飞机蒙皮激光除漆过程的在线监测, 是实现分层可控除漆、 满足适航维修要求的重要手段, 也是推进激光除漆工程应用、 飞机维修自动化的核心技术。 激光诱导击穿等离子体光谱（LIBS）技术可通过激光材料作用过程中产生的等离子体发射光谱快速分析材料表面元素变化, 实现激光清洗表面状态的在线监测。 基于搭建的高频纳秒红外脉冲激光除漆LIBS在线监测平台, 分别采集了不同激光功率下, 面漆、 底漆、 铝合金基体去除过程中的3类LIBS光谱（各100幅）。 分析了不同激光功率下, 各类光谱示踪元素特征谱线的变化情况, 初步筛选了12条特征谱线作为光谱识别的特征。 进一步对这12个特征进行主成分分析（PCA）, 并将前3个主成分（PC1、 PC2、 PC3）构成的数据集作为支持向量机（SVM）识别模型的输入量, 建立了3类光谱的识别模型。 形成了多漆层结构激光分层可控清除过程的LIBS在线监测判定规则, 并对该规则的有效性进行了实验验证。 结果表明, 与低频脉冲激光单点作用采集的针状LIBS光谱相比, 基于该平台采集的LIBS光谱普遍存在较强的连续背景（大于5 000 a.u.）以及1.5 nm左右的半峰全宽; 针对此类光谱设计了改进均值平滑滤波算法, 在去除背景光谱的同时有效避免了特征谱线强度失真; 示踪元素的特征谱线存在不稳定性; 主成分分析中前3个主成分PC1、 PC2、 PC3对光谱的解释率达95%, 在其构成的三维空间中, 同类光谱呈区域性聚集; PCA-SVM模型对训练集、 测试集的识别准确率分别为99.44%、 100%; 验证实验结果表明3类光谱的识别模型与在线监测判定规则有效。 所建立的识别模型与判定规则, 可为飞机蒙皮激光分层除漆过程监测及自动化解决方案提供核心技术支撑。

随着飞机蒙皮“部分褪漆”维修理念的提出，多漆层结构激光除漆的可控性值得关注。基于响应面分析方法，建立了激光参数（光斑搭接率、激光功率及扫描次数）与可控性指标（漆层去除厚度、表面粗糙度）间的数学模型，分析了激光多参数耦合作用对可控性指标的影响规律。结果表明：激光参数对漆层去除厚度的影响顺序依次为扫描次数、激光功率、光斑搭接率，且均为正相关；表面粗糙度随光斑搭接率的增大而减小，随激光功率的增大而增大，扫描次数对表面粗糙度的影响具有峰值效应。验证试验结果表明：响应面模型可为厚度精度为±5 μm的激光可控除漆提供参考。基于响应面分析方法建立的多漆层结构激光可控清除数学模型，可为飞机蒙皮漆层的激光可控清除提供方法指导与理论支撑。

研究激光单脉冲作用后漆层表面的凹坑形貌可以有效抑制激光多参数叠加效应及脉冲重叠的光热与光力效应，有助于揭示激光与材料的作用机制，同时可为激光参数优化提供依据。本团队利用实验凹坑形貌数据获得漆层去除深度d及能量密度F的关系式，并基于烧蚀机制建立了高斯激光单脉冲作用后模拟漆层凹坑形貌的数学模型，采用MATLAB对13.58~27.16 J/cm²能量密度下的凹坑形貌进行了模拟与验证。结果表明：低能量密度（13.58~16.98 J/cm²）下，凹坑深度和直径误差均小于5%，凹坑表面近似为旋转抛物面，凹坑剖面轮廓近似为抛物线；高能量密度（20.37~27.16 J/cm²）下，凹坑深度误差小于5%，但凹坑直径误差高达40%，模拟结果与实验结果存在显著差异。误差分析表明，在高能量密度下，等离子冲击与热辐射机制对凹坑形貌具有显著影响。基于上述分析对模型进行修正，修正模型对凹坑深度和直径的模拟误差均控制在5%以内，显著提高了模型模拟的准确性。基于凹坑形貌实验数据建立的形貌模型以及该模型的验证，不仅揭示了不同能量密度下激光与材料主要作用机制的差异，还为高、低能量密度下除漆效果的精确控制及激光参数优化提供了参考。