1、引言

激光清洗技术具有绿色环保、无耗材、能耗低、高度智能化等优点，正逐渐替代传统的机械法和化学法等去污方法，在航空航天、轨道交通、模具、文物修复等领域得到了广泛的应用。激光清洗物体表面油漆主要是干式清洗，以高能量激光照射物体表面，使物体表面油漆受热熔化气化，同时油漆受热膨胀降低与基材的吸附力，在高频激光作用下产生超声波振动，使表面油漆剥离从而达到清洗的目的。目前，激光清洗油漆的机理还有待深入研究，不同光束模式对激光清洗油漆效果的影响还未见相关研究报道。因此，本文对比验证了圆形平顶光斑、方形光斑和高斯光斑3种不同光斑形貌、不同聚焦场镜对50μm厚度油漆的清洗能力及清洗效果，探索哪种光斑形式的激光器和外光路配置更适合清洗油漆。

2、实验方法与设备

实验样板为普通碳钢板Q235、不锈钢板304和铝合金3105，尺寸均为100mm×100mm，厚度为1.5mm，表层为50μm厚度红色油性金属漆。本次试验采用3台不同光束模式的200W脉冲光纤激光器，光斑形貌分别为圆形平顶光斑、方形光斑、高斯光斑。外光路配置采用14mm振镜头、F160mm和F254mm聚焦场镜。采用来回扫描方式扫描出20mm×20mm矩形，计算其清洗效率，并通过光学显微镜分析判断清洗效果及对基材的影响。

3、实验结果与分析

3.1 不同光束模式下激光清洗油漆对比

（1）平顶光斑清洗油漆测试

图1为圆形平顶光斑激光器清洗50μm厚度红色油漆结果。由图3（a）可知圆形光斑能量分布非常均匀，光斑大小直径约为314μm。图1（b）可以看出清洗后暴露基材且油漆清洗干净，效果较好。结合图1（c）可知，此种光斑能量分布均匀，可以保证清洗均匀且对基材无损伤，光斑填充间距较大时也能达到较好的清洗效果。清洗边界线为圆形光斑固有的圆弧轮廓，残留少量漆。此种光斑清洗油漆效率可以达到0.64m²/h，效率效果均较好。

（2）方形光斑清洗油漆测试

图2为方形光斑激光器清洗50μm厚度红色油漆结果。由图2（a）可知方形光斑能量分布较均匀，由图2（b）可知油漆清洗干净且基材还原出金属色，效果较好。图2（c）可知，此种光斑基本可以保证清洗均匀且对基材无损伤，矩形光斑边长为380μm左右，与圆形平顶光斑一样既能保证效率也能保证基材无损伤。清洗边界线为光滑直线，完全没有残留漆。此种光斑清洗油漆效率可以达到0.62m²/h，效率效果均较好。

（3）高斯光斑清洗油漆测试

图3为高斯光斑激光器清洗50μm厚度红色油漆结果。由图3（a）可知高斯光斑能量分布中间强边缘弱，由图3（b）可知油漆清洗干净且基材还原出金属色，效果较好。由图3（c）可知，此种光斑基本可以保证清洗均匀，但基材上光斑中心位置出现凹坑，中心位置能量过大易损伤基材。清洗边界线由于光斑较小且重叠率较高呈较小锯齿状形貌，无油漆残留。此种光斑清洗油漆效率可以达到0.31m²/h，因为此光斑直径较小且边缘能量弱，要想清洗干净油漆光斑需要一定重叠率，因此扫描时需要较小的填充间距，从而清洗效率较低。从宏观形貌分析清洗效果可以，从微观形貌分析可知基底存在一定损伤，清洗效率相对较低。

综上所述：圆形平顶光斑、方形光斑、高斯光斑这3种光斑均能将这50μm左右的油漆清洗干净。就清洗效率而言，圆形平顶光斑能量均匀且光斑大小适中，填充线间距较大时也能保证光斑重叠率，能将油漆清洗干净，清洗效率较高为0.64m²/h。就清洗效果而言，高斯光斑直径较小，中心能量强边缘弱，需要较高的重叠率才能保证油漆完全清洗干净，且中心能量过高易损伤基材，清洗效率较低为0.31m²/h。综合而言，对于清洗油漆，能量分布较为均匀的圆形平顶光斑和矩形光斑更为适合，而高斯光斑因为能量分布不均匀不适合清洗油漆。

3.2 不同基材表面油漆清洗对比

使用圆形平顶光斑和方形光斑对比清洗不同基材表面油漆，如表2所示。圆形平顶光斑清洗不同基材油漆，不锈钢基材存在损伤；碳钢和铝合金清洗效果较好，无基材损伤。方形光斑清洗不同基材油漆，铝合金基材有油漆残留，多次清洗无法清洗干净；碳钢和铝合金清洗效果较好，效率相当可以达到0.64 m²/h左右。针对同种基材，圆形平顶光斑清洗效率高于方形光斑。方形光斑清洗不锈钢基材油漆基本不损伤基材，但不能完全清洗干净铝合金基材表面的油漆。

3.3不同场镜对比测试

针对圆形平顶光斑激光器，对比测试F160与F255场镜的清洗效果，研究发现采用F160场镜清洗后无油漆残留，基材无变色，清洗效率为0.64m²/h。采用F255场镜清洗后无油漆残留，基材表面局部发蓝发黄，表面存在清洗纹理，清洗效率为0.38m²/h。由此可知，F160场镜在清洗油漆中具有明显的优势，清洗效率是F254的1.74倍，清洗后基材呈金属色泽，无色泽变化。

4、结论

圆形平顶光斑、方形光斑、高斯光斑这3种光束模式配置F160场镜均能将这50μm左右的油漆清洗干净。其中，高斯光斑会部分损伤基材；圆形平顶光斑清洗碳钢和铝合金上能将油漆清洗干净，基材无损伤，且清洗效率能达到0.64 m²/h；在清洗不锈钢表面油漆时，方形光斑不会损伤基材表面，清洗效率为0.62 m²/h。因此，综合考虑清洗效果和效率，清洗油漆推荐使用圆形平顶光斑配置F160场镜，若对表面为镜面效果的不锈钢等基材推荐使用方形光斑清洗。