激光清洗5083鋁合金表面漆層的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

萬 磊,王裕光,左小艷,張成俊,張 馳,王 軍

(武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢 430200)

1 引 言

在日常生活中和工業(yè)領(lǐng)域中不可避免地需要用油漆來保護(hù)金屬。但是當(dāng)金屬工作時(shí)間久了后,油漆會(huì)逐漸脫落而不能起到保護(hù)金屬的作用,金屬材料也要進(jìn)行定期缺陷檢測(cè)以及疲勞裂紋檢測(cè)[1]。所以需要去除掉金屬材料表面原有的漆層。傳統(tǒng)的除漆方法如機(jī)械打磨清洗,噴砂清洗,化學(xué)清洗除漆等,不僅過程繁瑣,清洗效率低下,對(duì)環(huán)境以及工人都有一定的危害,而且清洗之后會(huì)對(duì)工件表面造成一定的損傷[2,3]。激光清洗是一種新型的非接觸式表面污染物去除技術(shù),具有高效,綠色環(huán)保,精確度高,自動(dòng)化程度高等有點(diǎn)[4]。目前在工業(yè)領(lǐng)域逐漸應(yīng)用于金屬表面的除漆和除銹清洗工作。激光清洗的原理是利用激光是光束中的高能量直接輻照在待清洗工件的表面,使得污物與基體表面發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化,讓污物與基體表面發(fā)生脫離,如圖1所示。在除漆過程中,基體以及漆層都會(huì)吸收激光的能量而產(chǎn)生溫度場(chǎng),因?yàn)槠釋雍突w都有自己的熔點(diǎn)以及沸點(diǎn),所以溫度的變化可以直接反應(yīng)清洗效果的主要因素,而漆層以及基體表面的溫度不好直接測(cè)得,為了得出可以去除漆層而不傷及基體的溫度閾值,進(jìn)而得出激光功率閾值,因此采用有限元分析方法來研究溫度場(chǎng)分析和計(jì)算,給予試驗(yàn)研究有力的指導(dǎo)[5]。

目前,已有一部分的研究人員針對(duì)激光清洗金屬表面漆層的除漆機(jī)理,工藝參數(shù)等方面展開了一系列的研究。元泉等[6]研究了脈沖激光對(duì)鋁合金漆層和氧化層清洗效果的影響,通過對(duì)單脈沖能量、光斑搭接率、離焦量等參數(shù)對(duì)試驗(yàn)的影響,研究發(fā)現(xiàn)過高的單脈沖能量和光斑搭接率雖然會(huì)很好的去除漆層和氧化層,但是會(huì)對(duì)基體表面造成損傷；適當(dāng)?shù)碾x焦量可以更好的清洗掉分布沒有規(guī)則的漆層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示單脈沖能量為0.45 mJ、光斑搭接率為33 %、離焦量為1 mm時(shí)可以達(dá)到很好的清洗效果且不會(huì)傷及鋁合金基底。Madhukar Y K等[7]研究了激光工作模式對(duì)光纖激光器除漆效果的影響,對(duì)鋁合金和不銹鋼兩種基板上的油漆進(jìn)行清除試驗(yàn),激光模式從調(diào)制狀態(tài)下的5 %～100 %(連續(xù)),結(jié)果表明無論哪種模式均存在一系列的工藝參數(shù)使得基板上的油漆能夠被完全除去而不損傷,還發(fā)現(xiàn)了在150 Hz調(diào)制頻率下,占空比為5 %且光斑搭接率為50 %時(shí)的除漆效率最高。趙海朝[8]等人研究了脈沖激光對(duì)2024鋁合金表面漆層的清洗試驗(yàn),利用COMSOL Multiphysics建立該清洗模型,研究當(dāng)激光清洗時(shí)漆層內(nèi)不同深度的溫度分布以及應(yīng)力分布、組成漆層的高聚物分子中C-H、C=0、C-C的化學(xué)鍵斷裂以及內(nèi)聚力的破壞來分析激光除漆機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn):激光功率為16.5 W、掃描速度為600 mm/s、脈沖頻率為30 kHz時(shí)可以達(dá)到很好的清洗效果。且激光去除漆層的機(jī)理主要為漆層中內(nèi)聚力被激光能量破壞所導(dǎo)致。江國(guó)業(yè)等人[9]利用半導(dǎo)體泵浦激光器(短脈沖激光器)對(duì)X65管線鋼表面的環(huán)氧樹脂漆進(jìn)行激光清洗試驗(yàn),分別研究了激光作用后的金屬表面形貌、橫截面微觀組織、橫截面硬度分布。研究發(fā)現(xiàn):經(jīng)過激光清洗后的試樣表面會(huì)形成形狀和分布均沒有規(guī)律的微坑,微坑直徑與光斑直徑相吻合,且在截面發(fā)現(xiàn)形成了10～20 μm的帶狀區(qū)以及90～100 μm的裂紋區(qū),激光清洗前后基底表面硬度并沒有發(fā)生明顯變化。楊嘉年等[10]采用響應(yīng)面的方法研究了激光功率、掃描次數(shù)、光斑搭接率這三個(gè)參數(shù)對(duì)激光清洗304不銹鋼基體表面的丙烯酸聚氨酯漆的清洗效果,研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)激光功率為19.18 W,光斑搭接率為46.06 %,掃面次數(shù)為3次時(shí),激光清洗的效果最好,且此時(shí)基體表面的粗糙度符合再次涂漆要求,表面C和O的含量也表面基底未收到損傷。郭召恒等[11]為了研究納秒脈沖激光對(duì)HT250鑄鐵表面的漆層去除后金屬表面的影響規(guī)律,分析了激光清洗前后金屬表面的微觀形貌、含氧量、粗糙度。研究發(fā)現(xiàn):隨著激光功率的增大,除漆效率會(huì)逐漸提高,但是激光功率過大會(huì)使得基底表面粗糙度升高；當(dāng)清洗速度減小時(shí),試樣表面的O元素含量增高,漆層去除機(jī)制由振動(dòng)效應(yīng)和燒蝕效應(yīng)變?yōu)橐粺g效應(yīng)為主。最后得出當(dāng)激光功率為50 W、脈沖頻率為90 kHz、清洗速度為7000 mm/s時(shí),除漆的效率最好,且不傷及金屬基底。

雖然目前激光清洗在除漆方面的研究有很多,但是多以試驗(yàn)研究為主,很少有涉及到利用仿真模擬分析來提供更加精確的工藝參數(shù)指導(dǎo)。若是對(duì)于激光清洗比較精細(xì)的元器件等,單單利用試驗(yàn)研究相對(duì)來說難免會(huì)有較大的誤差。所以,利用仿真數(shù)值模擬來更加精確的分析激光與材料的相互作用,研究激光作用時(shí)材料表面以及深度上的溫度場(chǎng)分布時(shí)非常關(guān)鍵的,且光斑搭接率對(duì)清洗效果的影響同樣也是一個(gè)亟需研究的方面。

本文利用COMSOL軟件建立了光纖脈沖激光清洗5083鋁合金表面丙烯酸聚氨酯漆模型,探究了激光功率以及光斑搭接率對(duì)模型溫度場(chǎng)以及清洗深度的影響,用以確定較為合適的激光參數(shù),最后通過試驗(yàn)為對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)研究了激光清洗對(duì)鋁合金表面粗糙度的影響,旨在為以后的光纖脈沖激光清洗提供理論指導(dǎo)以及工藝參數(shù)參考。

2 激光除漆的原理及理論模型

光纖脈沖激光除漆的過程理論上就是當(dāng)脈沖激光輻照在漆層表面時(shí),漆層以及基底都會(huì)吸收激光能量,形成激光與漆層以及基底的之間的作用力,而當(dāng)此作用力克服掉基底與漆層之間的粘附力時(shí)漆層脫落基底；或者是漆層吸收激光的能量導(dǎo)致漆層直接氣化而實(shí)現(xiàn)除漆的過程。激光除漆主要包括振動(dòng)效應(yīng)以及燒蝕效應(yīng),振動(dòng)效應(yīng)是指基底以及漆層受到短時(shí)間的激光輻照之后都會(huì)發(fā)生形變,導(dǎo)致形變產(chǎn)生的熱膨脹應(yīng)力以及彈性應(yīng)力大于漆層以及基底之間的粘附力,使得漆層脫離基底；燒蝕效應(yīng)是指激光輻照在漆層表面,使得油漆溫度達(dá)到自身的氣化溫度,導(dǎo)致漆層氣化去除的效果[12]。

如圖1所示為光纖脈沖激光清洗鋁合金表面漆層的示意圖。激光通過光束調(diào)整系統(tǒng)對(duì)激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直,隨后通過掃描振鏡進(jìn)行往復(fù)掃描,然后利用聚焦鏡聚焦后輻照到帶清洗基材表面,進(jìn)行激光清洗工作。而少量的能量會(huì)發(fā)生熱對(duì)流以及熱輻射而損失,其中激光的大部分能量都會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)被覆蓋在鋁合金表面的漆層吸收,使得漆層達(dá)到氣化溫度。

圖1 激光清洗原理示意圖

所以激光清洗實(shí)際上就是激光對(duì)于材料的燒蝕效應(yīng),其清洗模型如圖2所示,空間坐標(biāo)系以z=0處的基底與漆層的接觸面建立,基底表面漆層的厚度為Dp,基體自身的厚度為Ds,漆層的厚度Dp遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基底的厚度Ds。

(a)空間坐標(biāo)系圖

(b)平面坐標(biāo)系圖

在光纖脈沖激光除漆試驗(yàn)中,脈沖激光的功率密度與時(shí)間和空間位置的變化有關(guān),當(dāng)初始入射的脈沖激光的功率密度為I0時(shí),高斯分布的脈沖激光表達(dá)式[13]為:

I(r,t)=I0s(r)g(t)

(1)

式中,I0為入射激光起始的功率密度;s(r)與g(t)為光纖脈沖光激光在時(shí)間和空間上的分布形式;τ為脈沖激光函數(shù)的全峰脈寬。

在光纖脈沖激光除漆過程中,其熱傳導(dǎo)過程遵循傅里葉熱傳導(dǎo)定律,在空間坐標(biāo)系下三維熱傳導(dǎo)控制方程[14]為:

(2)

脈沖激光在作用過程中符合高斯分布模型,故當(dāng)不考慮激光與試驗(yàn)材料之間的相互作用時(shí),其本身的能量在時(shí)間以及空間上的符合正態(tài)分布模型,其正太分布的表達(dá)式[15]為:

(3)

當(dāng)激光在一定區(qū)域內(nèi)光斑為均勻分布,則在激光工作時(shí)間內(nèi),選取的脈沖激光平均功率密度恒定不變,得到溫度隨加工深度以及時(shí)間的變化的解析解[16]為:

(4)

式(3),(4)中,I(x,y,z,t)表示激光的峰值功率密度(W/cm2);t為激光加載時(shí)間;P為激光的峰值功率(W);R為光纖脈沖激光光斑半徑(cm);α為材料熱擴(kuò)散率;τ為光纖脈沖激光脈寬(s);tp為脈沖激光周期(s);γ為大于1的整數(shù);T0為材料的初始溫度;S為光斑面積。

因?yàn)樵趯?shí)際的激光除漆過程中,影響激光除漆的因素非常多,其中蘊(yùn)含的物理化學(xué)變化繁多且雜,故在進(jìn)行數(shù)值模擬中做出如下假設(shè)[17-19]:

模型中的初始溫度為環(huán)境溫度,即:

T|t=0=T0

(5)

在模型中認(rèn)為漆層以及鋁合金基體表面是無限大的,所以在整個(gè)模型側(cè)部沒有熱傳導(dǎo),所以系統(tǒng)側(cè)部的邊界條件為:

(6)

在漆層與基體表面的接觸面(即z=0)為理想接觸面,有百分百的遞效率,所以兩面每時(shí)每刻均具有相同的溫度,即:

TS(x,y,z,t)=TP(x,y,z,t)

(7)

激光加工深度越深,激光功率逐漸為0,且激光加工所作用的溫度逐漸消失,即

(8)

基底底部與入射光相反的背面假設(shè)為絕熱條件,所以基體底面的邊界條件為:

Ts(x,y,-Ds,t)=T0

(9)

式中,Ds為基體厚度。

3 數(shù)值模型

3.1 建立基體和漆層的模型

激光除漆的鋁合金—漆層模型如圖3所示,基體采用5 mm×5 mm×1 mm的5083鋁合金,鋁合金表面漆層為100 μm的丙烯酸聚氨酯漆,為了在模擬中顯示激光清洗過程中溫度場(chǎng)的精確的變化,對(duì)基體—漆層模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,其中,漆層模型的網(wǎng)格劃分比鋁合金基體模型的網(wǎng)格劃分要細(xì)得多,且在漆層劃分中,由于脈沖激光作于表面之后的溫度場(chǎng)梯度較大,在非常小的區(qū)域內(nèi)溫度的變化可能會(huì)非常大,所以在漆層被激光作用的區(qū)域內(nèi),要把網(wǎng)格劃分得更細(xì)致,中間那部分黑色就是網(wǎng)格劃分密集顯現(xiàn)出來的,用以更好得觀察激光清洗過程中溫度場(chǎng)與位移場(chǎng)的同步可視化分析[20]。

圖3 鋁合金基底以及漆層的有限元模型以及網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬過程中5083鋁合金以及丙烯酸聚氨酯漆得熱物性參數(shù)如表1所示`。

3.2 光纖脈沖激光除漆模擬

建立光纖脈沖激光清洗5083鋁合金表面丙烯酸聚氨酯漆層的模型,來研究清洗時(shí)溫度場(chǎng)與清洗深度的瞬態(tài)可視化分析。

3.2.1 激光功率對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響

在模擬試驗(yàn)中,激光垂直的輻照在基體—漆層表面,并沿著x正方向進(jìn)行高速移動(dòng),對(duì)激光清洗過后的溫度場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)分析,設(shè)置好脈沖激光的時(shí)間步,使得脈沖激光間隔一小段時(shí)間就往x軸正方向前進(jìn)一步,進(jìn)而形成清洗表面的溫度場(chǎng)。

表1 丙烯酸聚氨酯漆和5083鋁合金熱物性參數(shù)表

參考以往的激光除漆試驗(yàn)參數(shù),先分別設(shè)置脈沖激光的功率為10 W、20 W、30 W、40 W,光斑直徑均為50 μm,激光重復(fù)頻率為100 kHz,光斑搭接率設(shè)置為50 %,根據(jù)激光能量密度公式[21]:

(10)

可計(jì)算出激光能量密度φ在f與D一定時(shí)與P呈正相關(guān)。其中,φ為激光能量密度(J/cm2);P為激光平均功率(W);f為脈沖激光重復(fù)頻率(kHz);D為光斑直徑(cm)。所以在一定條件下,研究激光能量密度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響相當(dāng)于研究激光功率對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響。

故在相同時(shí)間內(nèi),上述四種不同功率的的脈沖激光對(duì)基體表面漆層的溫度分布影響如圖4所示。

圖4 相同時(shí)間內(nèi)不同的激光功率對(duì)漆層表面溫度分布的影響

從圖中4可以看到,激光在掃過丙烯酸聚氨酯漆過后,會(huì)在漆層表面留下一層清洗軌跡,在清洗軌跡中可以看到溫度場(chǎng)分布屬于高斯型分布,且越靠近脈沖激光光斑中心,溫度越高,越靠近光斑邊緣,溫度越低。且隨著激光功率的升高,漆層表面掃面路徑上殘留脈沖尚未冷卻的溫度場(chǎng)的溫度越高。

圖5 相同時(shí)間內(nèi)不同激光功率對(duì)漆層溫度的影響

如圖5所示為漆層溫度在不同激光功率下隨激光作用時(shí)間的變化。可以看出隨著激光功率的增加,相同時(shí)間內(nèi)漆層的升溫速度也就越大。在激光功率為40 W時(shí),溫度在脈沖時(shí)間結(jié)束時(shí)達(dá)到最高,此時(shí)溫度為634 ℃。而在激光功率為10 W時(shí),溫度升高的最慢,且最高溫度為147 ℃。由此可見,隨著激光功率的增加,漆層表面的升溫速率也會(huì)隨之增大,且能夠達(dá)到的最高溫度也就越高。

3.2.2 激光功率對(duì)清洗深度的影響

在脈沖激光清洗試驗(yàn)中,激光器以一個(gè)接一個(gè)的光斑輻照在待清洗基體表面,光斑是由于激光脈沖形成的,而對(duì)于激光對(duì)基體的清洗深度也是由于單個(gè)脈沖的能量密度所決定的。由激光能量密度公式可以得出當(dāng)脈沖頻率一定時(shí),激光的平均功率越大,則單個(gè)脈沖能量密度也就越大,清洗深度就會(huì)越深。

如圖6所示為激光平均功率分別為10 W,20 W,30 W,40 W,脈沖頻率為100 kHz時(shí)激光清洗鋁合金表面漆層的深度以及截面處的溫度場(chǎng)分布。由圖可見,當(dāng)激光功率為10 W時(shí),覆蓋在鋁合金表面的丙烯酸聚氨酯漆層并沒有完全被去除掉,仍然有少許的漆層覆蓋在基體表面；當(dāng)激光功率為20 W時(shí),脈沖激光基本上能夠把基體表面的漆層去除,但是清洗深度只是剛好達(dá)到基體表面,燒蝕的坑周圍還有許多漆層材料,還不能達(dá)到很好的除漆效果；當(dāng)激光功率為30 W時(shí),脈沖激光已經(jīng)能很好的去除掉基體表面的漆層材料,并且對(duì)鋁合金基體有少許的燒蝕作用,燒蝕的深度約為10 μm,達(dá)到了比較好的清洗效果；當(dāng)激光功率為40 W時(shí),脈沖激光由于功率過大,在完全去除掉基體表面的漆層材料的同時(shí)也對(duì)基體表面造成了比較大的損傷,基體被燒蝕的深度達(dá)到40 μm。所以對(duì)根據(jù)激光功率對(duì)清洗深度深度的研究可以得出,當(dāng)激光功率增大時(shí),脈沖激光可以逐漸清除掉基體表面的漆層才材料,當(dāng)漆層材料會(huì)被去除盡數(shù)去除,達(dá)到完美的清洗效果,而隨著功率的繼續(xù)增大,會(huì)使得基體表面受到激光輻照而被損傷,形成微坑。

圖6 不同功率下的清洗深度

3.2.3 光斑搭接率對(duì)清洗效率的影響

在脈沖激光工作時(shí),會(huì)在試樣表面留下一條清洗軌跡,這條軌跡是由許多脈沖點(diǎn)形成的,這是由于在激光光束調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的振鏡的作用下,使得激光脈沖朝著一定的方向進(jìn)行移動(dòng),脈沖激光在X振鏡作用下朝著X方向移動(dòng),當(dāng)X方向的一條掃描線移動(dòng)到邊緣之后,Y振鏡會(huì)使得點(diǎn)脈沖偏折,會(huì)在空間上形成另一條與上一條平行的掃描線,如此循環(huán)往復(fù),形成清洗面。而對(duì)于脈沖激光來說,所形成的脈沖光斑為準(zhǔn)高斯型,光斑中間部分能量集中,較為均勻,光斑邊緣部分能量較為稀疏,所以各光斑之間需要一定的重合來互相彌補(bǔ)光斑邊緣稀疏的能量才能有效的實(shí)現(xiàn)激光清洗工作,而這些重合部分的多少就是光斑搭接率。因此,找到一個(gè)合適的光斑搭接率對(duì)清洗效率而言顯得尤為重要。

如圖7(a)為激光清洗軌跡示意圖,圖7(b)為激光光斑之間的搭接示意圖。激光光斑直徑為D,搭接長(zhǎng)度為l,則搭接率:

(11)

即當(dāng)l=D時(shí),各光斑之間完全重合,搭接率為100 %,激光不予移動(dòng)；當(dāng)l=0時(shí),光斑之間的邊緣正好接觸且完全沒有重合部分,此時(shí)搭接率為0 %。

圖7 光斑排列圖

為了更好地體現(xiàn)出光斑搭接率對(duì)清洗效果的影響,利用如圖8所示方向的截面圖來進(jìn)行模擬研究,即截面圖為y=2.5 mm的xz平面圖。

圖8 y=2.5 mm的xz平面圖的截取方向

根據(jù)上述模擬結(jié)果,在進(jìn)行光斑搭接率的研究過程中選擇激光功率為30 W,激光脈沖頻率選擇100 kHz。從圖中9(a)可以看出,當(dāng)脈沖激光的搭接率為0時(shí),激光在移動(dòng)過程中對(duì)漆層表面所燒蝕的微坑之間仍然有很多多余的漆層,這是因?yàn)樵谇逑催^程中激光對(duì)漆層的熱累積效應(yīng)不夠,導(dǎo)致了微坑之間的漆層材料沒有受到激光輻照的影響,所以這個(gè)區(qū)域的漆層并沒有被激光燒蝕掉,且在在此光斑搭接率下試樣表面的最高溫度為423 ℃,這樣并沒有達(dá)到預(yù)期的清洗效果。而如圖9(b)中可以看出,當(dāng)脈沖激光的光斑搭接率為50 %時(shí),激光的掃描速度很慢,從而使得脈沖激光輻照在漆層表面的溫度場(chǎng)疊加而形成一條與完整的清洗路徑,熱累積效應(yīng)增加,且不存在未被輻照到的漆層,熱影響區(qū)域大大增加,清洗表面光滑完整。

且由圖可知材料的最高溫度為618 ℃,已經(jīng)達(dá)到了漆層材料的氣化溫度,可以有效的去除漆層材料。

圖9 不同光斑搭接率情況下的清洗效果

當(dāng)激光功率選取為30 W時(shí),漆層表面以及鋁合金基體表面的溫度隨著光斑搭接率的變化如圖所示。由圖10中可以看出,當(dāng)脈沖激光的光斑搭接率大于50 %時(shí),兩者的最高溫度隨著光斑搭接率的增大而明顯的升高,原因是當(dāng)脈沖激光的光斑搭接率較大時(shí),有一部分基體表面的區(qū)域同時(shí)受到兩個(gè)脈沖激光疊加輻照,使得在漆層表面引起的熱累積效應(yīng)隨之增加,漆層表面和基體表面的溫度也隨之增加。而隨著光斑搭接率的繼續(xù)增加到50 %以上時(shí),試樣表面的溫度會(huì)繼續(xù)增加,熱累計(jì)效應(yīng)會(huì)使得溫度提高到超過鋁合金基體的熔點(diǎn),進(jìn)而損壞基體,而50 %的搭接率已經(jīng)可以去除全部的漆層材料。

圖10 漆層和基體表面最高溫度隨光斑搭接率的變化

4 激光除漆實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的真實(shí)性,本課題采用由IPG公司生產(chǎn)YLP-HP-1-100-100-100型光纖激光器,輸出光纖脈沖激光對(duì)5083鋁合金進(jìn)行激光清洗試驗(yàn)。激光清洗設(shè)備整機(jī)光纖脈沖激光器、專業(yè)水冷機(jī)、傳導(dǎo)光纖、激光掃描振鏡和場(chǎng)鏡等光學(xué)系統(tǒng)多個(gè)結(jié)構(gòu)組成,可裝置于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、機(jī)器人等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定自動(dòng)化清洗,具有清洗效率高、效果好、清洗對(duì)象廣泛等設(shè)備特點(diǎn),具體試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。鋁合金試樣采用的尺寸為5 mm×5 mm×1 mm的5083鋁合金基體,漆層采用丙烯酸聚氨酯漆,在基體表面涂覆厚度為100 μm。根據(jù)上述光纖脈沖激光對(duì)鋁合金基體清洗的模擬研究,試驗(yàn)采用光斑搭接率為50 %,光斑直徑為50 μm,激光功能功率選擇10～40 W,激光重復(fù)頻率選擇為100 kHz。

4.1 激光清洗后的微觀形貌分析

為了觀察激光清洗之后的基體表面的微觀形貌,先采用EMPA-8050G電子探針顯微分析儀對(duì)激光清洗之后的試樣進(jìn)行觀察,其形貌如圖11所示?？梢钥闯?在脈沖激光清洗之后,試樣表面會(huì)形成一道道熔融狀態(tài)下的火山坑,且火山坑的直徑約50 μm,這是由于符合高斯熱源分布的脈沖激光的中心溫度較高,邊緣溫度較低而形成的微坑。采用日本基恩士公司生產(chǎn)的VK-X200K型號(hào)的激光共聚焦顯微鏡對(duì)清洗之后的鋁合金基體表面進(jìn)行表面觀察。

表2 激光清洗設(shè)備技術(shù)參數(shù)表

隨后在共聚焦顯微鏡觀察下,激光功率從10 W增加至40 W,激光對(duì)基體表面的影響越來越大,其微觀形貌如圖12所示。

圖11 激光清洗之后鋁合金基體表面的EMPA圖

圖12 不同功率的激光的清洗鋁合金基體表面的微觀形貌

從圖12中可以看出:當(dāng)激光功率為10 W時(shí),鋁合金基體表面并沒有非常明顯的變化,涂覆在表面的丙烯酸聚氨酯漆依然比較完整的覆蓋在表面,整體來看和激光清洗之前沒有發(fā)生比較明顯的變化,和原始的基材形貌相似；當(dāng)激光功率為20 W時(shí),可以在激光掃描的路徑上看到少許的微坑,這是由于激光聚焦在基體表面而發(fā)生燒蝕效應(yīng)形成的熔融的微坑,這是由于光纖脈沖激光的聚焦處高斯熱源中心的溫度雖然使得鋁合金基體表面的漆層達(dá)到氣化溫度,但是由于功率較低,導(dǎo)致基體表面漆層并沒有被很好的去除,絕大多數(shù)漆層依然停留在基體表面,沒有被燒蝕掉。所以此時(shí)的清洗效果并沒有達(dá)到比較好的狀態(tài)；當(dāng)激光功率為30 W時(shí),從圖中可以看出,鋁合金表面漆層已經(jīng)呈現(xiàn)出完全熔融狀態(tài),鋁合金基底的銀白色已經(jīng)開始顯露出來,這是由于激光功率的增大使得漆層材料已經(jīng)達(dá)到了氣化溫度,且使得漆層盡數(shù)氣化,且溫度接近于鋁合金基體的熔點(diǎn),此時(shí)清洗效果最好,且未傷及鋁合金基體表面。當(dāng)激光功率達(dá)到40 W時(shí),試樣表面呈現(xiàn)出大量熔融狀態(tài)的微坑,鋁合金表面被激光燒蝕而顯現(xiàn)出的微坑和熔融狀態(tài)下的漆層材料雜糅在一起,使得試樣表面變得凹凸不平,鋁合金表面在此激光功率下已經(jīng)受到損壞。

4.2 表面粗糙度

優(yōu)先利用共聚焦顯微鏡對(duì)清洗之后的試樣表面進(jìn)行觀測(cè),隨后再采用表面粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量,為了保證測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,對(duì)每個(gè)試樣表面的兩個(gè)垂直方向分別測(cè)量3次,然后取6次測(cè)量的平均值作為表面粗糙度Ra的值。在完成經(jīng)過激光清洗之后的試樣的粗糙度測(cè)試之后,再與未經(jīng)過激光清洗的試樣表面粗糙度進(jìn)行對(duì)比,數(shù)值如表3所示,曲線圖及微觀形貌如圖13所示。

表3 不同功率的激光清洗前后基材表面的粗糙度

由圖13中可以看出,隨著激光功率的增大,試樣表面的粗糙度呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)。這是由于當(dāng)脈沖頻率一定時(shí),激光的平均功率越大,則單個(gè)脈沖能量密度也就越大。當(dāng)激光功率為10 W時(shí),激光沒有觸及到鋁合金基體表面,激光單純地在漆層材料表面燒蝕出一個(gè)個(gè)火山微坑,導(dǎo)致試樣表面的粗糙度較未清洗時(shí)有所增加；當(dāng)激光功率為20 W時(shí),激光剛好燒蝕到基體表面,基體表面地漆層基本上被燒蝕殆盡,但是仍然有少許的漆層材料停留在鋁合金基體表面,此時(shí)粗糙度較未清洗時(shí)低；當(dāng)激光功率為30 W時(shí),漆層材料已經(jīng)完全被燒蝕干凈,且在50 %的光斑搭接率下,由于激光能量的疊加作用使得基體表面被激光完整的燒蝕掉約10 μm的厚度,在此激光功率的燒蝕下,燒蝕過的痕跡光滑,粗糙度達(dá)到最低；當(dāng)激光功率為40 W時(shí),不僅漆層材料被燒蝕殆盡,由于鋁合金基體的熔融溫度與漆層材料的氣化溫度相差較大,激光把漆層燒蝕完畢之后多余的能量在50 %的 光斑搭接率下疊加在基體表面,使得基體表面開始出現(xiàn)熔融現(xiàn)象,且光斑直徑遠(yuǎn)小于50 μm,鋁合金基體表面被損壞,粗糙度反而增加到最高。

圖13 不同功率的激光清洗前后基材表面的粗糙度

從上述實(shí)驗(yàn)可得:當(dāng)激光重復(fù)頻率一定時(shí),激光的功率逐漸加大會(huì)導(dǎo)致試樣表面的粗糙度先增大然后減小然后再增大的趨勢(shì),在激光功率為30 W的時(shí)候除漆效果最好,且不損壞基體表面,表面粗糙度達(dá)到最低為4.48 μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果大致相同,從而證明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

綜上所述,金屬表面激光除漆技術(shù)時(shí)激光清洗領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要分支,有著廣闊的發(fā)展前景。文中利用COMSOL軟件建立了光纖脈沖激光清洗5083鋁合金表面丙烯酸聚氨酯漆模型,模擬了脈沖激光在清洗工件時(shí)工件表面的溫度場(chǎng)模型,分析了不同功率參數(shù)下的脈沖激光對(duì)工件的清洗深度的影響,并且完成了光斑搭接率對(duì)清洗效果的可視化分析。將有限元模擬的結(jié)果與激光清洗試樣之后的表面質(zhì)量作比較分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)脈沖激光的重復(fù)頻率以及光斑直徑一定時(shí),激光功率以及光斑搭接率共同決定清洗效果,其中功率越大,清洗深度越大,但是功率過大會(huì)導(dǎo)致鋁合金基體表面受到激光輻照的作用而受到損壞,激光功率為30 W時(shí),漆層材料被完全去除,鋁合金表面的去除深度為10 μm；光斑搭接率越小,激光輻照在試樣表面的熱累計(jì)效應(yīng)越低,清洗效率越低,當(dāng)光斑搭接率為50 %時(shí),清洗效果最為合適。通過模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比研究可得出,當(dāng)光纖脈沖激光的光斑直徑以及重復(fù)率一定時(shí),使用激光功率為30 W,光斑搭接率為50 %時(shí),可以完全去除漆層材料且不傷及基體,且經(jīng)過此及激光參數(shù)清洗之后的試樣表面粗糙度較清洗前降低,為4.48 μm。