圓筒網(wǎng)涂層激光清除的掃描覆蓋模型研究

李紅軍,石雅婷,張 弛,江 維,陳 偉,3

(1.工業(yè)雷管智能裝配湖北省工程研究中心,湖北 武漢 430073;2.武漢紡織大學機械工程與自動化學院,湖北 武漢 430073;3.湖北省數(shù)字化紡織裝備重點實驗室,湖北 武漢 430073)

1 引 言

印花網(wǎng)作為印染重要部件,由稀有鎳金屬電鍍制作成圓筒狀一體式網(wǎng)面,中國鎳資源貧乏,研究鎳網(wǎng)清洗以實現(xiàn)循環(huán)利用具有重大意義。目前印花鎳網(wǎng)上聚合物涂層清洗,常見的清洗方式仍為強力噴淋、化學溶解和超聲波清洗等[1-2]。印花網(wǎng)回收利用的情況并不樂觀,由于回收、處理過程相對繁瑣,使用過的鎳網(wǎng)廢棄現(xiàn)象較為普遍[3]。隨著激光技術(shù)的發(fā)展,激光清洗[4]作為一種綠色環(huán)保、無接觸清洗方式走入人們的視野,已有微電子器件清洗、除銹脫漆[5]、器件表層橡膠去除[6]、文物和墻面清洗[7]等相關(guān)應(yīng)用研究。2017年,李倩等人提出了激光清洗印花金屬網(wǎng)表面感光膠涂層的可行性[3]。2021年,Kim Ji-Eon等人[8]通過配比激光掃描速度與能量密度并進行清洗實驗,得到了去除造船用鋼材表面的底漆和氧化層的最佳清洗工藝參數(shù)。2021年,薛少兵等人針對激光清洗印花網(wǎng)進行研究并設(shè)計機械裝置[9]。

上述研究并非針對圓筒網(wǎng)表面聚合物涂層激光清洗展開研究,或是對激光疊覆相關(guān)研究甚少。而激光清洗主要工藝參數(shù)包括掃描速度和能量密度,不同的靶材、不同應(yīng)用環(huán)境下所需參數(shù)會有所不同。

激光清洗中作用區(qū)域和激光功率參數(shù)是非常重要的兩個參數(shù)指標,提高覆蓋范圍內(nèi)的光強均度有助于清洗覆蓋均勻的靶材。基于提高圓網(wǎng)清洗中激光覆蓋率及光強分布均勻性的目的,對圓網(wǎng)機構(gòu)的激光掃描覆蓋策略展開研究,提出一種線式掃描軌跡光強疊覆優(yōu)化模型,使在優(yōu)化參數(shù)下清洗區(qū)域覆蓋率達到100 %,光強分布均勻。利用10.6 μm的CO2激光器對圓筒表層的高分子涂層進行清洗,觀察激光輻照后的樣本表面形貌,并對清洗后的樣本多處進行紅外光譜測試,結(jié)果較好驗證了優(yōu)化參數(shù)下的光強分布均勻性。本研究為激光清除圓筒機構(gòu)表層涂層的相關(guān)應(yīng)用及其最優(yōu)參數(shù)研究提供理論依據(jù),對于實驗和工業(yè)應(yīng)用都具有一定參考價值。

2 激光圓筒掃描軌跡及光強疊覆模型

2.1 圓筒機構(gòu)單點掃描軌跡模型

圓筒機構(gòu)激光掃描示意圖如圖1所示,假定清洗過程中激光掃描速率VPX、激光器沿X軸正方向移動速度Vx及圓筒轉(zhuǎn)速不改變。激光器沿X軸正方向移動的速度為Vx(mm/s),圓筒表面周長為Lc(mm)當圓筒旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速為W(rpm),對于圓筒表面光斑點即以Vy(mm/s)速度沿Y軸正方向移動,有:

圖1 圓筒機構(gòu)激光掃描示意圖Fig.1 Cylinder mechanism laser scanning schematic

(1)

單點掃描覆蓋策略下的光斑軌跡模型為f(Vx,Vy)。若在Δt秒內(nèi)求得X軸、Y軸方向的位移變化值,則可求對應(yīng)方向的分速度；設(shè)光斑點沿X軸、Y軸上的位移變化分別為ΔSx、ΔSy,運動時間為Δt,則有:

(2)

清洗區(qū)域光斑覆蓋率是圓筒機構(gòu)激光掃描效果的重要參考指標之一,計算公式為:

(3)

其中,S表示選定的區(qū)域面積;Scover表示選定區(qū)域被光斑覆蓋的區(qū)域面積,單位mm2。為分析圓網(wǎng)轉(zhuǎn)速即Vy對清洗區(qū)域激光覆蓋率的影響規(guī)律,模擬點式掃描覆蓋策略下光斑軌跡,取參數(shù)Vx=1 mm/s,Lc=647 mm,脈沖頻率20 kHz,取Vy∈[500,6000,單位mm/s。覆蓋率變化如圖2所示。

圖2 單點掃描軌跡下不同圓筒轉(zhuǎn)速下的清洗區(qū)域激光覆蓋率變化Fig.2 Variation of laser coverage of cleaning area under different cylinder speed with single point scanning trajectory

分析軌跡圖發(fā)現(xiàn)光斑呈規(guī)則斜紋分布,當圓筒轉(zhuǎn)速一定時,Vy越大清洗區(qū)域光斑Y向間距越大；在Vy<3000 mm/s時圓筒轉(zhuǎn)速越快,覆蓋率越高,近似線性增長；Vy>3000 mm/s時覆蓋率普遍大于90 %,速度為3500 mm/s、4500 mm/s、6000 mm/s可實現(xiàn)全覆蓋。

2.2 線式掃描軌跡模型與光斑疊覆

單點掃描策略的基礎(chǔ)上,增加X向振鏡掃描速度,構(gòu)建線式掃描策略軌跡模型g(Vx,Vy,Vpx),即在增加了振鏡掃描速度VPx,控制振鏡來回直線掃描。設(shè)光斑點沿X軸、Y軸上的位移變化分別為ΔSx、ΔSy,運動時間為Δt,則在lx1軌跡段,即VPx與Vx方向一致時,有:

(4)

在lx1軌跡段,即VPx與Vx方向一致時,有:

(5)

圖3 單次振鏡掃描光斑軌跡示意圖Fig.3 Schematic diagram of single vibrating mirror scanning spot trajectory

激光直線軌跡實際由多個標刻點構(gòu)成[10],標刻點的直徑與激光器光斑直徑和場鏡聚焦效果相關(guān)。將軌跡作X和Y軸方向分別討論,即圓心距l(xiāng)interval在X方向表示為投影到X軸的長度lx,Y方向表示為投影到Y(jié)軸的長度ly,如圖4中(a)(b)所示。軌跡圖如圖4(c)所示時,光斑圓心距l(xiāng)interval軌跡段上的光斑重疊率計算公式為:

圖4 Y方向光斑重疊示意圖、X方向光斑重疊示意圖及軌跡光斑重疊示意圖Fig.4 Y-direction light spot overlap schematic,X-direction light spot overlap schematic and Schematic diagram of track spot overlap

(6)

其中,r0表示光斑直徑；linterval_x表示軌跡直線上光斑圓心間距投影到X軸的長度,linterval_y表示軌跡直線上光斑圓心間距投影到Y(jié)軸的長度。當1≥koverlap>0時,光斑與光斑有重疊；koverlap=1時,兩斑完全重疊；兩光斑無重疊時,有koverlap>1。

為分析Vx對清洗區(qū)域激光覆蓋率的影響規(guī)律,令參數(shù)Vy=3235 mm/s,VPx=2500 mm/s,Lc=647 mm,脈沖頻率20 kHz,取Vx∈[0.1,2,單位mm/s,代入模型進行計算,結(jié)果如圖5所示。

圖5 激光平移速度與覆蓋率及光強均度關(guān)系圖Fig.5 Plot of laser translation speed versus coverage and light intensity uniformity

分析軌跡圖發(fā)現(xiàn)線式掃描軌跡紋理大多較為凌亂,且分析圖5數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)清洗區(qū)域光強平均值與光強標準差相關(guān)度較低。隨著激光平移速度增加,區(qū)域光強平均值逐漸減小,覆蓋率呈減小趨勢但并非線性關(guān)系。即轉(zhuǎn)速一定時,平移速度越小,越容易實現(xiàn)光斑全覆蓋。

2.3 線式掃描光強分布均度優(yōu)化

不同激光掃描覆蓋策略會影響激光輻照能量分布,對清洗效果具有直接影響[11]。在實際激光輻照過程中,由于高斯激光能量并非平均分布于光斑區(qū)域,在疊加、長時間作用過程中,能量積聚易導致清洗區(qū)域出現(xiàn)局部能量過高從而穿透薄質(zhì)基材,或因能量密度過低導致部分區(qū)域靶材大量殘余。因此,光強分布均勻性對于激光清洗效果是重要的影響因素之一,由此將線式掃描軌跡模型與光斑光強分布擬合,并優(yōu)化掃描參數(shù)以提高光強分布均勻性,建構(gòu)線式掃描光強疊覆模型如下:

(7)

其中,I表示光強分布;g表示光斑點坐標軌跡;P表示經(jīng)過t秒后的光強分布。通常情形下,激光諧振腔發(fā)出的基模輻射場的橫截面的振幅分布遵守高斯函數(shù),故稱高斯光束。柱坐標下對Helmholtz方程求解,在緩變振幅近似下得到高斯光束基模解。高斯光束的聚焦光斑直徑定義為光強1/e2處的直徑范圍,光斑直徑范圍內(nèi)光強占,因此僅考慮小于聚焦光斑直徑范圍內(nèi)光強。假設(shè)激光到靶材距離等于焦距,則對于靶材表面單次光斑輻照的激光光強分布為:

(8)

(9)

其中,T表示圓筒旋轉(zhuǎn)一周時間；Lc代表圓筒周長。對于功率一定情況下,單點激光的持續(xù)時間決定了射出的激光能量,設(shè)單點位置處激光振鏡停留的時間為tinterval,則此參數(shù)限制了清洗激光能量值的上限。設(shè)旋轉(zhuǎn)一周軌跡尖峰個數(shù)為N,單次掃描直線上有n個光斑點,邊界條件下可得關(guān)系式:

(10)

其中,N和n均為正整數(shù),可由此求得N、n解集。根據(jù)公式6可得掃描軌跡長度L0計算公式為:

L0=(1-k0)r0·n+k0·r0

(11)

取Vx=1 mm/s,據(jù)公式9求得速度配比Vy/Vx=3235,分析覆蓋率可知在此參數(shù)下兩種策略均可達到光斑全覆蓋。基于點式掃描策略軌跡模型和線式掃描光強疊覆優(yōu)化策略模型分別對光強分布進行擬合,區(qū)域光強分布如圖6所示。發(fā)現(xiàn)相同速度參數(shù)下,相較單點掃描策略,基于線式掃描光強疊覆優(yōu)化策略的光強分布更均勻。

圖6 基于激光掃描軌跡的高斯光強疊覆圖Fig.6 Gaussian light intensity overlay map based on laser scan trajectory

3 實驗與分析

3.1 圓筒轉(zhuǎn)速對激光覆蓋率分析

由于圓筒機構(gòu)激光掃描覆蓋特性,在單獨任一種掃描覆蓋策略下,被清洗區(qū)域的起始片區(qū)和終點區(qū)域均不能被光斑完全覆蓋,為便于比較掃描參數(shù)對被掃描區(qū)域的覆蓋率影響,將圓筒形靶材看作寬度等于圓筒周長Lc、長度為L的矩形清洗區(qū)域,并劃分為3個片區(qū)。如圖7中矩形區(qū)域所示,被清洗區(qū)域S=Sa+Sc+Sb,起始區(qū)域Sa是從起點處光斑X向點位置至掃描圓筒一周后的光斑X向點位置為寬度的區(qū)域,中間部分Sc區(qū)域稱為中間區(qū)域,本文僅對中間區(qū)域清洗效果進行分析討論。

圖7 清洗區(qū)域示意圖Fig.7 Diagram of the cleaning area

取固定參數(shù)值如表1所示,間隔取Lx值,由公式9計算得到不同速度配比,在中間區(qū)域采樣,求得覆蓋率變化如圖8所示。發(fā)現(xiàn)當速度配比在[2156,5391]區(qū)間時,線式掃描光強疊覆優(yōu)化策略下覆蓋率普遍更高。當Vx一定時,速度配比更小意味著Vy速度更小,即所需轉(zhuǎn)速更小。在實際應(yīng)用中,更小的轉(zhuǎn)速能夠降低振動[8]、減少軸承磨損、延長設(shè)備使用壽命。因此從降低速參數(shù)方面考慮,本文線式掃描光強疊覆優(yōu)化策略優(yōu)于點式掃描軌跡疊覆策略。

圖8 點式及線式掃描在不同速度配比下的覆蓋率Fig.8 Coverage of Point Scan and Line Scan at different speed ratios

3.2 掃描線長度對光強分布均勻性影響

掃描線長度作為本文模型中必要參數(shù)之一,探討掃描線長度對光強分布均勻性影響是必要的。在參數(shù)可實現(xiàn)全覆蓋前提下,取速度Vy=3235 mm/s,Vx=1 mm/s(可激光全覆蓋),代入?yún)?shù)激光掃描速度2500 mm/s,據(jù)文中公式10求解可得到不同光斑個數(shù)n值解集,根據(jù)公式(11)可計算掃描直線長度?；诨８咚构鈴姺植寄Ｐ蛯η逑磪^(qū)域的光強分布進行擬合,并計算區(qū)域光強的方差及平均值,得到直線長度與區(qū)域光強方差及平均值關(guān)系如圖9所示。

圖9 線式掃描中直線長度對光強分布均勻度影響Fig.9 Effect of linear length on the uniformity of light intensity distribution in line scan

發(fā)現(xiàn)當掃描直線長度大于2.75 mm(n=21)時,光強分布均勻性變化趨于平穩(wěn)。方差越小,即代表光強分布越均勻。當直線長度在2.75 mm附近時清洗區(qū)域光強平均值波動較小,數(shù)值接近。發(fā)現(xiàn)在直線長度2.25 mm與2.75 mm時,光強分布均勻性接近。從提高激光能量密度角度考慮,取軌跡長度2.25 mm時光強平均值更高。

相同速度參數(shù)下,將點式掃描軌跡與線式掃描優(yōu)化軌跡參數(shù)進行對比,數(shù)據(jù)如表1所示,其中線式掃描優(yōu)化策略中kx、ky為lx1軌跡段上,即VPxVpx與Vx同向時的光斑重疊率。取表1中線式軌跡參數(shù),使用100 W額定功率的CO2激光器,對印花圓網(wǎng)表面感光樹脂交聯(lián)硬化涂層進行輻照,印染業(yè)中印花圓網(wǎng)呈圓筒形,表面為多孔目金屬網(wǎng),取其上33 mm×33 mm大小樣本,樣本局部表征如圖10所示。

表1 相同速度參數(shù)下不同掃描策略參數(shù)對比Tab.1 Comparison of different scanning strategy parameters with the same speed parameters

圖10 激光輻照前后樣本表征Fig.10 Characterization of samples before and after laser irradiation

圖10中(a)為激光輻照前的原樣,在激光輻照后樣本上任意4處取樣并進行紅外能譜測試,取樣位置如圖(b)所示,圖(c)為多倍電鏡下取樣位置2處表征放大圖。觀察激光作用后的靶材表征,發(fā)現(xiàn)激光輻照后涂層顏色略變深,表面有規(guī)則性紋理；與激光強度分布進行比對,發(fā)現(xiàn)紋理與模型中光強分布紋理一致。觀察多倍電鏡下激光清洗后樣本表征,發(fā)現(xiàn)圓網(wǎng)表層涂層有殘余,圓孔邊緣處多有金屬基材裸漏。

在同一物質(zhì)的紅外能譜測試中,吸光度作為該物質(zhì)量的測試參考指標,物質(zhì)量越大吸光度越大。在樣本上取任意4處進行紅外能譜測試,結(jié)果如圖11所示。對比多個樣本測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),在波數(shù)1230的主峰處吸光度差值最大,吸光度差值為2.7 %在儀器允許誤差范圍以內(nèi)(該型號設(shè)備允許誤差3 %),符合預(yù)期。對比分析多處能譜測試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)圖譜數(shù)值曲線趨勢一致且波峰值近似,表明清洗后樣本涂層較為均勻,驗證了光強分布均勻性。認為在優(yōu)化參數(shù)下,對于圓筒機構(gòu)的激光掃描能達到全覆蓋且輻照均勻。

圖11 激光輻照后樣本紅外能譜測試波峰局部放大圖Fig.11 Local magnification of the peaks of the infrared energy spectrum of the sample after laser irradiation

4 結(jié) 論

基于本文提出的線式掃描光強疊覆優(yōu)化策略模型,可求得實現(xiàn)筒式機構(gòu)激光掃描光斑全覆蓋及光強均勻分布的速度優(yōu)化參數(shù),并實驗驗證。(1)通過10.6 μm CO2激光器對鎳網(wǎng)表面聚合物涂層清洗實驗,利用電子倍鏡觀察清洗后的樣本表面,發(fā)現(xiàn)清洗后表面紋理與基于本文模型得到的高斯分布光強分布紋理一致,驗證了本文模型。(2)觀察靶材清洗后表征,發(fā)現(xiàn)適當增加清洗次數(shù)可提高清洗效果。(3)實驗表明,在Vy=3235 mm/s,Vx=1 mm/s,Vpx=2500 mm/s下100 W激光器雖可實現(xiàn)光強均勻疊覆,但仍有涂層殘余,認為若適當提高激光能量可清除涂層。(4)對于V字形軌跡的清洗方式,起點清洗區(qū)域和終點清洗區(qū)域總是無法達到激光完全覆蓋,因此應(yīng)此種清洗方式不適用于筒長度較短的情況。