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。

为研究激光去除复合材料基体表面漆膜的工艺规律并优化激光除漆参数，采用纳秒脉冲激光器对碳纤维复合材料表面的环氧树脂漆进行去除；基于响应面优化法，以除漆表面微观形貌、纤维暴露百分比、单脉冲除漆深度及微观不平度十点高度为指标对激光参数的影响规律进行分析并进行参数优化。结果表明：激光功率P、重复频率f、扫描速度v分别对纤维暴露百分比、单脉冲除漆深度、微观不平度十点高度的影响最为显著。采用低频（f<25 kHz）高功率（P>14 W）激光慢速（v<130 mm/s）扫描可以获得更少的漆层残留、更高的纤维暴露百分比及更高的除漆效率，采用中频（40 kHz<f<60 kHz）低功率（P<11 W）激光快速（v>180 mm/s）扫描可以获得更接近标准值（45~55 μm）的微观不平度十点高度，可以保证除漆质量。最终得到最佳工艺参数组合为：激光功率14.4 W，扫描速度200 mm/s，重复频率20 kHz。本研究可为今后复合材料基体除漆工艺参数的确定提供参考。

为了验证激光清洗飞机蒙皮表面漆层的可行性，阐明漆层清除对基材表面完整性的影响，采用脉冲光纤激光器在12.89~25.48 J/cm²能量密度下对2024铝合金飞机蒙皮开展了除漆实验，研究了除漆效果、基材表面形貌、粗糙度、显微硬度及微观组织特征的变化规律，利用Ansys Workbench软件模拟分析了温度场分布对除漆效果和基材表面完整性的影响。结果表明，随着能量密度的增大，残漆率降低，基材表面粗糙度（S_a）和峰谷高度差（PVHD）增大，显微硬度小幅提升，同时表面晶粒细化，位错密度增大，强化相σ（Al₅Cu₆Mg₂）析出，当能量密度大于22.90 J/cm²时，漆层彻底清除。在22.90 J/cm²的能量密度下，漆层与基材交界处的温度为415.46 ℃，低于基材的初始熔化阈值，基材表面未发生明显的塑性变形，PVHD为8.28 μm，显微硬度相较于原始试样提高了2.8%，获得了良好的表面完整性。研究结果为提升激光除漆技术在航空工程领域中的应用可靠性与安全性提供了参考。

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。

为提高激光除漆效率与质量, 采用响应面分析法对激光除漆后基体表面粗糙度进行优化研究。通过建立激光除漆工艺参数二次多项式回归模型, 验证模型适应性, 进一步对比分析最优参数除漆后的基体表面性能。结果表明, 激光功率与激光频率对基体表面粗糙度影响显著, 扫描速度与扫描次数对表面粗糙度影响较小。当2024铝合金基体的油漆厚度为100 μm时, 响应曲面分析法得出的最优参数为: 激光功率45 W、激光频率400 kHz、激光扫描速度600 mm/s、扫描次数6次。试验测得除漆后基体表面粗糙度Sa为1.739 μm, 仿真与试验误差率仅有0.6%。对比发现, 激光除漆后基体表面宏观形貌高低不平、存在激光扫描痕迹, 表面粗糙度Sa从1.319 μm增加到1.739 μm。从微观层面发现基体表面存在钝化层与隆起的熔融物, 局部区域更加光滑平整, 基体化学成分没有改变。激光除漆后基体显微硬度从平均141.59 HV降低到130.37 HV, 腐蚀速率由原来的0.008 852 0 mm/a减小到0.002 340 4 mm/a, 基体显微硬度降低, 耐腐性提高。虽然激光除漆后基体表面形貌与表面性能改变, 但对基体的再利用以及油漆的再涂装没有影响, 研究内容可为改进激光除漆工艺提供参考, 以减少基体损伤并获得更好的除漆效果。

研究了激光不同入射角度对油漆去除深度、表面形貌与粗糙度的影响。通过改变激光束与样品的夹角完成不同角度的激光除漆试验，以2024铝合金为研究对象，检测分析表面油漆去除效果。相同条件下，油漆去除深度随激光入射角度的减小呈先增加后减小的趋势，当激光入射角为70°时，达到最大油漆去除深度。在激光能量密度为5 J/cm²时，激光入射角70°相比于40°情况下，油漆去除深度增加160.57 μm，这种差值会随着油漆厚度的增加而更加显著。同时，激光入射角度会改变样品的表面粗糙度，当激光入射角为70°时，获得最小的表面粗糙度，仅比初始表面粗糙度增大0.438~0.812 μm。改变激光入射角可以降低烟羽在激光传输方向的长度与烟羽粒子浓度，减小激光能量损失。当激光能量密度为0.5~2 J/cm²时，除漆机理主要是烧蚀效应，当激光能量密度大于2 J/cm²时，则是烧蚀效应与热膨胀效应共同发挥作用。

为了研究激光除漆工艺规律并优化工艺参数,采用纳秒脉冲激光器对304不锈钢基体表面的丙烯酸树脂漆进行激光清洗实验。采用扫描电子显微镜与X射线能谱仪分别对激光除漆后的表面微观形貌与成分进行分析,并使用激光共聚焦显微镜对除漆后的表面粗糙度进行测量。基于响应面分析法,使用Design-Expert软件研究激光功率、扫描次数和光斑搭接率对激光除漆后表面微观形貌、成分和表面粗糙度的影响规律,并对除漆工艺参数进行优化。研究发现:光斑搭接率对表面成分的影响最为显著,而激光功率对表面粗糙度的影响最为显著;优化结果显示,当激光功率为19.18 W、光斑搭接率为46%、扫描次数为3次时,激光除漆的效果最佳。采用合适的工艺参数进行激光除漆,可以获得较好的清洗效果。

通过对纳秒Nd∶YAG 脉冲激光辐照油漆过程中所喷溅的颗粒形貌及成分的分析，研究激光除漆的物理机理。扫描电子显微镜的结果表明，在激光除漆的过程中产生微米量级和纳米量级的颗粒以及纳米网状结构。微米尺度的颗粒形状不规则，表面粗糙；纳米尺度的颗粒呈球形，表面光滑。随着激光能量的增大，微米量级和纳米量级的颗粒平均尺寸都变大。X 射线能谱仪的结果显示，微米量级的颗粒成分与激光辐照前漆的成分相当，与振动去除机制有关，而纳米颗粒中碳的含量(原子数分数)下降超过50%，是由于激光对漆的烧蚀作用所导致。该研究为激光除漆基本物理机理的研究提供新的思路和方法。