的出现开辟了激光技术在工业中应用的新领域,并成为激光加工技术大家庭中的一名新成员。激光清洗技术作为一项新兴清洗技术,目前已成为传统清洗方法的补充和延伸,并开始在微电子、建筑、核电站、航空航天、汽车制造、医疗、文物保护等领域得到应用。

3.1 激光清洗技术及其特点

激光清洗技术是指采用高能激光束照射工件表面,使表面的污物、锈斑、颗粒或涂层发生瞬间蒸发或剥离,从而达到洁净化的工艺过程。与传统清洗工艺相比,激光清洗技术具有以下一些特点:(1)它是一种“干式”清洗,不需要清洁液或其它化学溶液,不会导致二次污染,而且清洁度远远高于化学清洗工艺;(2)激光清洗技术针对的清洗对象非常广泛,如各种氧化物颗粒、锈迹、涂层及表面的有机物等,同时不受基体材料的限制;(3)传统的清洗方法往往是近距离操作,对基材表面有机械作用力,容易损伤基体;而激光清洗是非接触性加工,可以进行远距离操作,通过调控激光工艺参数,可以在不损伤基材表面的基础上,有效去除污染物,使表面复旧如新;(4)借助于现代化的手段,激光清洗可以方便地实现自动化操作;(5)激光去污设备可以长期使用,运行成本低;(6)激光清洗技术是一种“绿色”清洗工艺,消除的废料是固体粉末状,体积小,易于存放,对环境基本上不造成污染。

3.2 激光除漆时激光器的选择

利用激光进行清洗时,激光器的选择关系着后续的清洗工作,所以激光器的选择极为重要。目前激光器的种类比较多,如CO2激光器、Nd:YAG固体激光器和准分子激光器等,这几种激光器都可以满足激光清洗的要求,究竟选用哪一种激光器应根据具体情况而定。清洗时通常采用脉冲式的激光器,有时也用到连续激光器。而对于涂层(漆层)的清除,CO2 激光器的效果最好,特别是脉冲的TEA CO2激光器在这一领域极具发展前途。但由于CO2激光器不能用光纤进行传送,在远程清洗应用方面受到一定的限制,但是采用YAG激光器甚至二极管激光器进行激光清洗提供了广阔的空间。

3.3 激光除漆的过程与机理

根据激光器和工作台的工作情况不同,激光清洗过程有激光束连续扫描的方式(面清洗)和采用定点的多脉冲清洗方式。激光清洗的速度取决于激光器的波长、功率、输出方式、光束速度及激光功率密度大小等。

激光清洗机理主要是待清除物(如油漆)吸收激光能量后,或气化挥发,或瞬间受热膨胀而克服基材表面的吸附力而脱离物体表面,进而达到清洗的目的。

油漆通常由有机粘合剂、无机填充物和有机(或无机)颜料构成。因而激光除漆的机理则是由于激光使油漆表面加热并令其有机成分发生气化,使油漆中的粘合剂失去作用,无机填充物和颜料被夹在有机成分的蒸气中而脱离物体表面,从而达到除漆的目的。激光除漆的关键是控制好激光能量密度,特别是临界能量密度,使除漆时不损伤油漆下物体的表面,又保持较高的清洗速度。

3.4 激光除漆技术在航空中的应用现状和发展趋势

用激光除去物体表面漆层是一种先进的退漆工艺,对于那些要定期喷涂保护层的设备,激光清洗能体现其优越性,如飞机和轮船的定期维护,需要首先清除原有的保护层后再喷涂新的保护层,因而该技术在航空工业中和船舶工业中有很大的应用空间,典型应用对象是飞机的机体蒙皮和大型船只表面的油漆。它具有成本低、基体无损伤、干净、操作完全自动化等独特优点。同传统的溶剂清除和喷砂法相比,激光除漆不会造成环境污染,可以大大缩短清洗时间,降低劳动强度,并且激光束易于控制,能除掉不规则表面上的漆层。

有关激光清洗飞机蒙皮油漆在国内和国外的研究和发展并不均衡。目前,国外在这方面已经进入了实用阶段,采用CO2激光器和Nd: YAG激光器的实例都有。例如,美国新泽西州的一家公司采用一种专用的脉冲CO2激光器来烧蚀漆层。该激光系统可以每一脉冲将0. 005 mm厚的漆层汽化,而基体仍保持冷态不受任何损伤。这种激光的光束面积大,在1小时内可以将厚度1mm、面积36 m2 的漆层剥离,并有真空系统及过滤器对废渣进行处理,而传统的化学脱漆则需要810小时,排出几百升的有害废液。这种激光除漆工艺的优点是成本低、基体无损伤、干净、操作完全自动化,而且能够实现多个激光系统同时除漆。采用多个激光系统,能在32小时内将一架波音737飞机表面的漆层完全退除。美国犹他州的希尔空军基地用激光来剥离F-16飞机的复合材料雷达罩上的漆层已有多年的历史,清洗效果良好,而且不会对设备表面造成损伤。在德国已经有专门的激光清洗公司,他们用400Hz2千瓦TEA CO2激光器,激光束通过机械手有序的工作,1小时内能清除掉飞机上10m2的油漆。千瓦级的连续波Nd: YAG激光器的出现,在功率上满足了激光除漆的需要,同时它可以用光纤传送,这一点优越于CO2激光,因此也被用于适合用于远程激光除漆。美国HDE公司用1.8 kWNd: YAG激光器进行了除漆研究,用直径0.6 mmPolymicro光纤传输系统把激光送到150米之外的工件上除漆。该公司设计了一台机车拖动的剥漆工作站,可用于剥除桥墩、车辆和飞机表面的漆层。

4、激光清除飞机蒙皮成套工艺与设备的主要研究内容

理想的激光清洗系统应该具有如下特性:第一,清洗效率高;第二,便携式,能够方便地移动到飞机涂装现场,并能够完成蒙皮表面各种位置油漆的清洗;第三,具有吸尘系统,可以确保激光清洗产物不四处飞溅,造成二次污染;第四,有一定的自动化程度。显然,要使激光除漆系统走向工业化,单靠现有的技术成果是无法实现的。激光器、导光系统及其相应的激光清洗系统都必须进行相应改进,才能满足激光清洗的要求。因此,必须进行如下内容进行研究:

1)小体积、高功率、高重复频率TEA激光器的研制:大量实验结果已经表明,TEA激光器在激光除漆方面有其独特的优越性。但是,我国现有的商品化TEA激光器在功率水平、重复频率等参数方面与国际水平还有一定的差距,主要表现在清洗效率偏低。因此,将TEA的激光功率水平提高,可以大幅度提高激光清洗的效率,为激光清洗飞机蒙皮表面油漆技术奠定基础。

2)激光束专用导光系统研究:由于飞机蒙皮的特殊形状,而TEA激光波长为10.6微米,不能通过光纤传输,因此必须设计相应的导光系统,才能方便地将激光束传输到不同飞机蒙皮表面不同位置,如上表面、下表面,并且确保激光清洗无死角。

3)飞机蒙皮激光清洗工艺研究:针对飞机蒙皮现有油漆种类的特点,系统研究激光清洗机理,建立相应的工艺数据库。

4)激光清洗飞机蒙皮专用系统的集成:通过上述研究工作,使得所研究的激光清洗系统具有低成本、便携式、高效率、自动化等特征。通过本项目的研究,最终将激光除漆技术在飞机蒙皮表面油漆的清除中得到工程应用。

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