脈沖激光多迭加頻率除銹研究

程智勇， 李曉娟， 陳文尉

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣州510430）

0 引言

激光除銹是一項綠色、高效的新型除銹技術(shù)，因假定激光作用于材料表面的去除銹蝕主要為基體表面吸收脈沖激光后的瞬間氣化。激光除銹相對于化學(xué)除銹，其不需任何除銹液和化學(xué)藥劑；相對于機(jī)械除銹，其無損耗、無應(yīng)力、無研磨；激光用光纖傳輸[1]，除銹照射不留死角，應(yīng)用范圍廣（如圖1）。廣泛適用不同材質(zhì)的除銹、除污垢、除油漆等表面處理；潔凈度高，能清除掉納米級以下的氧化層微粒。

圖1 激光除銹設(shè)備

1 脈沖激光作用下基材表層燒蝕氣化模型

本文研究采用的除銹用激光迭加頻率kHz,單mJ級脈沖能量，除銹對象為優(yōu)質(zhì)鋼板表面氧化層與鋁基材表面涂漆[2]等，主要機(jī)理是脈沖激光照射物體表面氧化物后，使其瞬間受熱膨脹及氣化揮發(fā)而克服物體表面對氧化物粒子的吸附力[3]，氧化物脫離基體表面。脈沖激光光斑照射在基體表面（如圖2）。本文研究的激光光斑直徑d遠(yuǎn)大于除銹對象厚度hmax，且只需考慮脈沖激光在z方向的熱傳導(dǎo)性；另外假設(shè)基材的熱物理屬性在整個除銹過程中不變，且基材吸收的脈沖激光能量可全部轉(zhuǎn)化為熱量，所以本文對激光除銹研究可簡化為Fourier 熱傳導(dǎo)一維線性的研究[4]。

傅里葉一維線性熱傳導(dǎo)定律為

圖2 脈沖激光光斑照射在基體表面示意圖

且能量守恒方程為

其中：T為溫度；E為熱流密度；k為導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為材料密度；c為材料熱容；Q為外部熱源。

將一維線性Fourier熱傳導(dǎo)方程代入能量守恒方程中得

且拉普拉斯算子為

則初表溫度T0變化值為

θ（x，t）=T（x，t）-T0。

由能量守恒定律及傅里葉熱傳導(dǎo)方程，得到一維線性激光除銹熱傳導(dǎo)方程為

因此初始條件為：

其中，h≥z≥0。

Q為激光外部熱源，Q（z，t）=（1-A）·βI0e-βzg（t）。式中：g（t）是時間變化的波動形狀，基于波動形狀是Gsussian分布的g（t）=exp[-（t/τ）2]；k是基材熱傳導(dǎo)系數(shù)；β是激光能量對基材的吸收系數(shù)；A是激光對基材的反射系數(shù)；I0是激光的能量密度；ρ是基材的密度；c是基材的比熱容；T是脈沖寬度。

所以，脈沖激光作用下基材氣化燒蝕熱傳導(dǎo)方程為：

將t及H進(jìn)行離散化：

其中：ti=kj，（j=20）；zi=hi，（i=30）。

將熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行離散化:

表1所示為脈沖激光各參數(shù)取值，表2所示為脈沖激光作用下基體表面氧化物去除熱傳導(dǎo)方程基體各參數(shù)取值。

表1 計算脈沖激光參數(shù)數(shù)值

表2 計算基材熱物理屬性數(shù)值

運(yùn)用有限差分方法（FDM）解方程，如式（4）及式（5）所示,得到結(jié)果如圖3和圖4所示。此數(shù)值解采用的參數(shù)為氧化層材料屬性及脈沖激光基體表面氧化物去除所列激光參數(shù),同時為了進(jìn)一步反映多迭加（kHz）脈沖激光的作用[5],采用直觀簡易的有限元方法模擬該計算過程，此算法因假定邊界為絕熱邊界條件，致使得到的溫度值高于仿真結(jié)果溫度值。一維線性激光除銹熱傳導(dǎo)方程解如圖5所示。

圖3 外部熱源Q值解

圖4 一維線性激光除銹熱傳導(dǎo)方程解

2 多迭加脈沖激光作用下基材氣化過程研究

與連續(xù)激光相比較，脈沖激光的功率具有較高的單脈沖峰值；與基材表面氧化物產(chǎn)生強(qiáng)烈的瞬時局部燒蝕氣化效應(yīng)，而不會對基材本體產(chǎn)生熱損傷，所以脈沖激光被廣泛應(yīng)用于激光除銹領(lǐng)域。其中，脈沖激光除銹機(jī)理為：隨著激光脈沖數(shù)量增加去除基材的脈沖數(shù)量閾值會降低，且閾值存在突變畸點(diǎn)，其主要原因為基材表面氧化物氣化需要一定的基本溫度；采用多迭加百納秒級脈沖激光作用于材料表面進(jìn)行激光除銹[6]，除銹過程中激光使材料溫度迅速升高，在基材表面形成局部的高溫區(qū)域，此時基材表面氧化物處于氣化溫度閾值附近；瞬時高能的脈沖激光為高溫區(qū)域提供快速燒蝕能量，從而實現(xiàn)基材的快速氣化去除。

圖5 一維線性激光除銹熱傳導(dǎo)方程解

本文對脈沖激光除銹原理的研究（如圖6），除銹對象為氧化層和基材兩部分[7]，氧化層屬于薄膜結(jié)構(gòu)。第一，通過脈沖激光照射在氧化層表面，且熱傳導(dǎo)使氧化層迅速升溫后，局部產(chǎn)生區(qū)域高溫，可用傅里葉熱傳導(dǎo)方程來描述此過程。氧化層材料屬性、激光的功率、能量分布及作用時間是局部形成高溫區(qū)域的基本工控參數(shù)指標(biāo)。第二，局部高溫區(qū)域與后續(xù)脈沖激光作用，氧化層表面瞬時形成燒蝕氣化區(qū)域小孔，脈沖激光在氧化層內(nèi)部發(fā)生作用，小孔抑制其散熱，促進(jìn)激光氣化燒蝕成效。第三，因為脈沖激光氣化燒蝕時間極短（<100 ns），高溫區(qū)與燒蝕氣化區(qū)域之間只形成超薄的液氣混合區(qū)域；基材表層一旦與液氣混合物接觸，會瞬時冷卻形成一種致密性高的冷凝體。在不損傷材料的前提下，通過精確控制工藝參數(shù)可有效減小以至消除液氣混合區(qū)，提高除銹質(zhì)量和凈度。

在脈沖激光除銹始末，脈沖激光與基材氧化層燒蝕氣化過程，與材料、時間、空間及能量等有密切關(guān)系。對其相互關(guān)系的分析，有利于進(jìn)一步認(rèn)識脈沖激光作用下基材氧化層氣化燒蝕的能量與演變機(jī)理[8]。并運(yùn)用此規(guī)律，指導(dǎo)和優(yōu)化脈沖激光除銹工藝與技術(shù)，更好地提高脈沖激光除銹質(zhì)量和速度。

3 結(jié)論

圖6 脈沖激光除銹原理圖

通過對脈沖激光燒蝕氣化機(jī)理的除銹過程研究，可知在使用脈沖激光進(jìn)行基體表面氧化物去除過程中，激光光斑需要部分作用于基體表面使其溫度升高，到達(dá)高溫除銹氣化閾值后，脈沖激光用于去除基體表面氧化物。所以采用脈沖激光進(jìn)行去除氧化物過程可以分為2個階段進(jìn)行分析，分層次研究可簡化激光除銹分析過程。本文選用Fourier熱傳導(dǎo)方程來研究脈沖激光燒蝕基體表面氧化物去除描述過程。該方程可用于設(shè)計和指導(dǎo)采用脈沖激光定量燒蝕基體表面氧化物，去除熱導(dǎo)金屬的工業(yè)實際應(yīng)用。