电器外观件表面电泳油漆的激光清洗试验

田洪吉，梅丽芳, ，严东兵, ，殷伟，杨军

1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024

2.厦门市智能制造高端装备研究重点实验室，福建 厦门 361024

3.福建省客车先进设计与制造重点实验室，福建 厦门 361024

在现代社会中，消费者对电子产品的追求更偏向品质与美观，金属外观件需要进行喷漆处理，而且漆层品质的要求非常苛刻[1]。为了提高材料利用率、节约成本，可对外观不合格产品除漆后重新上漆以再次利用。清洗除漆是电器外观件再制造过程中极为重要的一环，而再制造工程作为新世纪制造发展的一个全新方向，得到了社会各界的广泛关注。目前所采用的传统清洗方法存在许多不足和缺陷，导致大量的人力物力浪费，市场竞争力优势不明显。激光清洗技术因具备高效、快捷，对基体产生的热负荷和机械负荷小，废物可回收，无环境污染，可清除各种不同厚度、不同成分的涂层等优点，正在除漆领域中逐步得到应用[2-5]。

国内外已有不少学者对激光清洗技术展开相应的研究。童懿等人[6]采用纳秒脉冲激光对铝合金表层油漆开展了激光清洗试验，结论是提升脉冲频率将获得更好的清洗效果。雷正龙等人[7]结合热弹性振动模型与热传导模型对毫秒级与纳秒级激光除漆过程的物理机制进行了探讨。谢顺等人[8]通过正交试验对汽车电子元器件引脚表面镀层进行了激光清洗研究。Mateo 等人[9]研究发现，选择合适的激光能量和脉冲频率可以在不损伤基底的情况下有效去除漆层。Kim 等人[10]发现选择合适的能量密度可以在不损伤基底的情况下将漆层和氧化层去除。目前，针对激光除漆的研究已有不少文献，但运用超景深显微系统及三维轮廓仪开展电器外观件电泳油漆激光清除效果的研究鲜有报道。超景深显微镜是一种连续变倍的光学显微镜，可以实现放大倍率从几倍到几千倍之间的连续变化，可快速获得表面存在凹凸起伏的样品的清晰3D 图像。New View 8000 三维轮廓仪纵向分辨极限达到0.08 nm，可测量面粗糙度及线粗糙度，最大检测深度为150 μm。本文对电器外观件电泳油漆层进行激光清洗试验，针对激光功率、扫描速率、扫描间距、频率等工艺参数设计单因素实验，基于除漆后基底表面微观形貌与三维轮廓，探究低功率下激光工艺参数对漆层清洗效果的影响规律及去除不同颜色油漆的难易程度，研究结果对激光清洗在电器外观件表面除漆方面的推广应用具有一定的指导意义。

1 实验

1.1 设备与材料

使用的激光清洗系统是中兴鼎的central-laser 柜式激光清洗机，包括IPG 激光器、扫描设备、激光控制系统等。IPG 激光器的激光波长为1 064 nm，输出功率为10～100 W，频率可调范围为10～500 kHz，清洗速率最高可达7 000 mm/s，脉宽范围为20～200 ns。激光器采用高速双轴振镜，具有精度高、控制稳定等优点。清洗试样为厚度1.5 mm 的电器外观件，由碳钢板制成，出厂前为防止氧化而进行镀锌处理，双面涂覆有白色和黑色两种电泳油漆，漆层厚度约为60 μm。

1.2 试验方法

通过夹具将试样固定在工作平台上，调整激光加工头与工件之间的距离，设定适宜的工艺参数后进行脉冲激光清洗试验。激光沿如图1 所示的“弓”字形路线在试样表面扫描2 次，清洗过程如图2 所示。

图1 激光扫描路径Figure 1 Laser scanning path

图2 激光清洗过程Figure 2 Laser cleaning process

通过初步实验探索出一组较为适宜的工艺参数，再以这组参数为基础，设计单因素实验方案，见表1。

表1 单因素试验方案Table 1 Scheme of single-factor experiment

使用VHX 2000 三维超景深显微镜系统和New View 8000 轮廓仪从基底的油漆残留、损伤、粗糙度等方面对清洗效果进行评定，分析不同工艺参数对激光除漆效果的影响。

在VHX 2000 三维超景深显微镜的20 倍物镜下对试样表面进行3D 测量，使检测对象的图像还原度更高，能初步观察不同参数下试样的清洗效果，从宏观层面了解激光清洗的机理及基底的损伤情况。New View 8000轮廓仪主要用于测量表面粗糙度，需要将样品和观测系统放入密闭透明仓内，避免声波、气流、温度等环境变化对测量结果产生影响，测量深度选择65 μm，选择10 倍物镜，测量时间约为6 s。常用Ra(线的算术平均高度)和Sa(面的算术平均高度)对粗糙度进行表征。Ra是基于线轮廓法评定粗糙度时使用的参数，表示轮廓的算数平均偏差，用于表征物体一维轮廓粗糙程度。Sa是基于区域形貌的粗糙度评定参数，表示区域形貌算术平均偏差，用于表征物体表面二维形貌的粗糙程度。在实际测量中，测量点数越多，Ra越准确。本文主要以Sa来评估表面粗糙度，即在一个取样区域内纵坐标值Z(x,y)绝对值的算术平均值，如式(1)所示。

式中A为取样面积。

2 结果与讨论

设定焦距300 mm、光斑直径0.2 mm 和激光脉宽200 ns 并保持不变，根据单因素实验表，对相同厚度的黑、白两色油漆分别进行了16 组激光清洗除漆试验，其除漆效果如图3 所示，部分清洗参数下油漆未被完全去除，会略显不同颜色，与原本油漆颜色不同。

图3 白色油漆试样(a)和黑色油漆试样(b)的单因素激光清洗实验结果Figure 3 Results of single-factor experiments for laser cleaning of white paint specimens (a) and black paint specimens (b)

对两种颜色油漆的最优除漆试样进一步深入分析，结果见图4。在最优参数下，白色油漆试样清洗后基底表面整体较为平整，但清洗痕迹明显，除局部有微量残留之外，漆层基本被清除干净，表面粗糙度Sa为0.821 μm；而黑色油漆在激光清洗后，基底光洁，无清洗路径痕迹，表面粗糙度Sa为0.777 μm。这说明在相同的参数下，黑色油漆对激光的吸收率优于白色油漆，漆层分解效果更明显，更易被除掉，而白色油漆的去除难度相对较大。从图3 也可看出，工艺参数对白色油漆去除效果的影响更为显著。因此，本文主要针对白色油漆试样来分析不同工艺参数对清洗效果的影响。

图4 白色油漆试样(a)和黑色油漆试样(b)经激光清洗后的外观与表面三维轮廓Figure 4 Appearance and 3D surface profile of white paint specimen (a) and black paint specimen (b) after laser cleaning

2.1 扫描速率的影响

在工程化激光除漆过程中，脉冲激光器发出非连续点脉冲，通过调整扫描振镜的偏转来获得激光扫描线[11]。激光扫描速率决定了激光束和漆层的作用时间，影响着激光的实际作用与漆层的能量密度。对于单向扫描的单脉冲激光而言，能量密度E可按式(2)计算[12]。

式中，v为激光横向扫描速率，F为激光器的能量，f为脉冲频率，D为光斑直径。

由式(2)可知，当其他参数不变时，作用在漆层上的实际能量密度与扫描速率成反比，扫描速率越大，作用在漆层上的能量密度越小。

保持激光功率40 W、频率400 kHz 及扫描间距0.05 mm 不变，令激光扫描速率以100 mm/s 的间隔从200 mm/s 提升至500 mm/s，对试样进行除漆，并分别采用超景深显微镜放大200 倍和三维轮廓仪放大10 倍对4 组试样进行观察，分析扫描速率对去除试样表面白色油漆的影响，结果如图5 所示。

图5 不同扫描速率下白色油漆试样激光清洗后基底的表面形貌和三维轮廓Figure 5 Surface morphologies and 3D profiles of white paint specimens cleaned by laser at different scan rates

如图5a 所示，当扫描速率为200 mm/s 时，激光烧蚀作用明显，试样表面出现大面积的焦黄色痕迹及重熔凹坑，这是由于扫描过慢导致激光作用于试样表面的时间长，漆层上的实际能量密度大，激光能量迅速向基体深度方向扩散，基底因热量过高而产生严重的烧蚀，从而导致基底重熔。从图5b 可见，此时基底表面出现较多低于平均表面的蓝色区域，Sa为2.169 μm。当扫描速率为300 mm/s 时，试样表面基本无焦黄色痕迹，漆层已被去除干净，说明此时作用在漆层上的功率密度达到了漆层的去除阈值，但没有达到基底的损伤阈值。此时基底的表面轮廓主要是在平均表面内的绿色区域，色差较小，Sa为1.200 μm。当扫描速率为400 mm/s时，试样表面的漆层也已基本被去除干净，且未出现重熔凹坑。此时激光能量可被充分吸收，试样表面的漆层在激光作用下被完全汽化，但由于扫描过快，激光搭接处残留微细漆层(表现在三维轮廓图中存在较多高于平均表面的红色区域)，Sa升高至1.397 μm，这是由于扫描速率变大后，作用在漆层上的实际能量密度变小，漆层吸收不到足够的能量。而当扫描速率进一步增大至500 mm/s 时，作用在漆层上的实际能量密度进一步降低，清洗后的基体表面存在一层较薄的油漆，且颜色变黑，表面三维轮廓图中红色区域较400 mm/s 时更多，Sa继续增大至1.680 μm。这是由于此时较高的扫描速率使得激光作用于基体表面的时间短，漆层未能吸收足够的激光能量，无法充分汽化。所以，扫描速率为300 mm/s 时的清洗效果最优。

在漆层较厚，需要多个激光脉冲才能够完全去除的情况下，需要考虑扫描速率与热积累效应的协调性。过高的扫描速率会导致漆层残留，这是由于扫描过快的情况下漆层吸收的能量较少，而过低的扫描速率会导致基体烧蚀和重熔。激光扫描速率的增大能够减少基材表面的重熔凹坑，但会影响表面油漆的去除，造成表面粗糙度增大，从而影响试样的再制造应用。因此，对于本文厚度为60 μm 的白色电泳油漆涂覆电器外观件而言，除漆时采用300 mm/s 的激光扫描速率可达到较好的清洗效果。

2.2 激光功率的影响

激光功率影响激光实际作用时的能量密度，激光器功率P等于能量F和脉冲频率f的乘积，故激光能量密度可按式(3)计算。

当其他参数一定时，由式(3)可知激光能量密度与功率成正比。激光功率越大则激光能量密度越高，过高就会超过基底的损伤阈值；反之，激光功率过低则激光能量密度不足以达到除漆阈值。

保持扫描速率300 mm/s、频率400 kHz 及扫描间距0.05 mm 不变，将激光功率以5 W 的间隔从35 W 增大到50 W，对试样进行除漆试验。由图6a 可知，当激光功率为35 W 时，激光能量密度较低，试样表面只有部分油漆被清除，表明低功率激光未能使基体表面油漆充分汽化，在基底局部仍留有条纹状油漆和薄层烧焦油状油漆；激光功率增大至40 W 时，激光能量密度开始增大，油漆去除得较为干净，露出光滑的基底表面；当激光功率进一步升高至45 W 时，基底开始出现凹坑和重熔，表明此时虽然可以完全清除油漆，但激光功率过大导致了基底热积累过多。当激光功率增大至50 W 时，过高的能量密度致使基底出现焦黄色，重熔现象严重，此时的激光功率已经超过了基底的损伤阈值。由图6b 可知，当激光功率为35 W 时，试样基底局部有显著的红色和蓝色，色差较大，Sa为2.817 μm；当激光功率达到40 W 时，表面主要呈现绿色，色差较小，Sa低至0.729 μm，说明此时的基底表面高度差小，清洗试样表面轮廓特征优于其他激光功率下的情况，与基底表面形貌特性吻合。

图6 不同激光功率下白色油漆试样激光清洗后基底的表面形貌和三维轮廓Figure 6 Surface morphologies and 3D profiles of white paint specimens cleaned by laser at different powers

通过分析激光功率对清洗除漆的影响可发现，激光功率对脉冲激光除漆效果影响明显。随着功率的增大，表面暗色的油漆层逐渐减薄直至完全消失，但功率过大会对基底造成烧蚀重熔。对于漆层厚度为60 μm 的电器外观件，采用40 W 的激光功率时清洗效果较好。

2.3 激光频率的影响

保持扫描速率300 mm/s、功率40 W 及扫描间距0.05 mm 不变，对试样进行除漆，将激光频率以100 kHz 的间隔从100 kHz 提升至400 kHz，对试样进行清洗除漆。由图7a 可知，当激光频率为100 kHz 时，基底仍存在一层较薄的油漆，且清洗轨迹不清晰。随着激光频率增大到200 kHz，激光清除路径开始清晰，且表面残留油漆变少，显现出银白色的基底。这是因为对于相同厚度的漆层，激光频率的升高意味着单位时间内脉冲激光对清洗部分的作用次数增多。当激光频率增大至400 kHz 时，基材被清洗干净，凹坑也基本消失。由图7b 可知，随着激光频率的增大，基底表面粗糙度逐渐减小。当激光频率达到400 kHz 时，清洗后试样的表面粗糙度Sa降为1.039 μm，表明基材表面漆层残留少，且激光清洗过的基底较平整。这说明采用400 kHz 的激光频率时清洗效果较好，最终基底表面的高度差小。

图7 不同激光频率下白色油漆试样激光清洗后基底的表面形貌和三维轮廓Figure 7 Surface morphologies and 3D profiles of white paint specimens cleaned by laser at different frequencies

2.4 扫描间距的影响

如图8 所示，激光扫描时的路径重叠情况与扫描间距有关，相关计算如式(4)[13]所示。

图8 光斑搭接率和路径重叠率示意图Figure 8 Diagram showing the spot overlap rate and path overlap rate

式中：δ为光斑搭接率，f为脉冲频率，v为扫描速率，D为光斑直径。扫描间距d为扫描速率v与脉冲频率f之比[14]，即式(4)可写为式(5)。过大的扫描间距会导致清洗盲区出现，令激光清洗效果变差；过小的扫描间距导致路径重叠增大，激光清洗过程中会过量地积累热量，损伤基底。

保持扫描速率300 mm/s、功率40 W 及激光频率400 kHz 不变，对试样进行除漆，将激光扫描间距以0.03 mm 的间隔从0.02 mm 增大至0.11 mm，除漆试验结果如图9 所示。由图9a 可知，当扫描间距为0.02 mm时，路径重叠率为90%，试样表面漆层被完全去除，但清洗部分凹坑较为显著，这是由于较小的扫描间距下路径重叠率大，单位时间内作用于基体表面的激光能量更加密集，单位面积所累积的热量易对基底造成重熔损伤；当扫描间距为0.05 mm 时，路径重叠率降低至75%，试样表面漆层基本被去除，清洗后的表面基本无凹坑；当扫描间距为0.08 mm 时，路径重叠率为60%，清洗痕迹明显，清洗轨迹上的油漆基本被清除干净，但清洗轨迹之间明显有油漆残留；当扫描间距增至0.11 mm 时，路径重叠率为45%，基体表面留下明显的凹凸不平的扫描痕迹，残留大量油漆，说明过小的路径重叠率导致清洗过程中出现盲区，无法满足清洗要求。由图9b 可知，当扫描间距为0.05 mm 时，表面主要处于绿色区域，色差较小，Sa低至0.996 μm，均优于其他扫描间距下的清洗试样的表面轮廓特征；当扫描间距减至0.02 mm 时，单位面积内的油漆清洗效果较好，但由于较小的扫描间距导致路径重叠率变大，积累的热应力会增大，对基材造成损伤。而当扫描间距增大至0.08 mm 后，清洗过程中已经出现盲区，清洗后基底表面凹凸不平，无法完全去除基底表面的油漆。因此，在对电器外观件的激光清洗过程中，应当选取适当的扫描间距。对本文而言，当扫描间距为0.05 mm，即路径重叠率为75%时，激光清洗效果最好。

图9 不同扫描间距下白色油漆试样激光清洗后基底的表面形貌和三维轮廓Figure 9 Surface morphologies and 3D profiles of white paint specimens cleaned by laser at different scan spacings

2.5 清洗表面元素分析及微观形貌

设定激光功率40 W、激光扫描速率300 mm/s、激光频率400 kHz 和激光扫描间距500 mm/s，对电器元件表面漆层进行清洗试验，清洗前后试样的微观形貌如图10a 所示。可见在较优的工艺参数下，激光清洗能将试样表面的油漆去除干净，得到平滑的表面。图中清洗区域内的油漆残留是由于油漆经过激光烧蚀作用后有极少数小颗粒由于重力作用而再次沉积在基材上所造成的。

图10 试样表面经激光清洗和未经激光清洗部分的微观形貌(a)，以及激光清洗前(b)后(c)基底元素的能谱分析结果Figure 10 Micromorphology (a) of the areas on the specimen with and without being cleaned by laser and energy-dispersive spectroscopic analysis results of the elements of substrate before (b) and after (c) being cleaned by laser

对清洗前后的区域分别进行能谱分析。由图10b 可知，清洗前试样表面以C、O 元素为主，分别占51.85%和24.93%，并含有少量Ba、Al、Si、S、Ti 和Ca 元素。因此本文以C、O 两元素表面含量作为衡量清洗效果的主要指标。由图10c 可知，清洗后的试样中C 元素占比约为11.23%，远低于清洗前，而O 元素含量也下降到2.53%，因为在激光烧蚀作用下，漆层中的碳会与清洗环境中的氧结合生成CO2。清洗后仍存在少量C 元素和微量O 元素的主要原因是在清洗过程中未添加保护气体，造成少量汽化油漆杂质二次沉积，以及清洗过程中暴露在空气中的基底发生了氧化。而清洗后的试样中Zn 元素占比最大(约82.10%)，这是由于试样表面的油漆被清洗干净，金属基底的镀锌层完全显露出来。通过对比清洗前后试样表面的元素可知，构成油漆的主要元素是C 和O，这两种元素在清洗后显著减少，说明经激光清洗后覆盖在表面的电泳油漆被有效去除。这与微观形貌图呈现出来的清洗效果一致。以上能谱分析结果表明，在单因素实验得出的最佳工艺参数下进行激光清洗后，试样表面的油漆能够较好地被去除，同时基底不会受到损伤，整体清洗效果较好。

3 结论

本文对电器外观件表面的电泳油漆进行了激光清洗试验，并从除漆后试样基底表面形貌、粗糙度、元素成分等方面分析了工艺参数对漆层清除效果的影响，主要结论如下：

1) 黑白两色油漆对激光的吸收率不同，导致清洗后基材的表面粗糙度不同。在相同的试验条件下，白色油漆的去除难度大于黑色油漆，且对参数变化的敏感性更大。经激光除漆后，黑色油漆试样的基底更为平整、光洁，表面粗糙度更低。

2) 过高的扫描速率使得实际作用在漆层上的激光能量密度降低，导致漆层残留，而过低的扫描速率易造成基体烧蚀和重熔。随着激光功率的增大，表面油漆的清洗效果先变好后变差，功率过高易损伤基体表面。过低的脉冲频率会导致单位时间内激光作用在漆层上的次数减少，漆层不能被有效去除。扫描间距会影响激光清洗路径的重叠率，扫描间距过大(即重叠率过小)易出现清洗盲区，反之易使基底出现重熔损伤。

3) 在激光扫描速率300 mm/s、功率40 W、频率400 kHz 和扫描间距0.05 mm 的条件下，白色油漆的激光清洗效果最好，具有金属外观的镀锌层在清洗后显露出来，基底未被氧化腐蚀。