飞机蒙皮激光脱漆技术

摘要：飞机蒙皮激光脱漆技术具有广阔的市场前景，本文简要地介绍了飞机蒙皮激光脱漆技术的研究进展状况，对激光脱漆技术的市场应用前景及推广应用中需要解决的关键技术问题进行了分析，提出了首先在中国推行该技术的设想。

关键词：激光脱漆  飞机蒙皮  激光清洗

1 引言

    飞机蒙皮激光脱漆是激光清洗技术最有前途的应用之一。目前在国际上，特别是在欧洲，激光清洗技术在文物保护等一些领域已获得成功应用[1]。德国、意大利、法国等已有多家激光公司专门生产激光清洗设备，这些公司大都成立于上世纪90年代。象Coherent Inc.这样的一些老牌激光公司也已涉足激光清洗领域。这些激光清洗设备大多使用脉冲式YAG或脉冲式CO2激光器。

    对于有着广阔市场的飞机蒙皮脱漆，当前这些激光清洗设备是难以胜任的。这主要是飞机维修公司一般要求在一两天之内就要完成整架飞机的脱漆任务，而市场上出售的这些激光清洗设备还没有如此高的脱漆速度。因此，近年来国内外有多家研究机构在飞机蒙皮激光脱漆方面开展了研究工作，本文将结合我国情况, 对激光脱漆的市场前景、关键技术问题以及研究工作进展作一简单综述。

2 飞机脱漆的国内市场分析

    笔者无意于分析国际市场，因为国内市场就足以说明飞机蒙皮激光脱漆技术光明的应用前景。

    截至02年，中国民航已拥有441架客机。据报道，在未来20年内，我国需要起飞重量100吨左右的大型飞机1500余架[2]。中国航空工业第一集团发布的报告则称，到2023年，我国客货运输机将达2769架[3]。如果把军机和通用飞机考虑在内，我国的飞机数目是非常庞大的。飞机每隔5年左右就需脱漆大修一次，现在使用的脱漆剂方法，不但污染环境，损害操作员健康，而且费用昂贵。笔者调查过，我国某中型运输机脱漆时，每架需要脱漆剂2.4吨，每吨脱漆剂价值3.8万人民币。由此可知，该型飞机的脱漆费用，光脱漆剂一项就需9万余元。若使用激光脱漆技术，飞机的脱漆费用无非是激光器的耗电而已。

    不妨假设飞机激光脱漆需要一台5千瓦的TEA CO2激光器，连续工作两天可以完成整架飞机的蒙皮脱漆任务。考虑TEA CO2激光器的电光转换效率为10%，则耗电量是2400度（5×24×2/10%），电费1200元（假设电费为0.5元/度）。所以，在经济性方面，对激光脱漆技术而言，一旦进行了一次性投入，其运行成本明显优于目前使用的脱漆剂方法。

3 飞机激光脱漆的关键技术问题

    飞机对安全性有着近乎苛刻的要求，所以，在航空工业部门，无论生产还是维修，对每一道工序的改进，首先想到的不是成本，而是安全。因此，激光脱漆要代替传统的脱漆剂法，首先要提供的，就是安全保证--激光脱漆不会对飞机蒙皮有丝毫的损伤。

    文献[4]称，Al2024T3试样经CO2激光脱漆，抗拉性能有所下降，疲劳强度会提高。我们为此专门作过实验[5]。实验样品取自真实的飞机蒙皮，样品经重复频率为60Hz，能量密度高达83J/cm2的强TEA CO2激光进行脱漆。脱漆后的拉伸实验数据表明，实验样品并不会因为激光辐照而导致强度失效。实际上，CO2激光脱漆的最佳能量密度是6J/cm2。我们之所以使用83J/cm2如此高的能量密度，是想证实，既然高能量密度激光都不会损伤蒙皮，那么使用相对低得多的能量密度激光(6J/cm2)进行脱漆，应当不会对飞机蒙皮的力学性能构成影响，激光脱漆符合飞机的安全性要求。

    如果激光脱漆的速度缓慢，就会拖延飞机的维修时间，由此导致的经济损失是相当严重的。所以，只有激光脱漆的速度达到，乃至超过脱漆剂法的脱漆速度，也就是每小时可以剥离约22m2的蒙皮漆层，激光脱漆的优点才会得以体现。这些优点就是：由于不使用化学试剂从而无毒无污染，可实现自动控制、使用成本低等等。

    总之，开发飞机激光脱漆技术，关键是解决两个问题，一是对飞机的安全保证，二是提高脱漆速度，使其起码要与目前使用的脱漆剂方法的速度相当。而脱漆速度将是制约激光脱漆技术推向应用的关键因素。

4 飞机激光脱漆的研究进展
由于飞机维修的诱人市场以及目前使用的脱漆剂方法的严重污染问题，自激光清洗概念一产生，就一直有人在研究飞机激光脱漆技术。但目前在世界市场上还没有飞机激光脱漆系统出售。

    早在上世纪80年代，美国 Woodroffe等人就对激光脱漆进行了卓有成效的研究[6]。他们使用脉冲能量1kJ、脉宽20μs 、重复率10Hz的CO2激光器进行激光脱漆。由于缺乏经济上可接受的脉冲式CO2激光器，那时还无法将激光脱漆技术实用化。
在有的文献[7] 中定义了参数Q*（kJ/g），其值等于消耗的激光能量除以脱掉的漆的质量，用Q*值可方便地度量脱漆效率。Q*值可方便地换算成其他用以度量脱漆效率的参数。国内有人试验了用连续CO2激光器脱漆[8]。在激光功率密度为0.3W/cm2的情况下，以400mm/min的速度扫描一次样品，漆层即可完全去掉。他们的样品与真实的飞机蒙皮完全一样。铝质基底在连续波扫描下温度升高很显著，许多激光能量被基底吸收了，既易损伤基底又抬高Q*值，降低脱漆效率；连续波的激光功率密度也比脉冲式要低。所以，脉冲式激光器更适合于飞机脱漆。 
许多研究表明，CO2激光脱漆的最佳能量密度是6J/cm2/脉冲[7][ 9]。此时，上述Woodroffe等人使用的激光峰值功率密度高达300kW/cm2（脉宽为2 0μs），这要比上述的连续CO2激光器脱漆的功率密度（0.3W/cm2）高得多。但决不是功率密度或能量密度越高，就越容易剥离漆层。我们的实验表明，在消耗相同的激光能量的情况下，当能量密度高于某一值时，所剥离的飞机蒙皮的漆反而变少。产生上述现象的原因，据我们的初步分析，与激光能量的耦合过程有关，进一步的研究工作目前尚在进行中。

    德国同行们专门为激光脱漆而研制了一台高功率TEA CO2 激光器[10]，参数为：平顶模输出，单脉冲能量9J，重复频率330Hz。飞机漆层厚度100μm，在 6J/cm2 的能量密度下，需15个脉冲完全剥离。由此可估算出脱漆速度为79200cm2/h（330×60×60/15），若三台这样的激光器同时工作，则完全可挑战22m2/h的脱漆剂法的脱漆速度。由于大型飞机的表面积约1600m2，故要求激光器能够稳定工作72小时以上，也就是在两次维修之间能够发射108个脉冲以上〔72×60×60×330〕。在漆层密度为1.5g/cm3的情况下，易知此时Q*值为6kJ/g。
日本人也报道TEA CO2激光器脱漆的实验[11]。他们的激光能量密度是5J/cm2，重复频率100Hz，扫描速度25mm/s，同一区域扫描3次即可完全脱漆。在基底刚暴露出来时，立即撤离激光并测量基底温度，发现对于铝质基底，温度升高10℃，2s后恢复到室温；对于复合物基底温度竟升高到110℃。若在脱漆的同时对辐照面吹以氮气，则在基底刚暴露出来时撤离激光并测量基底温度，发现复合物基底温度升高到70℃，6s后恢复到室温。
美国有人用波长为1064nm的Nd:YAG激光器进行脱漆时，发现Q*值会更低,但容易损伤复合物基底[7]。样品在激光扫描前后都用微量天平称量，由此得出所脱掉的漆的质量，以此来确定Q*值。激光器脉宽15 ns-25ns，他们的样品来自F-15战斗机，当激光能量密度超过1.5J/cm2/脉冲时，Q*值低达3kJ/g。
华中理工大学也做了Nd:YAG激光器脱漆的实验[12]。脉宽200ns, 重复频率3.7kHz，聚焦光斑直径0.09mm。 他们自己给铝板着漆制备样品。该文中所用“激光能量密度”一词似乎指单位面积所接收到的总激光能量。按此理解使用“激光能量密度”一词，他们的结果指明，完全脱漆所需的“激光能量密度”为44.2J/cm2，而“激光能量密度”加到45.9 J/cm2时，铝板有损伤。

    激光脱漆使用的激光器大多是脉冲式Nd:YAG和 TEA CO2激光器。由于下列原因，我们更倾向于使用TEA CO2激光器。1.金属对长波长的激光吸收弱，对短波长激光吸收强。对于铝材（蒙皮）而言，对10.6μm激光的吸收比为0.019，而对1.06μm的激光，吸收比达0.08[13]。所以，选用TEA CO2激光器有利于保护蒙皮。2. 穿透深度正比于波长，10.6μm的CO2激光要比1064nm的Nd:YAG激光的穿透深度要深，加之考虑到TEA CO2激光器容易实现大功率和高的电光转换效率，这刚好迎合飞机脱漆要求的高速度。所以，最适合用于飞机蒙皮激光脱漆的激光器是TEA CO2激光器。

5 积极在中国推行飞机激光脱漆技术

激光清洗领域的专利，美国目前约有54项，中国还是空白[14]。虽然，中国第一台激光器的诞生只比美国晚了一年，但在产业化方面的差距却由此可见一斑。笔者想引用这样一段话来表述自己的感想：“由于国家、地区、社会集团乃至性别上的差异，科学的多数恩惠都被不平衡地分配了。因为科学知识已成为创造财富的关键因素，它的分配就显得更加不公平了。贫者与富者（无论是人还是国家）的区别不仅是前者占有较少的资产，更严重的是他们在很大程度上被排斥于科学知识的创造与受益之外。”[15]
激光界应该更加积极地向政府有关部门及飞机维修公司等企业宣传激光技术，以寻求更 广泛的支持，力争在政府的支持与引导下，有更多企业参与到该技术的开发中来，共享技术收益，分担开发成本。我国作为一个幅员辽阔、人口众多、拥有庞大机群数量，并且航空需求高速增长的国家，飞机激光脱漆技术在我国具有非常广阔的应用前景。我们应该一起努力，力争早日研制出具有我国自主知识产权的