基于ANSYS的激光除漆技術數值模擬研究

邵 壯,王 濤

(河北工業大學,天津 300132)

1 引 言

在工業生產中,許多產品會進行表面漆層噴涂防止銹蝕,產品表面漆層會隨著時間脫落影響防銹效果,對漆層進行重新噴涂或者對基體進行檢修時,必須對原漆層進行清洗剝離[1-2]。激光清洗與傳統的機械清洗、高頻超聲清洗、化學腐蝕清洗等相比有著非常定位準確、可控性強及污染小等優勢[3]。激光清洗作用機理分為燒蝕作用、光壓力、選擇性氣化、快速加熱和冷卻導致的熱振動作用、氣化壓力、等離子體爆發作用[4]。各種機制并不是單獨存在的,在具體的激光清洗中機制需要根據具體情況而定。在激光去除漆層中,主要作用機理為燒蝕以及振動機理[5-6]。在激光除漆過程中漆層吸收激光能量產生的溫度場和應力場是影響除漆效果和表面質量的關鍵。由于實驗不易直接測取溫度場和應力場的分布。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與材料所產生的溫度和應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行模擬已經有部分學者進行嘗試。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量的影響規律。高遼遠[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,分析了不同參數對激光清洗溫度場和清洗深度的影響,并進行了實驗驗證。曹丹[8]等通過有限元求解材料的二維導熱模型,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果的誤差平方和作為目標函數,借助于共軛梯度法來優化該目標函數。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脈沖激光作用下的溫度場,研究了不同時刻漆膜表面的溫度場分布以及激光參量對漆膜表面溫度場的影響,并做了相關對比實驗。姜銀方[10]采用數值仿真的方法,分析了不同板料尺寸下,預應力對板料激光沖擊成形極限的影響。

上述研究主要是針對激光加工中所產生的溫度場進行模擬研究,對于應力場的研究甚少。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到漆層燒蝕氣化溫度是應力場起了決定作用。

為了對激光清洗5052鋁合金表面環氧鋅黃漆層過程中的溫度變化和應力變化進行分析,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力場對激光清洗漆層深度和效果的影響并給出效果預估,最后對有限元模擬結果進行實驗驗證,旨在為激光除漆工藝參數選擇提供參考依據。

2 激光清洗漆層數學模型的建立

2.1 模型假設

在激光清洗漆層中,其中漆層厚度一般不會超過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軸負方向作用于漆層上,材料吸收能量溫度發生變化并產生熱傳導。為了方便計算,在此做以下假設:

(1)光斑內能量分布均勻,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,物理參數不隨溫度等變化；

(3)只考慮材料的熱傳導,不考慮熱對流及熱輻射。

2.2 熱傳導方程

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特性不會相同,對于兩層材料加熱過程的一般微分方程為:

(1)

(2)

已知熱源強度按照高斯分布且強度恒定,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；a1為上表面的熱損耗系數。

在邊界條件式(3)～(6)下,式(1)、(2)有解。

2.3 熱振動的結構應力和位移方程

激光清洗漆層模型中,由于激光作用時間短,將漆層與基體層的結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)

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

(8)

式中,Y為楊氏模量；ε為應變。

Z方向熱膨脹位移長度為:

ΔL=LγΔT(x,y,z,t)

(9)

根據式(8)、(9)可以推出:

σ=YγΔT(x,y,z,t)

(10)

由式(10)得到,熱應力的大小與材料的楊氏模量、熱膨脹系數以及溫度變化有關,在雙層激光清洗漆層結構中,層級間在接觸面的應力值相同,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生熱量,轉化為在層間的熱傳導過程,在層間及層內產生位移和應變從而在各層級間產生脫離應力。根據激光清洗中的燒蝕機理和熱振動機理,漆層材料到達熔點或者漆層與基體層脫離應力大于結合力時,漆層材料被去除。

3 基于Ansys的數值分析模型

3.1 實驗設備及材料

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,其清洗設備示意圖如圖 1所示。激光器的功率為10～30 W可調,發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Tab.1 Main parameters of optical fiber laser

測試利用黏附力測試儀測取漆層與鋁合金的附著力結果見表2。

表2 底漆附著力測試結果Tab.2 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行觀察得到其放大300倍的二維圖和表面形貌數據,利用Matlab工具對表面數據進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,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

附著力測試實驗測取為區域內的平均值,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力也不同,理想平面的清洗應力應為熱應力在Z軸的分量,表面起伏則會導致漆層脫離應力方向不是沿著Z軸,漆層同時也會受到X、Y方向的應力,實際所受清洗力的值一般比熱應力Z軸方向的分量要大。根據其3D輪廓以及器材所測漆層剝離平均應力取熱應力Z軸方向分量最大為σzmax=11 MPa,最小為σzmin=6 MPa。即當σz≥σzmax時,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,根據材料參數及實驗設備條件選擇波長為1064 nm的脈沖激光,設置激光功率為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,為了節省運算時間減少計算浪費必須要對激光清洗模型的進行網格優化,漆層上的溫度、應力等數值變化較大,遠離激光基體層區域的網格密度對仿真結果影響較小,因此不同的單元格設置不同的網格密度,對漆層區域的網格進行細化。圖3為ANSYS中進行網格細化的模型,從而能夠用較為合理的時間得到精確的結果。

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

根據熱傳導理論和熱-結構力理論,進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氧鋅黃漆340 K及500 K時鋁合金基體的參數如表3所示。

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

對漆結構模型進行有限元計算,得出激光清洗產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到了1×104K數量級,遠遠大于漆層的氣化溫度點450 K,但隨著深度的下降溫度迅速降低,t=0.02(末時刻)時,在激光路徑下Z=0、Z=10 μm、Z=20 μm(設定基體與漆層交界平面為Z=0面,靠近漆層方向為Z正方向)處溫度隨y坐標值(沿著激光運動方向,進入的時刻為y=0)溫度以及Z方向應力變化如圖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以上的區域溫度大于漆層氣化點450 K可以通過燒蝕機理去除,基體與漆層交界處的溫度接近初始溫度值,無法達到氣化點,對比應力分布可以看到在基體與漆層交界處的應力值最大,達到了7.8 MPa,對比所設定漆層去除的應力值知漆層部分被部分去除。

將激光運動速度降低至600 mm/s,得到末時刻激光路徑下的溫度和應力圖如圖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得到應力分布,在基體與漆層交界處的應力值最大,達到了11.5 MPa,對比漆層去除的應力值知漆層部分被完全去除。

4 實驗研究和結果分析

對這兩種仿真情況進行實驗研究,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,部分從基體脫落,未脫落的漆層明顯氧化變黑,符合數值模擬結果大部分厚度漆層受到燒蝕效應去除,與基體接觸面漆層部分受到振動效應部分去除。在激光掃描速度為600 mm/s時,鋁合金基層表面無明顯漆層殘留,表面形貌發生略微改變,推測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值模擬結論。

5 結 論

利用有限元分析軟件ANSYS建立了激光清洗鋁合金表面環氧鋅黃漆層的有限元模型,實現了激光清洗漆層過程中的溫度場和應力場可視化分析。分別研究了溫度和熱應力對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、掃描速度對于激光清洗漆層產生的影響和清洗效果,將實驗效果與模擬效果對比證明在激光清洗中主要的作用機理未燒蝕和熱振動效應。在激光功率為20 W,掃描速度為1000 mm/s時,激光只能去除部分區域漆層以及大部分厚度漆層。掃描速度將為600 mm/s時,激光可以去除全部漆層但是掃描速度過慢會造成鋁合金表面形貌發生部分改變。基于模擬結果分析移動激光參數對材料溫度場和應力場的影響,在此基礎上進行了相同參數的激光清洗實驗,模擬和實驗結果基本吻合,從而驗證了所建立的有限元模型的合理性。