文摘
可靠性和可控性的选择性删除多个飞机蒙皮表面的漆层依赖于有效的在线监测技术。分析了多脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)表面的铝合金基体、底漆,面漆。基础上,探索对特征峰的变化对应于特征元素中包含的面漆,底漆、基质和不同层的激光行动,结合分析微观形态、成分、和激光多脉冲坑的深度。结果表明,外观和Ca的特征峰强度增加我在422.7 nm的波长可以被看作是轻便外套完全删除的基础;特征峰强度的减少或消失可以被视为完整的切除底漆的基础。艾尔我光谱波长的394.5和396.2 nm可以用来描述铝合金基体损伤的程度。库技术的可行性和准确性激光选择性油漆去除过程和效果监测飞机蒙皮的验证。证明的前提下不破坏基质,激光从飞机蒙皮分层控制油漆去除(LLCPR)可以通过监测特定波长的光谱和组成变化规律位置对应到特征元素包含在特定的漆层。
1。介绍
飞机蒙皮的表面涂层是一种复杂的多层结构,可以实现其功能和装饰。然而,飞机将不可避免地受到自然侵蚀和化学腐蚀的影响在其操作和服务,这将导致老化、开裂和剥落的油漆在皮肤表面。
为了确保飞机的安全可靠运行,整体或部分油漆去除从皮肤和喷漆要求恢复其表面涂层修复期间,维护,客运和货运飞机修改或更换载体。这些过程应根据分层控制油漆去除(LCPR)或厚度控制油漆去除(TCPR)需求的飞机维护手册(AMM) (1]。
目前,有一些缺陷在常见的化学方法,手工抛光,和喷丸加工过程应用于工程,如严重污染,损害健康,和相当大的费用2]。除此之外,它是繁琐和不可控厚度测量结合的方法统计和工程经验来判断油漆去除过程中,有限的高消耗和低效率。很难满足需求的油漆去除过程的在线监测和反馈和效果的质量控制从飞机蒙皮漆去除。
最近,激光除漆已经收到了广泛的关注,由于其效率高、精度高、“绿色”,情报和可控性。这种技术是指一种技术的辐射高能激光束的部分油漆要删除,使用烧蚀、振动、油漆和等离子体效应和基质去除油漆表面的材料(3]。这种技术被广泛用于钢铁(4)、汽车(5],核能[6),和其他领域,预计部分或完全取代传统的去除方法。
激光诱导击穿光谱(LIBS)尖端技术领域的在线监测和反馈。原则是集中表面的激光脉冲能量密度高的样本进行测试,和表面等离子体将很兴奋。和通过分析特征谱线的电子能级跃迁辐射粒子在等离子体,定性或定量的信息中包含的元素的示例。这种技术的特点是效率和准确性7]。如今,有丰富的库系统已经成熟地应用在火星探索8,9)、医药(10)、食品(11),环境监测12),文物和艺术品13),金属回收14),和土壤成分分析(15]。
激光除漆和基于相关性的原则库,库技术可以集成到激光除漆过程,在这个过程中产生的等离子体(16]。油漆去除过程的等离子体光谱可以在线收集确定油漆去除效果。根据油漆去除效果,清洗条件将调制在清洗过程中为了实现智能控制。这种调制可以减少伤害的风险不匹配引起底物的结构和性能参数的设置。这是意料中的实现自动监控和优化控制激光清洗的17]。
目前,学者们进行了许多研究库在线监测和反馈的激光清洗过程。邢李等人应用中实时监测激光清洗的困难为热轧不锈钢氧化层,结果表明,铁的相对强度比(RIR)我发射线为520.9 nm和Cr发射谱线可以定量指数在589.2监控清洗过程。当RIR大幅减少在当地区域的表面清洁,激光的能量应该增加到确保有效去除氧化层(18]。蓝翔太阳等人利用LIBS技术设计的激光在线监测系统清洗质量的碳纤维复合材料;Na我在588.955和589.414 nm特征谱线选择;和皮尔森相关系数分析方法用于在线评估激光清洗效果(19]。Yanqun通等人也研究了激光清洗的填词光谱在线检测碳纤维复合。S II光谱波长为393.3和589.5 nm可以有效地描述表面清洗质量在线(20.]。此外,Yanqun通等人还研究之间的关系库特征线和脉冲数字激光清洗过程中铝合金焊接前提出了O / Al特征线强度比率作为在线检测清洗效果的基础和二次氧化损伤。用于验证和x射线光电子能谱分析判断的准确性基础(21]。激光除漆而言,基于LIBS技术,康熙陈等人在线测量了库的油漆表面在不同的纳秒激光能量,分析了漆烧蚀形貌的扫描电子显微镜(SEM)和x射线能谱仪用于测量元素组成的变化前后激光除漆。确认的消融效果激光除漆过程(22]。陈林等人测量了等离子体的光谱信号在激光切除单层铝合金表面的油漆。他们调查的演变特征元素的光谱特征峰强度随着时间的推移在油漆(23]。琼花周等人安装的时间分辨特性LIBS特征峰。他们的发现表明它是可行的监测激光除漆过程监控的突然变化的比率背景光谱的特征光谱特征峰在一个固定的时间(如0.3µs) (24]。上述研究证明激光清洗质量的在线监测的可行性与LIBS技术。然而,几乎没有努力探索激光分层控制油漆的监测方法去除(LLCPR)和激光厚度控制油漆去除(LTCPR)复杂的多层漆结构皮肤表面的飞机。
在这项工作中,我们研究了单脉冲切除过程中单层油漆和两层油漆表面的铝合金飞机蒙皮。多脉冲连续LIBS信号被用来确定特征元素和相应的特定层的特征峰。填词的特征峰的变化和特定的漆层和脉冲数字进行了探讨。此外,库在线监测的方法,基于激光分层控制油漆去除(LLCPR)铝合金飞机蒙皮进行了分析。
2。实验部分
2.1。实验设备
徕卡的德国马克M LIBS装置是用于这项工作。德国米光学显微镜的分辨率为2.35μ米×2.35μm,Z设在精度为0.3±0.1μm。库系统是由脉冲氮激光器和CCD光谱仪。激光波长为337.1 nm;脉冲能量是90μJ;重复率是1赫兹;脉冲宽度是3 ns;光斑直径是15μ米的焦点;和收集光谱波长范围是360 nm - 700 nm。在测试过程中,激光束通过聚焦透镜焦距为120毫米,使能量集中在样品表面;激光产生的等离子体辐射谱耦合到一个光谱仪(和或Me5000)光纤探测器光谱托收;系统软件(LAS X)自动预处理收集到的原始光谱数据归一化、降噪等。激光和谱仪同步控制的数字延迟发生器(伯克利原子核物理学集团、BNC575)和引发的问切换信号的纳秒激光。避免过度激光作用在样品表面,样品被放在一个三维翻译阶段,以便每个激光脉冲可以作用于一个新职位的样本。一个原理图的实验装置如图1。
2.2。实验样品
2024 - t3铝合金通常用于飞机蒙皮。原铝合金表面进行脱脂,净化和抛光,然后均匀喷黄色环氧底漆厚度约为30μm和白色聚氨酯面漆的厚度约60μm。图2显示了一个两层的观察结果截面喷漆样品三目的连续变焦的协助下立体显微镜。铝合金基体、黄色的底漆和白色大衣可以观察到。引物的厚度大约是30.10μm,轻便外套是60.15μm。
3所示。多脉冲LIBS分析铝合金基质
3.1。特征峰的多脉冲LIBS的铝合金基质
激光是专注于表面的样本进行测试,和材料的表面吸收激光能量来产生等离子体。在等离子体冷却过程中,特定频率的光子,即元素的特征谱线,是生成的。图3显示了360 nm - 700 nm LIBS第一pulseapplied预处理后的光谱,铝合金基体的表面垂直。
根据原子光谱数据库(ASD)的国家标准与技术研究院(NIST),在第一个脉冲的主要特征谱线校准,表中列出1。Mn的特征峰,我,铜,铬,锌,Mg我,如果我发现了。光谱及其对后续的脉冲强度看起来一样,如第三和第五脉冲。通过比较与数据库标准光谱,测量相关光谱中有错误,可能是由于环境因素和基体效应。基体效应的原因是样品的物理和化学性质上的差异,以及非线性激光和物质之间的相互作用。这种非线性导致电子温度、电子密度和消融在激光烧蚀,影响等离子体生成和扩张(25,26]。
3.2。多脉冲LIBS坑在铝合金基体
坑的深度由激光在样品表面沿入射方向被定义为激光作用深度。德国M采用光学显微镜和景深合成法测量的行动深度第一,第三,第五激光脉冲。测量深度约为2.30μ6.56米,μ7.17米,μm,分别。表明累积吸收的激光能量增加铝合金与脉冲数的增加,导致一个更强烈的物理和化学反应之间的激光和铝合金。因此,激光作用深度增加。
坑表面的铝合金基体后第五个激光脉冲被选为微观形态和成分的研究。测试结果的扫描电子显微镜(SEM)和能量色散谱(EDS)数据所示4(一)和4 (b),分别。结合EDS原来的铝合金,结果如图4 (d)比较EDS成分测试结果和填词。
(一)
(b)
(c)
(d)
在图4(一),它可以观察到第五下的基质激光脉冲已经完全切除和熔融状态。原因是衬底的表面温度在坑区激光行动达到铝合金的熔化温度最低 )。EDS测试结果表明,坑的成分后的铝合金基体表面的第五个激光脉冲与原来的铝合金是相一致的。然而,锌元素的含量增加,而镁元素的减少。这种差异可能是由于铝合金的表面温度瞬间达到温度的上升锌( )当高能激光与铝合金然后存入坑。数据5(一个)和5 (b)显示EDS的锌元素的分层图像原来的铝合金和坑;锌的浓度的增加。此外,由于高温条件下,镁反应各种气态物质,如O2N2、有限公司2,它可能是不一致的元素组成的晶体颗粒形成的固体物质。水晶谷物被用来弥补坑可能不包含镁元素,如圆形区域在图所示5 (d),诱导减少Mg的内容元素。
(一)
(b)
(c)
(d)
EDS和LIBS检测到相同的元素组成,它们展示了LIBS的可行性分析样品表面的成分。
自从铝元素的含量是最高的峰值强度敏感谱线达到最大值,艾尔。我在394.5和396.2 nm谱线可以选择作为一个参数来评估是否在铝合金激光作用。
4所示。多脉冲LIBS分析油漆
4.1。环氧底漆的光谱特征峰
确定之间的相关性LIBS信号和激光除底漆,分析进行填词的变化沿底漆表面不同的脉冲数字信号。
图6(一个)显示了LIBS第一个脉冲的频谱底漆表面垂直。Ti的多个峰值,钙、锌检测,总结了相应的波长位置表2。Ti的特征峰强度我到达最大值为453.6 nm。
数据6(b) -6(f)显示了LIBS信号脉冲数时,3,5,10,20日和23日。特征峰图是一样的6(一个),钛元素的平均线强度大于Ca和锌元素。它可以证明,底漆的组件元素含有钛、钙、锌、钛的内容可能比钙和锌。
33岁的脉冲数时的特征峰Mn我(383.5海里),我(394.5和396.2 nm),铜(484.2 nm),我毫克(517.2和518.4 nm)出现,而锌我468.0 nm, Ti, Ca元素都消失了,如图6(g)。比较铝合金在图的特征峰3和表1,它可以观察到,激光表面的铝合金脉冲。锌的特征峰的变化表明,在相同条件下,有一个等离子体谱线的位置之间的相关性后兴奋的材料吸收激光能量和材料特性。
当脉冲的脉冲数是36,Cr(472.3海里)元素含量较低(0.10%),铝合金出现,如图6(h)。
此外,分析了微观形态的坑后第36脉搏。在光学显微镜下,可以观察到金属光泽和熔融铝合金在烧蚀坑的底部,如图7(一)。深度测量的激光行动结合景深measurementwas约42.61μ米,如图7 (b)厚度大于30μ米的底漆。因此,它可能表明,铝合金基体上的激光作用在这个脉搏。
(一)
(b)
激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)函数的3 d分析器(Sneox 090)是采用扫描坑之间的接口和原来的油漆表面。平均高度之间的差异双方的接口被10个重复测量计算。和36个脉冲的平均作用深度约为42.5602μ米,如图8(d)测量值的标准偏差为0.7709。数据8(一)-8(c)显示十之一测量的结果。图8(c)是一个原理图的横截面绘制基于图中的虚线的高度8(一);测试结果是42.5090μm。展示了景深测量是准确的。
根据元素的特征峰的变化在第33脉搏,特征峰的锰、铝、锌、铜、钛、Ca可以选择监控底漆删除过程。特征峰的消失的Ti、钙、锌和锰元素或特征峰的出现,铝,铜可以演示的底漆。此外,原子状态特征peaksTi和Ca是最敏感的at453.6和422.7 nm,分别。锌元素的内容在颜料和填料的涂料很低,不敏感的特征峰和类似于基质特征峰在481.1海里;锰和铜元素的内容在2024铝合金很低,和特征峰不明显;高强度铝元素的特征峰的出现证明了基板已经损坏。基于上述事实,Ca的谱线强度我422.7 nm, Ti在453.6海里被选作为参数来评估是否底漆可以完全移除。
图9显示了艾尔的特征峰强度的变化我在394.5和396.2 nm, Ca II 393.4 nm, Ca底漆切除过程中我在422.7海里。它可以观察到,与脉冲数的增加,钙元素的特征峰强度先增加,然后突然消失当铝元素的特征峰突然增加。它可以证明,激光的行动过程的延续和底漆,底漆的特征元素的特征峰变得越来越明显。激光应用于衬底时,敏感的特征峰谱线特征元素的底漆立即消失,和敏感的特征峰谱线的敏感元素基质特征元素立即出现。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
4.2。聚氨酯面漆的光谱特征峰
确定LIBS信号之间的对应关系和激光去除的面漆和底漆去除的过程中,我们分析了LIBS信号变化在不同的脉冲数字的面漆的表面。
图10(a)展示了库的第一个脉冲作用表面垂直的面漆。相同的Ti我峰值底漆和Na峰值为588.9海里(588.9951海里)被检测到。它可以证明,Ti和Na白色聚氨酯面漆,表面元素和钛元素的内容是高的面漆和底漆。
后10日20日、30日和第39脉冲垂直作用在大衣,填词频谱保持不变,如图10(b) -10分别(e)。这意味着激光还作用于轻便外套。
激光行动的深度继续增加。当脉冲数量达到40,Ca二世的特征峰(393.4海里),Ca (422.7 nm),和锌(468.0 nm, 481.1海里)出现,和Na (588.9 nm)的特征峰消失,如图10(f)。相比之下,图6,它可以观察到,在这个脉冲激光可能作用于底漆。因此,Ca II的光谱强度为393.4 nm, Ca我422.7 nm, 468.0 nm,锌481.1 nm, Na我可以选择588.9 nm的参数评估是否轻便外套已经完全移除。
当脉冲numberwas 45、62和64年,分别的LIBS频谱图是一样的10(f),如图10(g) -10(我)。
当脉冲数是65,铝元素在394.5和396.2 nm出现;钙和锌的特征峰消失;和Ti保持不变的特征峰,如图10(j)。它可以证明,激光刚刚采取了铝合金基体,和铝元素对铝合金基体的外观很敏感。因此,Ca II的光谱强度为393.4 nm, Ca我422.7 nm,锌468.0或481.1 nm,“我在394.5或396.2 nm可以作为评估的参数选择引物是否已经完全被切除后的面漆。
根据上面的分析,不同激光清洁的漆层与LIBS特征峰。填词钠元素的特征峰的存在表明,激光清洗夹大衣。的增加中钙元素的特征峰表明,激光开始打扫底漆。当库高强度铝元素的特征峰的出现,这表明,激光开始损坏衬底。
通过全面分析元素的谱线强度的敏感和损坏衬底,Ca的特征峰强度的增加我为422.7 nm可以选择为基础的。特征峰强度的降低可以选择为基础的底漆。图11显示了LIBS信号的变化在不同的脉冲数字Ca的我422.7 nm垂直表面的面漆。它可以观察到,在40脉冲强度增加和减少的65脉冲。
5。结论
库技术是用来测量光谱信号改变表面的铝合金,底漆,面漆在不同脉冲数。可能得出的结论是,填词的外观特征峰的Ca为422.7 nm表明夹大衣完全移除,和特征峰的消失表明底漆激光除漆过程中完全删除。填词的外观特征峰的我在394.5或396.2 nm表明激光作用在铝合金基体上。这项工作的结果可以证明库特性的峰值特征元素的特定的漆层的信号改变激光除漆过程中,激光分层控制油漆去除(LLCPR)可以实现,证明了可行性的LIBS技术激光除漆过程的在线监测和反馈。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。
确认
这项工作是财务支持的(我)四川省科技计划项目“研究和开发的飞机皮肤激光自动除漆设备”(2021 yfsy0025),(2)成果转化项目的中国民用航空飞行大学“激光智能表面处理技术研究和应用的纤维增强复合材料组件”(CJ2019-03),和(3)研究生研究和中国民用航空飞行大学创新基金项目“激光除漆的监控和反馈研究基于LIBS技术”(X2021-9)和(iv)本科生创新和创业项目”的演化规律,研究表面等离子体光谱在厚度方向上的飞机蒙皮漆”(S202110624074)。