基于ANSYS的激光除漆技術(shù)數(shù)值模擬研究

邵 壯,王 濤

(河北工業(yè)大學(xué),天津 300132)

1 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中,許多產(chǎn)品會(huì)進(jìn)行表面漆層噴涂防止銹蝕,產(chǎn)品表面漆層會(huì)隨著時(shí)間脫落影響防銹效果,對(duì)漆層進(jìn)行重新噴涂或者對(duì)基體進(jìn)行檢修時(shí),必須對(duì)原漆層進(jìn)行清洗剝離[1-2]。激光清洗與傳統(tǒng)的機(jī)械清洗、高頻超聲清洗、化學(xué)腐蝕清洗等相比有著非常定位準(zhǔn)確、可控性強(qiáng)及污染小等優(yōu)勢(shì)[3]。激光清洗作用機(jī)理分為燒蝕作用、光壓力、選擇性氣化、快速加熱和冷卻導(dǎo)致的熱振動(dòng)作用、氣化壓力、等離子體爆發(fā)作用[4]。各種機(jī)制并不是單獨(dú)存在的,在具體的激光清洗中機(jī)制需要根據(jù)具體情況而定。在激光去除漆層中,主要作用機(jī)理為燒蝕以及振動(dòng)機(jī)理[5-6]。在激光除漆過程中漆層吸收激光能量產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)是影響除漆效果和表面質(zhì)量的關(guān)鍵。由于實(shí)驗(yàn)不易直接測(cè)取溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布。因此,利用有限元方法來(lái)研究激光除漆過程中不同激光參數(shù)與材料所產(chǎn)生的溫度和應(yīng)力場(chǎng)變化的有效方法。

目前利用有限元方法對(duì)激光加工過程進(jìn)行模擬已經(jīng)有部分學(xué)者進(jìn)行嘗試。趙海朝等利用有限元模擬深入分析了激光清洗漆層的過程與作用機(jī)制,并采用波長(zhǎng)為 1064 nm,脈寬為1 μs的脈沖激光器對(duì)2024鋁合金表面漆層進(jìn)行了激光清洗工藝試驗(yàn),研究了掃描速度、脈沖頻率、激光功率對(duì)激光清洗漆層質(zhì)量的影響規(guī)律。高遼遠(yuǎn)[7]等采用COMSOL Multiphysics建立了納秒脈沖激光清洗2024鋁合金表面丙烯酸聚氨酯漆層的有限元模型,分析了不同參數(shù)對(duì)激光清洗溫度場(chǎng)和清洗深度的影響,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。曹丹[8]等通過有限元求解材料的二維導(dǎo)熱模型,利用ANSYS仿真獲取材料表面的溫度分布,把表面溫度計(jì)算值和仿真結(jié)果的誤差平方和作為目標(biāo)函數(shù),借助于共軛梯度法來(lái)優(yōu)化該目標(biāo)函數(shù)。劉彩飛[9]等采用有限元法建立模型,模擬了噴有漆膜的不銹鋼樣品表面在移動(dòng)脈沖激光作用下的溫度場(chǎng),研究了不同時(shí)刻漆膜表面的溫度場(chǎng)分布以及激光參量對(duì)漆膜表面溫度場(chǎng)的影響,并做了相關(guān)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。姜銀方[10]采用數(shù)值仿真的方法,分析了不同板料尺寸下,預(yù)應(yīng)力對(duì)板料激光沖擊成形極限的影響。

上述研究主要是針對(duì)激光加工中所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬研究,對(duì)于應(yīng)力場(chǎng)的研究甚少。激光除漆過程中溫度場(chǎng)是影響除漆效果的一個(gè)重要因素,但是漆層能否從基體剝落在溫度場(chǎng)在基體與漆層交界處不足以達(dá)到漆層燒蝕氣化溫度是應(yīng)力場(chǎng)起了決定作用。

為了對(duì)激光清洗5052鋁合金表面環(huán)氧鋅黃漆層過程中的溫度變化和應(yīng)力變化進(jìn)行分析,本文采用ANSYS軟件建立移動(dòng)納秒激光清洗漆層的有限元模型,探究不同掃描速度下對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)對(duì)激光清洗漆層深度和效果的影響并給出效果預(yù)估,最后對(duì)有限元模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,旨在為激光除漆工藝參數(shù)選擇提供參考依據(jù)。

2 激光清洗漆層數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 模型假設(shè)

在激光清洗漆層中,其中漆層厚度一般不會(huì)超過100 μm,模型沿著Z軸正方向分別為鋁合金基體層和油漆層,激光光束沿著Z軸負(fù)方向作用于漆層上,材料吸收能量溫度發(fā)生變化并產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。為了方便計(jì)算,在此做以下假設(shè):

(1)光斑內(nèi)能量分布均勻,激光能量均勻作用在漆層,不考慮其凹凸性；

(2)模型材料均為各向同性,物理參數(shù)不隨溫度等變化；

(3)只考慮材料的熱傳導(dǎo),不考慮熱對(duì)流及熱輻射。

2.2 熱傳導(dǎo)方程

在激光清洗漆層中,常常處理的為兩層材料加熱的問題,漆層和基體層材料的熱力學(xué)特性不會(huì)相同,對(duì)于兩層材料加熱過程的一般微分方程為:

(1)

(2)

已知熱源強(qiáng)度按照高斯分布且強(qiáng)度恒定,交界面為理想接觸,上表面和底面的熱損耗忽略不計(jì)則邊界條件為:

(3)

(4)

Z=h,T2=0

(5)

t=0,T1=T2=0

(6)

在式(1)～式(6)中,h為兩層材料的總厚度；h1為漆層的厚度；a2,a3為分別為漆層和基體層接觸面熱阻的倒數(shù)；a1為上表面的熱損耗系數(shù)。

在邊界條件式(3)～(6)下,式(1)、(2)有解。

2.3 熱振動(dòng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移方程

激光清洗漆層模型中,由于激光作用時(shí)間短,將漆層與基體層的結(jié)合面視為相同的位移,從而有漆層與基體層接觸面的位移條件:

uq(x,y,0,t)=uj(x,y,0,t)

(7)

模型受熱產(chǎn)生熱膨脹從而產(chǎn)生熱應(yīng)力,研究激光清洗中的振動(dòng)效應(yīng)主要看在Z軸方向的應(yīng)力和應(yīng)變分量,于是在單位面積上的熱應(yīng)力可以表示為:

(8)

式中,Y為楊氏模量；ε為應(yīng)變。

Z方向熱膨脹位移長(zhǎng)度為:

ΔL=LγΔT(x,y,z,t)

(9)

根據(jù)式(8)、(9)可以推出:

σ=YγΔT(x,y,z,t)

(10)

由式(10)得到,熱應(yīng)力的大小與材料的楊氏模量、熱膨脹系數(shù)以及溫度變化有關(guān),在雙層激光清洗漆層結(jié)構(gòu)中,層級(jí)間在接觸面的應(yīng)力值相同,即:

YqγqΔTq(x,y,0,t)=YjγjΔTj(x,y,0,t)

(11)

激光清洗模型中在t=0時(shí)不受激光作用,初始位移的值為零,即:

uq(x,y,z,0)=uj(x,y,z,0)=0

(12)

通過以上可知,漆層吸收激光能量產(chǎn)生熱量,轉(zhuǎn)化為在層間的熱傳導(dǎo)過程,在層間及層內(nèi)產(chǎn)生位移和應(yīng)變從而在各層級(jí)間產(chǎn)生脫離應(yīng)力。根據(jù)激光清洗中的燒蝕機(jī)理和熱振動(dòng)機(jī)理,漆層材料到達(dá)熔點(diǎn)或者漆層與基體層脫離應(yīng)力大于結(jié)合力時(shí),漆層材料被去除。

3 基于Ansys的數(shù)值分析模型

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

所用實(shí)驗(yàn)樣品其基底材料為5052鋁合金樣片,尺寸為:100 mm×100 mm×2 mm。漆層為環(huán)氧鋅黃底漆噴涂厚度大約為100 μm。

激光清洗采用光纖激光清洗設(shè)備,主要由光纖脈沖激光器,掃描振鏡、控制卡等組成,其清洗設(shè)備示意圖如圖 1所示。激光器的功率為10～30 W可調(diào),發(fā)射出的激光為高斯分布,光斑半徑為R,本實(shí)驗(yàn)中R=39 μm。其中光纖脈沖激光器主要參數(shù)如表 1 所示。

圖1 激光清洗裝置和清洗方法示意圖Fig.1 Schematics of laser cleaning device and cleaning method

表1 光纖激光器主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of optical fiber laser

測(cè)試?yán)灭じ搅y(cè)試儀測(cè)取漆層與鋁合金的附著力結(jié)果見表2。

表2 底漆附著力測(cè)試結(jié)果Tab.2 Adhesion test results of priming paint

使用超景深顯微鏡對(duì)未處理前的鋁合金基體進(jìn)行觀察得到其放大300倍的二維圖和表面形貌數(shù)據(jù),利用Matlab工具對(duì)表面數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形擬合處理繪制出其三維表面形貌圖。未處理的鋁合金基體表面起伏在10 μm以內(nèi),如圖2所示。

圖2 鋁合金放大300倍表面形貌及3D輪廓圖Fig.2 Surface morphology and 3D contour ofaluminum alloy at 300 times magnification

附著力測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)取為區(qū)域內(nèi)的平均值,由于鋁合金表面有起伏,對(duì)于鋁合金表面漆層去除所受到的應(yīng)力也不同,理想平面的清洗應(yīng)力應(yīng)為熱應(yīng)力在Z軸的分量,表面起伏則會(huì)導(dǎo)致漆層脫離應(yīng)力方向不是沿著Z軸,漆層同時(shí)也會(huì)受到X、Y方向的應(yīng)力,實(shí)際所受清洗力的值一般比熱應(yīng)力Z軸方向的分量要大。根據(jù)其3D輪廓以及器材所測(cè)漆層剝離平均應(yīng)力取熱應(yīng)力Z軸方向分量最大為σzmax=11 MPa,最小為σzmin=6 MPa。即當(dāng)σz≥σzmax時(shí),漆層被去除干凈；σz<σzmin,漆層不能從基底去除；σzmin≤σz<σzmax,漆層部分從基底去除。

3.2 有限元模擬

在激光清洗漆層系統(tǒng)中,模型尺寸包括2 mm×2 mm×2 mm鋁合金基體層和2 mm×2 mm×0.1 mm聚氨酯漆層,根據(jù)材料參數(shù)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件選擇波長(zhǎng)為1064 nm的脈沖激光,設(shè)置激光功率為20 W,光斑直徑為78 μm,掃描速度為1000 mm/s。脈沖激光在X=1 mm處沿著Y軸正向掃描。

在采用有限元方法分析激光清洗過程時(shí),為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間減少計(jì)算浪費(fèi)必須要對(duì)激光清洗模型的進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化,漆層上的溫度、應(yīng)力等數(shù)值變化較大,遠(yuǎn)離激光基體層區(qū)域的網(wǎng)格密度對(duì)仿真結(jié)果影響較小,因此不同的單元格設(shè)置不同的網(wǎng)格密度,對(duì)漆層區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。圖3為ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化的模型,從而能夠用較為合理的時(shí)間得到精確的結(jié)果。

圖3 激光清洗三維有限元模型Fig.3 Finite element model and meshes of samples for laser cleaning

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論和熱-結(jié)構(gòu)力理論,進(jìn)行有限元分析需要知道材料的熱特性,通過查閱資料,查出本實(shí)驗(yàn)中使用的環(huán)氧鋅黃漆340 K及500 K時(shí)鋁合金基體的參數(shù)如表3所示。

表3 油漆層及基體層的熱特性參數(shù)Tab.3 Thermal characteristics of paintand aluminum alloy

對(duì)漆結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元計(jì)算,得出激光清洗產(chǎn)生的溫度在漆層表面及激光運(yùn)動(dòng)路徑下漆層與基體交界處的溫度深度圖如圖4所示。

圖4 t=0.01 s,漆層表面溫度分布圖和激光路徑下溫度深度圖Fig.4 t=0.01 s,paint surface temperature distributiondiagram and Temperature depth diagram under laser path

由圖4可以得到油漆層的溫度迅速上升,在高斯激光中心處的溫度甚至達(dá)到了1×104K數(shù)量級(jí),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漆層的氣化溫度點(diǎn)450 K,但隨著深度的下降溫度迅速降低,t=0.02(末時(shí)刻)時(shí),在激光路徑下Z=0、Z=10 μm、Z=20 μm(設(shè)定基體與漆層交界平面為Z=0面,靠近漆層方向?yàn)閆正方向)處溫度隨y坐標(biāo)值(沿著激光運(yùn)動(dòng)方向,進(jìn)入的時(shí)刻為y=0)溫度以及Z方向應(yīng)力變化如圖5所示。

圖5 激光路徑下不同深度處的溫度變化圖和Z方向應(yīng)力變化Fig.5 Temperature variation at different depthsunder laser path and stress variation in Z direction

由圖5知在距離基體10 μm以上的區(qū)域溫度大于漆層氣化點(diǎn)450 K可以通過燒蝕機(jī)理去除,基體與漆層交界處的溫度接近初始溫度值,無(wú)法達(dá)到氣化點(diǎn),對(duì)比應(yīng)力分布可以看到在基體與漆層交界處的應(yīng)力值最大,達(dá)到了7.8 MPa,對(duì)比所設(shè)定漆層去除的應(yīng)力值知漆層部分被部分去除。

將激光運(yùn)動(dòng)速度降低至600 mm/s,得到末時(shí)刻激光路徑下的溫度和應(yīng)力圖如圖6所示。

圖6 V=600 mm/s,激光路徑下不同深度處的溫度變化圖和Z方向應(yīng)力變化Fig.6 V=600 mm/s,Temperature variation at differentdepths under laser path and stress variation in Z direction

由圖6得到應(yīng)力分布,在基體與漆層交界處的應(yīng)力值最大,達(dá)到了11.5 MPa,對(duì)比漆層去除的應(yīng)力值知漆層部分被完全去除。

4 實(shí)驗(yàn)研究和結(jié)果分析

對(duì)這兩種仿真情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得到激光除漆后的表面形貌圖,如圖7所示。

圖7 激光除漆表面形貌圖Fig.7 Surface morphology of laser paint removal

由圖7可以看到漆層在激光掃描速度為1000 mm/s時(shí),部分從基體脫落,未脫落的漆層明顯氧化變黑,符合數(shù)值模擬結(jié)果大部分厚度漆層受到燒蝕效應(yīng)去除,與基體接觸面漆層部分受到振動(dòng)效應(yīng)部分去除。在激光掃描速度為600 mm/s時(shí),鋁合金基層表面無(wú)明顯漆層殘留,表面形貌發(fā)生略微改變,推測(cè)為漆層去除后部分激光直接作用在鋁基體表面,漆層去除效果符合數(shù)值模擬結(jié)論。

5 結(jié) 論

利用有限元分析軟件ANSYS建立了激光清洗鋁合金表面環(huán)氧鋅黃漆層的有限元模型,實(shí)現(xiàn)了激光清洗漆層過程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)可視化分析。分別研究了溫度和熱應(yīng)力對(duì)激光去除漆層效果的影響,通過有限元模擬分析了不同功率、掃描速度對(duì)于激光清洗漆層產(chǎn)生的影響和清洗效果,將實(shí)驗(yàn)效果與模擬效果對(duì)比證明在激光清洗中主要的作用機(jī)理未燒蝕和熱振動(dòng)效應(yīng)。在激光功率為20 W,掃描速度為1000 mm/s時(shí),激光只能去除部分區(qū)域漆層以及大部分厚度漆層。掃描速度將為600 mm/s時(shí),激光可以去除全部漆層但是掃描速度過慢會(huì)造成鋁合金表面形貌發(fā)生部分改變。基于模擬結(jié)果分析移動(dòng)激光參數(shù)對(duì)材料溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相同參數(shù)的激光清洗實(shí)驗(yàn),模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,從而驗(yàn)證了所建立的有限元模型的合理性。