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)品會進(jìn)行表面漆層噴涂防止銹蝕,產(chǎn)品表面漆層會隨著時間脫落影響防銹效果,對漆層進(jìn)行重新噴涂或者對基體進(jìn)行檢修時,必須對原漆層進(jìn)行清洗剝離[1-3]。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、可控性強及污染小等優(yōu)勢[4]。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)致的熱振動作用、氣化壓力、等離子體爆發(fā)作用[5]。各種機(jī)制并不是單獨存在的,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)理為燒蝕以及振動機(jī)理[6-7]。在激光除漆過程中漆層吸收激光能量產(chǎn)生的溫度場和應(yīng)力場是影響除漆效果和表面質(zhì)量的關(guān)鍵。由于實驗不易直接測取溫度場和應(yīng)力場的分布。因此,利用有限元方法來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)力場變化的有效方法。

目前利用有限元方法對激光加工過程進(jìn)行模擬已經(jīng)有部分學(xué)者進(jìn)行嘗試。趙海朝[8]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,并采用波長為 1064 nm,脈寬為1 μs的脈沖激光器對 2024 鋁合金表面漆層進(jìn)行了激光清洗工藝試驗,研究了掃描速度、脈沖頻率、激光功率對激光清洗漆層質(zhì)量的影響規(guī)律。高遼遠(yuǎn)[9]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)對激光清洗溫度場和清洗深度的影響,并進(jìn)行了實驗驗證。曹丹[10]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優(yōu)化該目標(biāo)函數(shù)。

上述研究主要是針對激光加工中所產(chǎn)生的溫度場進(jìn)行模擬研究,對于應(yīng)力場的研究甚少。激光除漆過程中溫度場是影響除漆效果的一個重要因素,但是漆層能否從基體剝落在溫度場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)力場起了決定作用。

為了對激光清洗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軟件建立移動納秒激光清洗漆層的有限元模型,探究不同掃描速度下對溫度場和應(yīng)力場對激光清洗漆層深度和效果的影響并給出效果預(yù)估,最后對有限元模擬結(jié)果進(jìn)行實驗驗證,旨在為激光除漆工藝參數(shù)選擇提供參考依據(jù)。

2 基于Ansys的數(shù)值分析模型

2.1 模型假設(shè)

在激光清洗漆層中,其中漆層厚度設(shè)置50 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)。為了方便計算,在此做以下假設(shè):

(1)假設(shè)一個與激光能量分布相同的熱源模型作用于待清洗材料表面；

(2)光斑內(nèi)能量分布均勻,激光作用在待清洗平面能量分布均勻；

(3)待清洗材料均為各向同性,物理參數(shù)不隨溫度等變化；

(4)只考慮材料的熱傳導(dǎo),不考慮熱輻射及熱對流；

(5)忽略相變潛熱對溫度場的影響。

2.2 有限元模擬

在激光清洗漆層系統(tǒng)中,模型尺寸包括0.3 mm×0.3 mm×2 mm鋁合金基體層和0.3 mm×0.3 mm×0.05 mm環(huán)氧鋅黃漆層,根據(jù)材料參數(shù)及實驗設(shè)備條件選擇波長為1064 nm的脈沖激光,設(shè)置激光平均功率為20 W,光斑直徑為78 μm。脈沖激光在Y=0.15 mm處沿著X軸正向掃描。

考慮到ANSYS軟件對于多物理場耦合的優(yōu)化解決方案,因此在本模型進(jìn)行數(shù)值模擬時使用此軟件。在采用有限元方法分析激光清洗過程時,為了節(jié)省運算時間減少計算浪費必須要對激光清洗模型的進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化,待清洗層上的溫度、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,對待清洗層區(qū)域以及待清洗層與基體接觸附近的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。圖1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間得到精確的結(jié)果。

圖1 激光清洗三維有限元模型Fig.1 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,查出本實驗中使用的環(huán)氧鋅黃漆340 K及500 K時鋁合金基體的參數(shù)如表1所示。

表1 油漆層及基體層的熱特性參數(shù)Tab.1 Thermal characteristics of paint and aluminum alloy

2.2.1 溫度場模擬

設(shè)置掃描速度為1200 mm/s,激光頻率為20 kHz加載到漆層表面。其單脈沖能量為1 mJ。對漆結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元計算,得出激光清洗產(chǎn)生的溫度在漆層表面及激光運動路徑下漆層與基體交界處的溫度深度圖如圖2所示。

圖2 漆層表面溫度分布圖Fig.2 Paint surface temperature distribution diagram

通過有限元仿真的數(shù)據(jù)我們可以看到在激光清洗漆層過程中,由于運動速度較快單個激光脈沖在漆層表面作用對溫度變化造成的影響。漆層表面的溫度在高斯脈沖激光中心處可以瞬間達(dá)到104K數(shù)量級,漆層瞬間氣化,其溫度在漆層表面成拖尾狀分布且越靠近基體溫度迅速降低。由于熱傳導(dǎo)根據(jù)其熱導(dǎo)率的不同傳導(dǎo)速度不相同具有滯后性。通過在模型中間插入探針,可以得到不同時刻不同深度(基體與漆層交界平面為Z=0面,靠近漆層方向為Z正方向)探針溫度變化曲線。為了保證探針在末時刻前溫度可以達(dá)到最大值和盡量低的軟件計算量,取時間段為0.005 s。測取探針的溫度和變化如圖3所示。

圖3 P=20 W,V=1200 mm/s探針溫度變化圖Fig.3 P=20 W,V=1200 mm/s probe temperature variation diagram

可以看到在距離基體10 μm以上的區(qū)域溫度大于漆層氣化點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,無法達(dá)到漆層氣化點。由于熱應(yīng)力的生成是源自模型的熱變化,在考慮清洗效果影響因素的時首先考慮其燒蝕效應(yīng),在待清洗模型滿足燒蝕條件時認(rèn)為待清洗表面受燒蝕效應(yīng)清除,當(dāng)模型不滿足燒蝕條件,對其應(yīng)力進(jìn)行分析滿足振動條件認(rèn)為受振動效應(yīng)去除,兩個皆不滿足時,認(rèn)為去除效果較差。

改變激光掃描速度為800 mm/s、1000 mm/s,以及14000 mm/s、1600 mm/s得到探針溫度變化圖如圖4所示。改變掃描速度對模型溫度造成影響,在速度800～1600 mm/s時距離基體10 μm處的漆層都大于漆層的氣化溫度,基體附近的溫度始終與初始溫度相同,燒蝕效應(yīng)無法達(dá)到去除漆層的條件,若能夠?qū)⑵釋忧逑锤蓛?判斷振動效應(yīng)在清洗距離基體10 μm以內(nèi)的漆層起主要作用。

圖4 探針溫度變化圖Fig.4 Probe temperature variation figure

2.2.2 應(yīng)力場模擬

將溫度作為方程條件求解應(yīng)力分布,(t=2×10-4s)時刻應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 應(yīng)力表面分布圖Fig.5 Stress surface distribution Diagram

熱應(yīng)力分布與溫度分布趨勢相同,在激光中心附近的熱應(yīng)力達(dá)到了107Pa數(shù)量級大于漆層的內(nèi)聚力,漆層燃燒和破碎。對于漆層是否能夠從基底去除主要考慮為漆層與基體接觸面Z方向應(yīng)力與漆層和基體結(jié)合力大小相比較,根據(jù)實際情況設(shè)置漆層上表面為自由表面,基體下表面為固定表面,求解Z方向應(yīng)力如圖6所示。

圖6 Z方向應(yīng)力表面分布圖Fig.6 Stress surface distribution diagram in Z direction

由于漆層上表面為自由表面其應(yīng)變在Z軸正方向不受限制,因此在上表面所受到的Z方向應(yīng)力非常小,漆層層間以及與基體層級間接觸部分應(yīng)力值較大,有利于漆層通過振動效應(yīng)去除。不同時刻下探針點Z方向應(yīng)力大小如圖7所示。

圖7 P=20 W,V=1200 mm/s路徑下Z方向應(yīng)力變化圖Fig.7 Variation of stress in Z direction under path of P=20 W and V=1200 mm/s

在上述條件下漆層與基體接觸處的應(yīng)力達(dá)到了瞬間達(dá)到最大,這有利提高振動效應(yīng)。最大值在t=1.5×10-4s時為11.3 MPa,漆層與基體的結(jié)合力一般不會超過10 MPa,但是由于高斯激光中心能量密度較高,邊緣能量密度較低對于漆層的去除效果根據(jù)掃描間距的變化往往不會相同,同時基體表面會有微小起伏,其效果也會受到影響。改變掃描速度得到探針的Z方向應(yīng)力變化如圖8所示。

圖8 Z方向應(yīng)力變化圖Fig.8 Variation of stress in Z direction

在激光V=800 mm/s時漆層與基體層級間應(yīng)力最大達(dá)到了15.5 MPa,增大掃描速度,層級及層間的應(yīng)力數(shù)值越小。在掃描速度為V=1600 mm/s時,漆層與基體層級間應(yīng)力降至為10.7 MPa,與環(huán)氧漆的涂裝工藝要求相比大于其涂裝標(biāo)準(zhǔn),但是對于激光清洗漆層由于漆層燃燒氣化導(dǎo)致漆層上方蒸汽密度增大,密度增大到一定程度其將會出現(xiàn)等離子體屏蔽效應(yīng)從而影響漆層對于激光的吸收造成清洗效果的不同。 因此對于激光清洗漆層并不是掃描速度越小清洗效果越好,在不同的功率密度作用下,漆層對于激光實際吸收率不會相同。

3 實驗研究和結(jié)果分析

3.1 實驗設(shè)備及材料

所用實驗樣品其基底材料為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50 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9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,本實驗中R=39 μm。其中光纖脈沖激光器主要參數(shù)如表2所示。

圖9 激光清洗裝置和清洗方法示意圖Fig.9 Schematics of laser cleaning device and cleaning method

表2 光纖激光器主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of optical fiber laser

根據(jù)GB5210-2006對底漆與基體進(jìn)行拉開法附著力實驗,根據(jù)環(huán)氧富鋅底漆規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)HG/T3668-2009要求,有機(jī)富鋅底漆的附著力應(yīng)達(dá)到6 MPa,測試結(jié)果見表3。

表3 底漆附著力測試結(jié)果Tab.3 Adhesion test results of priming paint

使用超景深顯微鏡對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),未處理的鋁合金基體表面起伏在10 μm以內(nèi)。

圖10 鋁合金放大300倍表面形貌及3D輪廓圖Fig.10 Surface morphology and 3D contour of aluminum alloy at 300 times magnification

附著力測試實驗測取為區(qū)域內(nèi)的平均值,由于鋁合金表面有起伏,對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,表面起伏則會導(dǎo)致漆層脫離應(yīng)力方向不是沿著Z軸,漆層同時也會受到X、Y方向的應(yīng)力,實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)底漆附著力測試結(jié)果,漆層去除的平均應(yīng)力在10 MPa,根據(jù)油漆的噴涂以及區(qū)域不同略有差異。

3.2 激光清洗漆層實驗

對不同掃描速度下的激光除漆效果進(jìn)行實驗研究,得到激光除漆后的表面形貌圖,如圖11所示。

圖11 不同掃描速度的激光除漆效果圖Fig.11 Laser paint removal renderings of different scanning speeds

隨著掃描速度的增加,試樣表面漆層的清洗質(zhì)量先增加后降低。在掃描速度為200～1000 mm/s之間時,清洗效果隨著掃描速度的增加而提高,漆層吸收能量降低,漆層熔化蒸發(fā)、燃燒效應(yīng)減弱,漆層上方蒸汽密度降低,脈沖激光沖擊作用增強,漆層殘留減少。當(dāng)掃描速度高于1200 mm/s時,隨著掃描速度的增加,單位面積內(nèi)脈沖作用時間減小,激光清洗質(zhì)量下降,漆層殘留增多。

將樣品下放大一百倍觀察不同掃描速度下的樣品表面形態(tài)如圖12所示。

圖12 不同掃描速度下的激光清洗效果100×放大圖Fig.12 100× Amplification of laser cleaning effect at different scanning speeds

由放大100倍的樣品圖可以看到,掃描速度為400 mm/s時漆層被燒蝕氧化,未去除的漆層附著在基體表面之上。掃描速度為800 mm/s時,清洗效果相對于400 mm/s較好,表面出現(xiàn)較為明顯激光運動路徑軌跡,但是仍有大部分漆層殘留。在掃描速度為1200 mm/s時對比圖13可以看出基體表面無明顯氧化痕跡和漆層殘留,通過放大100倍發(fā)現(xiàn)在每段激光掃描路徑之間會有小部分漆層未去除,總體除漆效果較好。掃描速度為1600 mm/s時,大部分厚度漆層通過燒蝕效應(yīng)去除,在一部分區(qū)域可以看出斑點式的區(qū)域被去除,這與脈沖激光的特性和不同區(qū)域漆層對于基體結(jié)合力不同有關(guān)。

4 結(jié) 論

在激光除漆過程中,燒蝕效應(yīng)以及振動效應(yīng)對除漆效果有決定作用,對不同掃描速度的激光進(jìn)行激光除漆過程的熱力學(xué)模擬,得出在材料對激光吸收率不變的情況下溫度場和應(yīng)力場數(shù)據(jù),通過實驗對比研究,在激光除漆過程中,掃描速度過低燒蝕效應(yīng)起了主要作用,易產(chǎn)生等離子屏蔽效應(yīng)從而影響材料對于激光的吸收率,仿真模型在低速掃描下不適用。掃描速度在200～1000 mm/s之間時,燒蝕效應(yīng)以及等離子屏蔽效應(yīng)逐漸減弱,材料對激光吸收率以及振動效應(yīng)逐漸提高。掃描速度在達(dá)到1200 mm/s以后,振動效應(yīng)在激光除漆過程中起了主要作用,激光除漆的效果隨著掃描速度的增加而減弱,與仿真模型結(jié)果相同。