激光清洗對(duì)鋁導(dǎo)體絕緣涂層附著力的影響研究

袁 田，王昱晴，龔宇佳，童 悅，張 錦

（中國電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

目前輸變電設(shè)備中大量的導(dǎo)體用于輸電，主要包含導(dǎo)線、母排、接頭、引線等。近些年架空線路和電站絕緣事故頻發(fā)，電力檢修部門采用導(dǎo)體絕緣化改造來降低運(yùn)行導(dǎo)體的故障，常見的做法是在運(yùn)行導(dǎo)體上涂覆絕緣涂層[1-3]。絕緣涂層的涂料具有優(yōu)良的電絕緣性、熱性能、力學(xué)性能和化學(xué)性能，可在導(dǎo)體表面形成一層具有較高體積電阻率、能承受較強(qiáng)電場而不被擊穿的涂層。然而大部分導(dǎo)體為金屬材料，在長期運(yùn)行中導(dǎo)體表面會(huì)存在大量的附著物[4-7]，這些附著物會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體散熱不均勻，嚴(yán)重影響絕緣涂層與導(dǎo)體的附著力，造成涂層剪切值小于1 MPa，因此在導(dǎo)體絕緣化之前需將導(dǎo)體表面進(jìn)行清洗，避免導(dǎo)體表面附著物引起附著力下降造成故障。目前主要是利用鋼刷清洗表面導(dǎo)體，該種清洗方式與刷子形狀存在較大的關(guān)系，通常情況下，該種清洗方式能較容易除去上下軸線的污穢，而對(duì)于導(dǎo)線表面，由于結(jié)構(gòu)受力特征兩側(cè)污穢無法清除干凈，而且會(huì)引起表面粗糙度極不均勻[8-9]。

激光清洗是一種有效的非接觸式氣化清除污穢和金屬氧化層的方式，通過高能激光束照射材料表面，利用污穢物和氧化層的高激光吸收系數(shù)，使表面的污物、銹斑或涂層發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離[10-11]。由于激光光斑的高斯性特征，清洗深度可以精確到毫米或微米，基體在激光清洗時(shí)幾乎不會(huì)產(chǎn)生大的損傷，反而可以在一定程度上降低金屬表面的粗糙度[12]。激光清洗后表面可以形成規(guī)則的形貌，粗糙度呈現(xiàn)規(guī)律性分布，該表面經(jīng)測試可有效使涂料與鋁材表面均勻地粘接，在受到剝離剪切力時(shí)，不易發(fā)生剝離剪切力集中，抗剝離和耐用性更佳。

本文利用1 064 nm激光清洗設(shè)備對(duì)鋁材料表面的污穢物和氧化物進(jìn)行清洗，研究其表面粗糙程度以及附著力的變化，并通過拉開法和剪切法對(duì)附著力的影響進(jìn)行分析，以期為激光清洗在提高絕緣涂層附著力方面提供參考。

1 導(dǎo)體絕緣化涂層的附著機(jī)理

絕緣化涂層是導(dǎo)體表面絕緣成膜附著的結(jié)構(gòu)，由于導(dǎo)體主要成分是鋁、銅和鐵等金屬材料，鋁材料暴露在自然條件下，其表面容易發(fā)生氧化并吸收水分，在較低的溫度下，鋁材料表面形成氫氧化鋁膜層（Al(OH)3，即 Al2O3·3H2O），也是自然氧化膜的主要成分，膜層厚度大約在0.01～0.10 μm，故本文選擇鋁導(dǎo)體為研究對(duì)象，對(duì)鋁板表面進(jìn)行激光清洗。

在鋁導(dǎo)體絕緣化過程中，導(dǎo)體在長期運(yùn)行中表面會(huì)出現(xiàn)氧化、污穢物附著等問題，嚴(yán)重降低導(dǎo)體涂層附著力的水平。其中，通常將附著力考慮成化學(xué)鍵作用，主要是指成膜物中所含有的一些極性基團(tuán)與基材表面所含有的羥基或其他基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成了離子鍵、共價(jià)鍵或氫鍵，增大了表面與涂層的結(jié)合力。例如，清理過的導(dǎo)體表面涂層剪切強(qiáng)度可達(dá)到3 MPa，而不清理的表面涂層剪切強(qiáng)度在1 MPa左右，表面粉塵附著力小于1 MPa。因此，在絕緣層涂覆或者包裝前通過其他手段將導(dǎo)體表面的氧化層、污穢物、表面不規(guī)則損傷等逐一去除，可以增加導(dǎo)體的運(yùn)行壽命，同時(shí)也可以降低對(duì)絕緣層附著力的影響。本文采用快干環(huán)氧膠黏劑以及常溫硫化硅橡膠進(jìn)行涂覆，用來檢測激光清洗后表面附著力的變化情況。

2 激光清洗平臺(tái)

激光清洗試驗(yàn)平臺(tái)由清洗平臺(tái)、激光清洗頭、電腦控制端及煙塵凈化器組成，如圖1所示。設(shè)備型號(hào)為SCL-50，屬于單模輸出，最大功率0～100 W可調(diào)，頻率5～200 kHz可調(diào)，脈沖寬度為100 ns，中心波長為1 064 nm。激光掃描線長5～100 mm可調(diào)，激光束腰光斑直徑為70～110 μm，其準(zhǔn)直距離為3.60～8.97 mm，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡后，其光斑半徑為6.5 mm。激光器輸出端場鏡的型號(hào)為F160，即焦距約為160 mm。場鏡輸出的光斑聚焦半徑為0.07～0.12 mm，光斑輸出為一維振鏡雙向直線填充。激光清洗頭的工作距離為（18±0.5）cm[13]，其關(guān)聯(lián)的兩個(gè)參數(shù)分別為激光光斑的能量特性和一維掃描特性。

圖1 激光清洗試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Laser cleaning test platform

2.1 激光光斑的能量特性

在理想的情況下，激光振幅服從高斯光束的模型，如圖2所示。其中z軸為光軸傳播軸，也是雙曲線的對(duì)稱軸，ω0為光束的束腰半徑，也是平面波的投影半徑（當(dāng)x=0，y=0時(shí)），此時(shí)通常稱該點(diǎn)為高斯束腰[10-11]，清洗光斑盡量選擇靠近該位置。

圖2 激光束的高斯性示意圖Fig.2 Gaussian diagram of laser beam

根據(jù)振幅在z軸上的分布，通常情況下激光輸出功率用式（1）表示。

式（1）中：E0為激光器的額定功率；E為在不同球面波相位的實(shí)際功率；ω(z)為球面波在平面上的投影光斑半徑；r為球面波距離原點(diǎn)的半徑距離；一般規(guī)定，在垂直z軸（光軸）投影光斑直徑時(shí)，其激光束在圖2中的準(zhǔn)直距離L=2f長度內(nèi)高斯光束近似認(rèn)為是平行的。

式（1）說明，光斑靜態(tài)激光清洗的效果主要與鏡面和清洗點(diǎn)的距離有關(guān)，距離過遠(yuǎn)或過近，會(huì)導(dǎo)致能量密度呈非線性減小。由于導(dǎo)線是柔性的，為了保證清洗的狀態(tài)，其清洗的距離一定要保持穩(wěn)定的焦距。

2.2 光斑一維移動(dòng)的特征參數(shù)與清洗機(jī)制

導(dǎo)線清洗面為曲面，鋁導(dǎo)線直徑為30 mm，激光光斑一維振動(dòng)行走能量的分布特征如圖3所示[13]，其中縱向坐標(biāo)z為能量疊加參數(shù)。從圖3可以看出，在一維清洗過程中，能量疊加較重的地方是兩側(cè)光斑移動(dòng)方向出現(xiàn)變化的地方。

圖3 一維清洗過程中能量疊加示意圖（平面）Fig.3 Schematic diagram of energy superposition in one-dimensional cleaning process(plane)

因?yàn)閷?dǎo)線平面是弧狀，兩側(cè)要低于中間，但激光清洗能量集中于輻射面，兩端相對(duì)離焦較遠(yuǎn)，能量極小，可忽略不計(jì)，所以清洗過程可看作恒定的激光功率作用于鋁導(dǎo)線表面。

在激光清洗的過程中，激光光斑尺寸相對(duì)于鋁合金平板尺寸較小，可將脈沖激光照射過程看作點(diǎn)熱源對(duì)半無限大物體進(jìn)行加熱，其溫度模型如式（2）所示[14]。

式（2）中：△T為涂層表面的溫升；A為膜層的光吸收系數(shù)，與膜層表面的顏色和粗糙度有關(guān)；E為激光的亮度，也是功率密度；K為傳熱系數(shù)，與涂層的厚度有關(guān)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；tl為激光的脈寬。

鋁基體本身光吸收系數(shù)較小，表面粗糙度也很低，導(dǎo)致大部分激光被反射，在表面膜層和污穢物脫離干凈后，缺少中間層激光吸收輔助，鋁基體激光吸收系數(shù)很小，導(dǎo)致表面粗糙度Ra下降效果明顯放緩。

3 激光清洗鋁導(dǎo)體絕緣涂層實(shí)驗(yàn)

3.1 粗糙度特性

為了研究激光清洗對(duì)絕緣層與金屬附著力的影響，根據(jù)導(dǎo)線表面為鋁絞絲，選用了不同老化程度的鋁板和鋁條進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選擇氧化嚴(yán)重的金屬鋁板，在其表面按照區(qū)域分別進(jìn)行1～7次清洗，如圖4所示。激光清洗功率為100 W，脈沖頻率為200 kHz?？紤]到導(dǎo)線清洗的效率需求，設(shè)計(jì)了不同的行走速度，其速度為4～33 mm/s。

圖4 激光清洗的鋁板標(biāo)記Fig.4 Laser cleaned aluminum plate marking

鋁板表面原始粗糙度按照規(guī)定進(jìn)行測量，測量部位分別為測量區(qū)域的中間和4個(gè)角，粗糙度初始值取5個(gè)測量值的中位數(shù)。粗糙度選擇表面粗糙度Ra，即取樣長度輪廓峰和輪廓谷的算術(shù)平均差[15]。

圖5為表面粗糙度Ra的下降百分比。從圖5可以看出，經(jīng)過清洗后，鋁板的表面粗糙度明顯降低。導(dǎo)線絕緣層附著力的提升機(jī)理與兩個(gè)方面有關(guān)，一方面是表面羥基的數(shù)量及其分布程度，這個(gè)與材料本身活性有關(guān)；另一方面就是表面粗糙度，表面粗糙度是化學(xué)鍵和物理形態(tài)的綜合體現(xiàn)。根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著激光清洗次數(shù)增多，清洗后鋁板的表面粗糙度降低的百分比也出現(xiàn)明顯減少。當(dāng)激光器行走距離較快時(shí)，在第1次清洗時(shí)表面粗糙度下降較慢，在第3次清洗時(shí)粗糙度下降增快，但清洗到第7次時(shí)粗糙度差別減小。

圖5 表面粗糙度Ra下降百分比Fig.5 Surface roughness Rareduction percentage

圖6為同部位不同清洗次數(shù)的表面微觀結(jié)構(gòu)。從圖6可以看出，未清洗的鋁板表面有嚴(yán)重不規(guī)則傷痕，在清洗后出現(xiàn)了明顯的改觀。在清洗次數(shù)增加到第7次后，表面粗糙度下降開始減緩。

圖6 同部位激光清洗后對(duì)比Fig.6 Comparison of the same part after laser cleaning

通過增加脈沖幅值也有相同的效果，但振鏡運(yùn)動(dòng)存在一定誤差，部分振鏡振動(dòng)遲緩的地方會(huì)導(dǎo)致清洗效果不佳。清洗到一定程度時(shí)，清洗效果開始減緩?？梢缘贸銮逑葱Чc脈沖激光器在單位面積內(nèi)積累的能量成正比，能量越高表面粗糙度減小效果越明顯，當(dāng)在表面粗糙度Ra達(dá)到2.5 μm以下時(shí)，金屬表面激光吸收系數(shù)遠(yuǎn)小于金屬氧化層，因此隨著清洗次數(shù)的增加，表面粗糙度下降不明顯。

3.2 附著力特性

3.2.1 拉開法

為了驗(yàn)證導(dǎo)體表面氧化層、污穢物清除及粗糙度變化后附著力的變化，在鋁板表面進(jìn)行了拉開法實(shí)驗(yàn)。依據(jù)GB/T 5210—2006[16]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦的膠黏劑，選用的是雙組份快干環(huán)氧膠黏劑。環(huán)氧膠表面粗糙度與附著力實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 環(huán)氧膠表面附著力的變化曲線（拉開法）Fig.7 Surface adhesion curve of epoxy adhesive(pull method)

從圖7可以看出，表面粗糙度比較大時(shí)，附著力較差，隨著激光清洗將表面雜質(zhì)和氧化物氣化后，鋁基體表面開始裸露。當(dāng)目標(biāo)位置離開焦點(diǎn)范圍時(shí)，激光能量集中方式由平面波轉(zhuǎn)向環(huán)形波，能量將呈指數(shù)級(jí)下降，清洗效果不佳。在某種程度上，該方式可為金屬材料在一定程度上實(shí)現(xiàn)毛刺清除。當(dāng)Ra達(dá)到4.5 μm以上時(shí)，表面附著力開始出現(xiàn)下降；當(dāng)Ra達(dá)到6.5 μm時(shí)，附著力下降到初始未清洗的狀態(tài)。其數(shù)據(jù)結(jié)果可擬合成公式（3）。

式（3）中：σ為拉開法的破壞強(qiáng)度；x為表面粗糙度系數(shù)Ra。

3.2.2 剪切法

硫化橡膠領(lǐng)域更加重視拉伸剪切強(qiáng)度測量方法[17]，實(shí)驗(yàn)采用的膠黏劑為常溫硫化硅橡膠。硫化硅橡膠表面粗糙度與附著力實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8。從圖8中可以看出，剪切法測量的附著力結(jié)果與拉開法的類似，隨著粗糙度下降，附著力逐漸上升；Ra在4.0 μm附近，附著力開始出現(xiàn)下降，下降的速度低于拉開法。Ra在2.49 μm附近，附著力下降到1.93 MPa，仍高于有污穢的表面，Ra為6.68 μm時(shí)，附著力最小。此污穢表面在正常沖洗條件下，混雜著無法清除的污染物和氧化層，當(dāng)出現(xiàn)重度污穢覆蓋時(shí)，其附著力還會(huì)有大幅度下降。其數(shù)據(jù)結(jié)果可擬合成公式（4）。

圖8 硫化硅橡膠表面附著力變化曲線（剪切法）Fig.8 Surface adhesion curve of vulcanized silicone rubber(shear method)

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及對(duì)比

通過兩種實(shí)驗(yàn)方法可知，在激光清洗初期，隨著表面粗糙度逐漸下降，附著力明顯提升。主要原因在于導(dǎo)體表面氧化膜和污穢被清除后，其表面粗糙度相對(duì)減小，膠黏劑對(duì)導(dǎo)體浸潤程度增加，膠黏劑可以充分依附在導(dǎo)體的表面。圖9為兩種表面粗糙度下膠黏劑的浸潤情況，從圖9可以看出，表面粗糙度對(duì)膠黏劑浸潤程度有著明顯影響。

圖9 表面不同形貌下膠黏劑浸潤程度Fig.9 Wetting degree of adhesives under different surface morphology

隨著清洗次數(shù)的增加，表面形貌發(fā)生了變化，由于輪廓較深和距離束腰部位受到遮擋（圖2中y軸的位置），其輻射的能量減少（見式（1））。氧化鋁的耐高溫性能好，在激光清洗機(jī)理中通常采用膜層屈曲方式使其氧化層脫離和膜層振動(dòng)剝離，如圖10所示[18]。因?yàn)殇X合金熔點(diǎn)為660.37℃，而氧化鋁的氣化點(diǎn)為2 980℃，所以在清除過程中，氧化鋁膜層振動(dòng)脫落，部分激光光斑處鋁基體溶解填平表面形貌，偏離焦點(diǎn)表面的鋁基體吸收的熱量會(huì)遠(yuǎn)小于焦點(diǎn)處，因此凹進(jìn)去的表面形貌受到的影響不大，凸起的形貌在氧化層剝離振動(dòng)和光吸收上受到的影響會(huì)高于凹處，凸處會(huì)逐漸被剝離，使得粗糙度持續(xù)下降，形貌越來越光滑，展現(xiàn)導(dǎo)體材料原本的光亮形態(tài)，如圖11所示。最終導(dǎo)致膠黏劑浸潤面積開始減小，反而導(dǎo)致附著力下降。

圖10 膜層屈曲過程示意圖Fig.10 Schematic diagram of film buckling process

圖11 經(jīng)過多次激光清洗的鋁條粗糙度對(duì)比Fig.11 Comparison of aluminum strips roughness after multiple laser cleaning

對(duì)比拉開法和剪切法可以看出，環(huán)氧樹脂表面能低于常溫硫化硅橡膠，從拉開法得出的數(shù)據(jù)，在Ra達(dá)到4.5 μm時(shí)，附著力最佳，隨著清洗次數(shù)增多，表面粗糙度再次減小，附著力測量值出現(xiàn)下降。

由兩種方法結(jié)果數(shù)據(jù)可知，環(huán)氧樹脂的附著力測量值離散性要大于硅橡膠，主要原因是鋁板表面較臟，表面形貌重構(gòu)后由于浸潤不均勻，部分附著力數(shù)值較低。剪切法相對(duì)穩(wěn)定，剪切法粘接時(shí)是錯(cuò)位粘接，為了保證試板中心面積重合，通常會(huì)采用夾具來保證位置不發(fā)生偏移。因硅橡膠表面能高，在未硫化時(shí)出現(xiàn)液態(tài)硅橡膠流動(dòng)很容易帶著試板偏移，制樣時(shí)都需帶力固定，故鋁條數(shù)據(jù)離散性較小。

從附著力測量數(shù)據(jù)分析，Ra在4.0 μm附近，硅橡膠附著力達(dá)到頂峰，隨后開始持續(xù)下降，而環(huán)氧樹脂的附著力頂峰在Ra為4.5 μm時(shí)。對(duì)比環(huán)氧樹脂，硅橡膠的附著力測試方法更加適合略糙的表面，主要原因是硅橡膠需要表面更加寬廣的輪廓結(jié)構(gòu)以保證膠黏劑可充分地滲入，表面縫隙過小會(huì)導(dǎo)致黏稠膠黏劑無法將表面輪廓縫隙中的氣體排出，使得膠黏劑滲入，形成附著力。由于制作方法的差別，剪切法的離散性要小于拉開法，但從數(shù)據(jù)的變化規(guī)律分析，拉開法對(duì)表面形貌變化敏感程度要高于剪切法。

兩種方法均證實(shí)，運(yùn)行和嚴(yán)重氧化的金屬材料（鋁板）通過激光清洗均可以實(shí)現(xiàn)表面涂層附著力的提升。

4 結(jié)論

（1）脈沖激光清洗可有效改變金屬導(dǎo)體的表面形貌，去除鋁材表面的氧化層；當(dāng)清洗到粗糙度Ra小于2.5 μm時(shí)，清洗效果開始減緩，清洗效果與脈沖激光器單位區(qū)域覆蓋能量成正比。

（2）金屬表面進(jìn)行激光清洗后，粗糙度降低，可有效提高漆膜的附著力，環(huán)氧樹脂拉開法在表面粗糙度Ra達(dá)到4.5 μm時(shí)，附著力開始出現(xiàn)下降，硅橡膠剪切法在表面粗糙度Ra達(dá)到4.0 μm時(shí)，附著力開始出現(xiàn)下降。

（3）在激光清洗中氧化鋁和污穢物的脫離主要靠膜層屈曲和污穢物氣化震蕩，鋁基體本身光吸收系數(shù)較小，在表面膜層和污穢物脫離干凈后，其表面粗糙度Ra下降，效果明顯放緩。