阅读说明：本技术 一种激光刻蚀铝合金表面纹理化的方法 (Method for texturing surface of laser-etched aluminum alloy ) 是由 李绍龙 杨文锋 侯秋园 刘畅 张殊伦 李佐 钱自然 付蝉媛 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种激光刻蚀铝合金表面纹理化的方法,属于飞机铝合金蒙皮加工技术领域,所述方法包括采用激光处理装置中的振镜控制激光的扫描路径,在飞机铝合金蒙皮表面刻蚀出不同的纹理表面,扫描速度2000mm/s,频率90kHz,脉宽0.35μs,扫描次数1次,间距0.3mm,光斑直径50μm,功率24W。通过改变激光的扫描路径使铝合金表面刻蚀出纹理结构,来增加铝合金蒙皮的面粗糙度,表面浸润性,以此来增加铝合金表面涂层的附着力。(The invention provides a method for laser etching aluminum alloy surface texturing, which belongs to the technical field of airplane aluminum alloy skin processing, and comprises the steps of controlling a scanning path of laser by using a galvanometer in a laser processing device, etching different texture surfaces on the surface of an airplane aluminum alloy skin, wherein the scanning speed is 2000mm/s, the frequency is 90kHz, the pulse width is 0.35 mu s, the scanning frequency is 1 time, the interval is 0.3mm, the spot diameter is 50 mu m, and the power is 24W. The surface roughness and the surface wettability of the aluminum alloy skin are increased by changing the scanning path of the laser to etch a texture structure on the surface of the aluminum alloy, so that the adhesive force of the aluminum alloy surface coating is increased.)

一种激光刻蚀铝合金表面纹理化的方法

技术领域

本发明涉及飞机铝合金蒙皮加工技术领域，具体是一种激光刻蚀铝合金表面纹理化的方法。

背景技术

为了提高飞机铝合金蒙皮的耐候性、耐化学性、耐腐蚀性，需要在飞机铝合金蒙皮表面喷涂专用航空涂料，提高铝合金蒙皮表面涂层的附着力一直是民航领域研究的热点之一。研发新型涂料不仅成本昂贵，而且周期长，为了增加涂层附着力，对铝合金蒙皮进行表面改性成为了一种经济有效的方法。

化学法对铝合金表面处理需要经过脱脂、酸洗、清洗等过程，但化学法产生的废液对环境有极大污染。化学法增加附着力，产生废液对环境造成污染，手工打磨对工作人员的熟练程度要求较高，且对工作人员的健康造成影响。

申请公布号CN109719469A公开了一种提高钛合金抗磨损性能的纹理表面加工方法，具有如下步骤：采用珩磨机对钛合金基材表面进行物理研磨；采用清洗液在超声波清洗机中对研磨好的钛合金基材进行清洗并烘干；使用激光打标机按照加工方案对钛合金基材表面进行加工处理；采用精抛光的方法对加工过的钛合金基材表面进行抛光处理；采用清洗液在超声波清洗机中对抛光过的钛合金基材进行清洗并干燥处理。该专利通过控制激光技术的加工参数获得多种表面性能不同的钛合金基材表面，钛合金基材表面的局部硬度、粗糙度和局部弹性模量等性能是不同的，用作工业设备的摩擦时能够获得较低的摩擦系数，表现出较好的抗磨损性能，并且能够承载较高的工作载荷。

申请公布号CN109514174A公开激光纹理化和阳极化表面处理，其包括以下步骤：提供具有金属表面的制品；使用激光对所述表面进行纹理化处理以产生横跨所述表面的受控图案；以及对所述表面进行阳极化处理。所述受控图案可包括一系列凹坑，所述一系列凹坑是以横跨所述表面的预定重复图案(如点阵列或格栅)蚀刻的。所述受控图案还可包括以横跨所述表面的预定伪随机图案蚀刻的一系列凹坑。其用途为用于金属表面的抛光。

目前尚未见有关通过用激光刻蚀纹理结构来增加铝合金表面涂层的附着力的报道。

发明内容

上述现有的要提高铝合金蒙皮表面涂层的附着力时，研发新型涂料成本昂贵，周期长；化学法对铝合金表面处理产生的废液对环境有极大污染的缺陷，本发明的目的是提供一种激光刻蚀铝合金表面纹理化的方法，通过改变激光的扫描路径使铝合金表面刻蚀出纹理结构，来增加铝合金蒙皮的面粗糙度，表面浸润性，以此来增加铝合金表面涂层的附着力。

一种激光刻蚀铝合金表面纹理化的方法，所述方法包括采用激光处理装置中的振镜控制激光的扫描路径，在飞机铝合金蒙皮表面刻蚀出不同的纹理表面，扫描速度2000mm/s，频率90kHz，脉宽0.35μs，扫描次数1次，间距0.3mm，光斑直径50μm，功率24W。

本申请的技术方案中，通过振镜控制激光的扫描路径，扫描速度2000mm/s，频率90kHz，脉宽0.35μs，扫描次数1次，间距0.3mm，光斑直径50μm，功率24W，在飞机铝合金蒙皮表面刻蚀出不同的纹理表面，通过改变激光的扫描路径使铝合金表面刻蚀出纹理结构，来增加铝合金蒙皮的面粗糙度，表面浸润性，以此来增加铝合金表面涂层的附着力。

优选的，激光在飞机铝合金蒙皮表面产生的凹坑直径为45-55μm，凹坑的形状近似为圆形，凹坑叠加而成形成扫描路径。

更为优选的，凹坑直径为50μm。凹坑的深度可以通过调节激光器的功率来调节；路径是由凹坑叠加而成的，通过控制脉冲频率和扫描移动速度可以改变光斑的搭接率，进而影响表面的粗糙度。

优选的，纹理表面为菱形。菱形的粗糙度和浸润性最好，对增加涂层的附着力最有利。

优选的，纹理表面为正方形。使用波长1064nm脉冲激光设备进行表面纹理化处理，扫描路径是由光斑的叠加形成的直线。根据预设扫描路径对飞机铝合金蒙皮表面进行处理，使铝合金表面形成正方形的交错线，正方形纹理结构，来增加铝合金蒙皮的面粗糙度，表面浸润性，以此来增加铝合金表面涂层的附着力。

优选的，所述激光处理装置包括载物台，所述载物台的上方设置有激光加工头，所述激光加工头与电脑服务器电连接，所述电脑服务器还与激光器电连接，所述激光器发射激光束进入所述激光加工头的输入端，所述激光加工头将激光束向下照射于所述载物台上部的飞机铝合金蒙皮表面，所述激光加工头由六轴机械臂控制。将需要对飞机铝合金蒙皮表面处理的图形预先输入电脑服务器，振镜来调节扫描路径，通过更换场镜与调节功率控制光斑大小，通过控制脉冲频率和扫描移动速度可以改变光斑的搭接率，通过电脑服务器可以调节激光器的功率，通过六轴机械臂控制的动态激光加工头在待处理试样上有合适的位置进行调节，电脑服务器控制激光器在需要刻蚀的部位出光，完成刻蚀。

更为优选的，所述六轴机械臂的下部设置有固定支座。

更为优选的，所述激光加工头中设置有用于调节激光束扫描路径的振镜。

更为优选的，所述激光加工头中还设置有用于实现自动对焦的距离感应器。距离感应器可以实现自动对焦。

优选的，所述激光器为脉冲激光器，波长为1064nm，平均功率120W。

本申请的技术方案中：

每条扫描出的平行线之间的距离为300μm；

激光器为120W红外光纤激光器；

本申请的纹理化后可不经过任何处理，直接进行喷涂。

较于现有技术，本发明的有益效果是：

(1)通过改变激光的扫描路径使铝合金表面刻蚀出纹理结构，来增加铝合金蒙皮的面粗糙度，表面浸润性，以此来增加铝合金表面涂层的附着力；

(2)凹坑的深度可以通过调节激光器的功率来调节；路径是由凹坑叠加而成的，通过控制脉冲频率和扫描移动速度可以改变光斑的搭接率，进而影响表面的粗糙度；

(3)使用波长1064nm脉冲激光设备进行表面纹理化处理，扫描路径是由光斑的叠加形成的直线。根据预设扫描路径对铝合金表面进行处理，使铝合金表面形成正方形的交错线，正方形纹理结构，来增加铝合金蒙皮的面粗糙度，表面浸润性，以此来增加铝合金表面涂层的附着力；

(4)菱形的粗糙度和浸润性最好，对增加涂层的附着力最有利；

(5)现有激光技术对铝合金表面的处理的方式一般是尽量使铝合金表面全部处理，这样的处理会造成粗糙度过大，涂料无法渗透到激光刻蚀的凹槽内，影响涂层附着力。与现有技术相比，对铝合金表面进行纹理化处理可以根据涂料的粘稠度来选择相应的图案，通过控制扫描间距、更换场镜等方式来改变铝合金蒙皮表面的粗糙度，使涂料与基材的结合力达到最大；

(6)将需要对飞机铝合金蒙皮表面处理的图形预先输入电脑服务器，振镜来调节扫描路径，通过更换场镜与调节功率控制光斑大小，通过控制脉冲频率和扫描移动速度可以改变光斑的搭接率，通过电脑服务器可以调节激光器的功率，通过六轴机械臂控制的动态激光加工头在待处理试样上有合适的位置进行调节，电脑服务器控制激光器在需要刻蚀的部位出光，完成刻蚀。

附图说明

图1是本申请激光处理装置的结构示意图；

图2是本申请菱形的纹理表面结构示意图；

图3是本申请正方形的纹理表面结构示意图；

图4是本申请飞机铝合金蒙皮表面的原始表面三维轮廓图；

图5是本申请飞机铝合金蒙皮表面处理后菱形的三维轮廓图；

图6是本申请飞机铝合金蒙皮表面处理后正方形的三维轮廓图。

附图标记：1-激光器，2-六轴机械臂，3-激光加工头，4-待处理试样，5-载物台，6-固定支座，7-电脑服务器。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1和图2所示，一种激光刻蚀铝合金表面纹理化的方法，所述方法包括采用激光处理装置中的振镜控制激光的扫描路径，在飞机铝合金蒙皮表面刻蚀出不同的纹理表面，扫描速度2000mm/s，频率90kHz，脉宽0.35μs，扫描次数1次，间距0.3mm，光斑直径50μm，功率24W；激光在飞机铝合金蒙皮表面产生的凹坑直径为50μm，凹坑的形状近似为圆形，凹坑叠加而成形成扫描路径，纹理表面为菱形。

实施例2

如图1和图3所示，凹坑直径为45μm，纹理表面为正方形，其余均同实施例1。

实施例3

如图1和图2所示，凹坑直径为50μm，纹理表面为菱形，其余均同实施例1。

实施例4

如图1所示，所述激光处理装置包括载物台5，所述载物台5的上方设置有激光加工头3，所述激光加工头3与电脑服务器7电连接，所述电脑服务器7还与激光器1电连接，所述激光器1发射激光束进入所述激光加工头3的输入端，所述激光加工头3将激光束向下照射于所述载物台5上部的飞机铝合金蒙皮表面，所述激光加工头3由六轴机械臂2控制；所述六轴机械臂2的下部设置有固定支座6；所述激光加工头3中设置有用于调节激光束扫描路径的振镜；所述激光加工头3中还设置有用于实现自动对焦的距离感应器；所述激光器1为脉冲激光器1，波长为1064nm，平均功率120W。

实施例5

对实施例1-4得到的菱形或正方形的飞机铝合金蒙皮表面先用无水乙醇进行简单擦拭去除表面杂物，选用宣伟RECOATABLE EPOXY 300型环氧双组份航空专用涂料，用喷枪均匀喷涂到试样表面，涂层厚度控制在40～50μm，喷漆环境温度控制在20-24℃，优选为22℃，相对湿度控制在53-57％，优选为55％，采用萨塔SATAjet H型喷枪，喷涂气压50MPa，喷涂过程中使用QJT-2.3M漆雾净化装置，符合油漆施工技术指标以及国标GB 14444-93《喷漆室安全技术规定》。室温下放置7d，在涂层实干之后使用美国DeFelsko PosiTest AT-A型拉脱法附着力仪，测试其附着力。根据GB/T 5210-2006《色漆和清漆拉开法附着力试验》要求，试验前试样应在温度23℃，相对湿度50％的条件下放置至少16h，使用专用胶水将试柱与涂层紧密结合，每个试样测试6组，取得的数值取平均值，如表1所示。

表1不同处理方式的试样涂层附着力

原始试样的附着力大小为6.71MPa，正方形试样与菱形试样的附着力相较于原始试样提升了70％左右。

试验例1

如图4，5和6所示，使用德国奥林巴斯OLS4100型激光共聚焦扫描显微镜测试(LSCM)表面粗糙度，采用5倍物镜进行测试，其中原始表面的粗糙度为1.9μm，菱形激光处理的表面粗糙度达到了7.9μm，粗糙度的提升明显。

试验例2

如图4，5和6所示，采用德国KRUSS的DSA100型视频接触角测量仪对试样表面的接触角进行测试，以蒸馏水为测试液，原始表面的接触角大小为53.8°，激光处理过的表面接触角大小为25.6°，可见激光处理之后的试样表面有更好的浸润性。

试验例3

如图4，5和6所示，采用美国DeFelsko PosiTest AT-A型拉脱法附着力仪测试表面涂层附着力，试样经过喷涂之后对附着力进行测试，原始试样附着力的大小为6.71MPa，经过激光处理的试样涂层附着力大小为11.53MPa，可见激光表面纹理化处理能有效提升涂层附着力。

本申请中，图2和图3中的标尺(1-500μm)显示放大比例。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。