激光除漆技術數值模擬與實驗研究

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[1-3]。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[4]。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[5]。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[6-7]。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[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[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[10]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。

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 基于Ansys的數值分析模型

2.1 模型假設

在激光清洗漆層中,其中漆層厚度設置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)假設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,物理參數不隨溫度等變化；

(4)只考慮材料的熱傳導,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環氧鋅黃漆層,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化解決方案,因此在本模型進行數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,待清洗層上的溫度、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,對待清洗層區域以及待清洗層與基體接觸附近的網格進行細化。圖1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1所示。

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

2.2.1 溫度場模擬

設置掃描速度為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據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到104K數量級,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。由于熱傳導根據其熱導率的不同傳導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,無法達到漆層氣化點。由于熱應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,在待清洗模型滿足燒蝕條件時認為待清洗表面受燒蝕效應清除,當模型不滿足燒蝕條件,對其應力進行分析滿足振動條件認為受振動效應去除,兩個皆不滿足時,認為去除效果較差。

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,燒蝕效應無法達到去除漆層的條件,若能夠將漆層清洗干凈,判斷振動效應在清洗距離基體10 μm以內的漆層起主要作用。

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

2.2.2 應力場模擬

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

圖5 應力表面分布圖Fig.5 Stress surface distribution Diagram

熱應力分布與溫度分布趨勢相同,在激光中心附近的熱應力達到了107Pa數量級大于漆層的內聚力,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方向應力與漆層和基體結合力大小相比較,根據實際情況設置漆層上表面為自由表面,基體下表面為固定表面,求解Z方向應力如圖6所示。

圖6 Z方向應力表面分布圖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方向應力非常小,漆層層間以及與基體層級間接觸部分應力值較大,有利于漆層通過振動效應去除。不同時刻下探針點Z方向應力大小如圖7所示。

圖7 P=20 W,V=1200 mm/s路徑下Z方向應力變化圖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力達到了瞬間達到最大,這有利提高振動效應。最大值在t=1.5×10-4s時為11.3 MPa,漆層與基體的結合力一般不會超過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方向應力變化如圖8所示。

圖8 Z方向應力變化圖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力最大達到了15.5 MPa,增大掃描速度,層級及層間的應力數值越小。在掃描速度為V=1600 mm/s時,漆層與基體層級間應力降至為10.7 MPa,與環氧漆的涂裝工藝要求相比大于其涂裝標準,但是對于激光清洗漆層由于漆層燃燒氣化導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等離子體屏蔽效應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 實驗研究和結果分析

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50 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9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Tab.2 Main parameters of optical fiber laser

根據GB5210-2006對底漆與基體進行拉開法附著力實驗,根據環氧富鋅底漆規范標準HG/T3668-2009要求,有機富鋅底漆的附著力應達到6 MPa,測試結果見表3。

表3 底漆附著力測試結果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行觀察得到其放大300倍的二維圖和表面形貌數據,未處理的鋁合金基體表面起伏在10 μm以內。

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。根據底漆附著力測試結果,漆層去除的平均應力在10 MPa,根據油漆的噴涂以及區域不同略有差異。

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、燃燒效應減弱,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。當掃描速度高于1200 mm/s時,隨著掃描速度的增加,單位面積內脈沖作用時間減小,激光清洗質量下降,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倍發現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去除,在一部分區域可以看出斑點式的區域被去除,這與脈沖激光的特性和不同區域漆層對于基體結合力不同有關。

4 結 論

在激光除漆過程中,燒蝕效應以及振動效應對除漆效果有決定作用,對不同掃描速度的激光進行激光除漆過程的熱力學模擬,得出在材料對激光吸收率不變的情況下溫度場和應力場數據,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起了主要作用,易產生等離子屏蔽效應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,燒蝕效應以及等離子屏蔽效應逐漸減弱,材料對激光吸收率以及振動效應逐漸提高。掃描速度在達到1200 mm/s以后,振動效應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,與仿真模型結果相同。