1. 引言

随着航空制造业的快速发展，7075铝合金因其优异的比强度与耐腐蚀性，广泛应用于飞机蒙皮、结构件等关键部位。在长期服役过程中，其表面防护漆层易出现老化、剥落现象，亟需高效的再制造处理技术。传统机械打磨与化学溶剂除漆方法存在基材损伤率高(约15%~20%)、环境污染严重等问题[1]，而激光除漆技术凭借非接触、选择性去除等优势，逐渐成为航空维修领域的研究热点[2] [3]。然而，传统的激光模式在去除高附着力漆层时面临显著挑战：连续激光易引发基体热积累导致微观组织相变[4]-[6]，纳秒激光则因能量密度不足难以实现高效剥离[7]-[9]。如何通过激光参数协同控制热力耦合效应，成为提升除漆质量的核心问题。

近年来，复合激光技术为解决上述矛盾提供了新思路。研究表明，连续激光与脉冲激光的时序组合可实现材料预热–冲击剥离的协同作用：He Cao [10]等采用纳秒–皮秒组合短脉冲激光分析了其与CCD相互作用过程中的温度场和应力场的分布，但未涉及热应力演化机制分析；Xianshi Jia等[11]使连续激光器和纳秒脉冲序列组合脉冲激光，用于在不使用高压气体射流的情况下钻孔Q235B钢，然而其模型未考虑相变潜热对温度场的影响。与此同时，气流辅助技术被证实可有效调控激光加工过程中的热力学行为：Weina Zhao等[12]研究了在超音速风洞中连续波激光作用下层压碳纤维增强塑料(CFRP)的烧蚀行为，但缺乏对气固耦合传热机制的定量描述。现有研究多聚焦于单一激光模式，对气流影响下的连续–纳秒时序耦合下的动态热力耦合效应尚未形成系统认知。

本研究提出一种气流辅助连续–纳秒复合激光除漆新工艺，通过建立多物理场耦合数值模型，揭示连续激光预热与纳秒激光冲击剥离的时序能量分配机制，阐明漆层相变阈值与热影响区形成的动力学规律；构建激光–气流–材料参数的多目标优化模型，突破传统试错法在工艺参数匹配中的效率瓶颈，实现了复合激光作用下漆层剥离过程的热–力–流多场协同仿真，为航空铝合金表面高质量再制造提供了理论支撑。

2. 气流辅助复合激光除漆理论模型

如图1所示，基于7075铝合金基体与环氧底漆、环氧清漆和醇酸漆的多层结构，构建二维热力耦合仿真模型。在连续激光辐照阶段，入射能量经表面反射损失后，剩余部分被漆层吸收并转化为非稳态热传导过程。当漆层表层温度超过其汽化阈值时，发生汽化相变并形成烧蚀凹坑。纳秒激光作用时，基底与漆层的热膨胀系数差异引发瞬态热应力波。根据热弹性理论，界面处产生的双向应力波引发应力差。两种机制的协同作用表现为：连续激光通过汽化消融实现表层去除，同时预热作用降低漆层结合强度；纳秒激光则通过热应力波传播引发界面层裂。残余应力释放过程中，汽化产物(气溶胶颗粒)与层裂碎片在辅助气流作用下被有效排除，最终实现漆层的高效低损伤去除。

Figure 1. Schematic diagram of airflow-assisted composite laser paint removal model

图1. 气流辅助复合激光除漆模型示意图

激光与材料的相互作用以热传导为主导，考虑相变潜热与强制对流换热，建立瞬态热传导方程：

$\rho C_p\frac{\partial T}{\partial t}=\nabla \cdot \left(k\nabla T\right)+Q_{\text{laser}}-Q_{\text{conv}}-Q_{\text{latent}}$ (1)

式中ρ是密度，C_p是比热容，k是热导率，Q_laser是复合激光热源，是连续激光与纳秒激光热源的耦合 $Q_{laser}=q_c+q_n$ ，连续激光热流密度可由以下公式计算：

$q_c=\frac{2P_c}{\pi r_c{}^2}\exp \left(-\frac{2r^2}{r_c{}^2}\right)\cdot {\alpha }_c$ (2)

式中P_c是连续激光功率，r_c是光斑半径，α_c是漆层吸收率。

纳秒激光脉冲能量密度可由以下公式计算：

$q_n=\frac{E_n}{{\tau }_p\pi {\gamma }_n^2}\cdot \exp \left(-\frac{{\left(t-t_0\right)}^2}{2{\tau }_p{}^2}\right)\cdot {\alpha }_n$ (3)

式中E_n是单脉冲能量， ${\tau }_p$ 是脉宽。t₀是脉冲中心时间。

基于热传导方程进行跨层传递，通过“连续性边界条件”保证界面处温度与热流密度的连续。

气流强制对流换热损耗为：

$Q_{conv}=h\left(T-T_{\infty }\right)$ (4)

式中h为对流换热系数， $T_{\infty }$ 是环境温度。

漆层汽化的相变潜热项为：

$Q_{latent}=L\cdot \delta \left(T-T_m\right)\cdot \frac{\partial f}{\partial t}$ (5)

式中，L是相变潜热，T_m是相变温度，f是相变体积分数。

基于热膨胀效应，推导热应力场，采用“固体力学接口”的位移连续性约束，确保各层间应力张量的连续演化，应变和位移的关系为：

$ϵ=\frac{1}{2}\left(\nabla u+{\left(\nabla u\right)}^T\right)$ (6)

考虑热应变的本构方程为：

$\sigma =C:\left(ϵ-\alpha \Delta TI\right)$ (7)

I是偏应力张量，C为弹性张量，α是热膨胀系数， $\Delta T=T-T_{ref}$ 。

得到临界判断依据为：

${\sigma }_v{}_m=\sqrt{\frac{3}{2}\left[\sigma -\frac{1}{3}\text{tr}\left(\sigma \right)\right]}\ge F_{\text{ad}}$ (8)

F_ad是漆层与铝合金黏附力：

$F_{ad}\approx \frac{\sqrt{A_{11}{A}_{22}}}{6\pi z^3}$ (9)

z为漆层与7075铝合金交界处的实际距离，A₁₂为漆层和7075铝合金相互接触的Hamaker系数根据理论公式计算，漆层于7075铝合金基底之间的吸附力约为2.76 × 10⁷ N/m²。

3. 仿真结果与讨论

仿真中，为了凸显复合激光对除漆作用机制的界定，仿真中所采用的复合激光参数如下表1所示。

Table 1. Laser parameters

表1. 激光参数

Figure 2. Temperature variation trend of laser irradiation center with different energy density combinations

图2. 不同能量密度组合激光辐照中心点温度变化趋势

图2为设定辅助气流速度为50 m/s以与靶材平面成20˚角入射，更改组合激光能量密度分别为36.99 J/mm² (36.86 W/mm² + 139 mJ/mm²) 48.56 J/mm² (48.41 W/mm² + 156 mJ/mm²) 57.88 J/mm² (57.70 W/mm² + 182 mJ/mm²)和68.37 J/mm² (68.16 W/mm² + 217 mJ/mm²)分析漆层表面激光辐照中心点温度变化趋势。图中T_v是醇酸漆气化点513 K，T_Al是铝合金熔点1163 K。在0.1 s内连续激光作用使温度瞬间上升至500 K以上，至0.5时纳秒脉冲激光入射使温度达到峰值，发生了油漆的大面积弹性去除导致温度急速下降，复合激光停止作用。当能量密度为36.99 J/mm²和48.56 J/mm²时，整体温度处于醇酸漆气化点以下，无法有效清除漆层；当能量密度为57.88 J/mm²时，整体温度处于醇酸漆气化点以上，且峰值温度低于铝合金熔点，可以较好的去除油漆且不发生损伤；当能量密度为68.37 J/mm²时，纳秒激光入射时峰值温度超出铝合金熔点，将对铝合金基底造成损伤。

Figure 3. Changes in removal depth of different energy densities (a) evolution of paint removal; (b) dot plot of removal depth

图3. 不同能量密度去除深度变化(a) 漆层去除演化图；(b) 去除深度点线图

如图3(a)、图3(b)所示，当能量密度较低时表面漆层仍有残留，去除效果不明显，这是因为表面所达到温度低于漆层气化点，并且不发生相变。清洁力也就低于吸附力。能量密度为57.88 J/mm²时表面温度超过铝合金表面漆层的汽化点，使得漆层表面被热烧蚀作用去除，从而产生良好的清洁效果。而当能量密度为68.37 J/mm²时漆层被彻底去除，同时铝合金基底发生熔融损伤导致去除深度转而上升。

Figure 4. Trend of stress difference between primer and substrate with different energy densities over time

图4. 不同能量密度底漆与基底间应力差随时间变化趋势

图4所示是不同组合激光能量密度下的底漆与基底间应力差随时间变化趋势图，F_ad是漆层与铝合金基底间的粘附力大小是2.76 × 10⁷ N/m²。在连续激光初始作用阶段，温度快速升高，由于漆层与基底热传导系数不同，漆层与基底间热应力差迅速增加。而后油漆发生相变，温度平稳，应力得以释放。在纳秒脉冲激光入射到预热后的油漆时高峰值功率使得热应力差瞬增，在57.88 J/mm²超过漆层与铝合金基底间的粘附力，漆层崩离铝合金表面。68.37 J/mm²时应力过高将造成损伤。

4. 结论

本研究系统阐明了气流辅助复合激光清除铝合金表面漆层的耦合作用机制。通过构建气流辅助条件下复合激光的热烧蚀与热应力耦合作用模型，揭示了温度场与应力场的动态演变规律，并在此基础上确定了特定工艺参数下的能量密度阈值：当辅助气流以50 m/s速度、20˚入射角作用时，在连续激光辐照0.5 s后纳秒脉冲激光入射的能量密度阈值为57.88 J/mm²。进一步分析表明，清洗机制呈现阶段性特征：连续激光通过热烧蚀效应优先剥离表层漆膜并建立高温环境，纳秒脉冲激光随后诱导的瞬态热应力显著超过底漆–基底界面结合强度，从而实现界面解离的精准控制。研究结论不仅深化了对激光清洗机理的认知，更为工业应用中的参数优化提供了理论依据。

参考文献