基于COMSOL的激光清洗2219鋁合金漆層工藝研究

胡少武,王 濤,黃旭東,姚 濤,苗潤芃,康清川,張譯之

(河北工業大學機械工程學院,天津 300401)

1 引 言

近些年激光加工作為特種加工技術其應用極為廣泛,例如激光拋光、激光清洗、激光增材、激光焊接等等。其中激光清洗近些年來發展速度迅猛,不同與傳統清洗,激光清洗過程產生的噪聲小,無污染,而且可以實現自動清洗,清洗的精度高,因此是一種高效、綠色的清洗技術[1-2]。

2219鋁合金具有優異的綜合性能,如良好的加工性能、高的比強度,抗腐蝕性能以及較高的韌性,被認為是航空航天工業中最具有應用前景的輕質高強度結構材料,廣泛應用于液體火箭推進器貯箱以儲存液體燃料[3]。實際使用過程中為了提高其使用壽命,通常會在表面進行涂漆處理,同時為了保證其運行過程中的可靠性,需要定期對其進行重新涂裝,激光清洗技術能夠在不破壞基體的前提下,方便快捷地清除漆層。

目前一些學者通過有限元分析的方式對激光清洗漆層過程進行數值模擬,并對其加工機理和工藝參數進行優化。劉彩飛[4]等為了研究脈沖激光去除金屬表面漆膜的過程,建立了有限元模型,模擬了噴有漆膜的不銹鋼樣品表面在激光清洗下的溫度場,通過改變激光參量研究其對溫度場的影響,并且做了相關的對比實驗。高遼遠、周建忠[5]等在COMSOL Multiphysics中模擬高斯脈沖光源對2024鋁合金表面丙烯酸聚酯氨漆層進行清洗,研究激光能量密度以及掃描速度對清洗溫度場和清洗深度的影響,并通過實驗進行了驗證。邱文太[6]等通過改變激光的脈沖頻率和脈沖寬度對2024鋁合金表面的環氧基底漆涂層進行清洗,探討了不同激光參數下除漆效果以及基材表面損傷情況。江蘇大學的郭召恒[7-8]使用ANSYS有限元分析軟件,建立納秒脈沖激光除漆的有限元模型。模擬高斯熱源作用下漆層的溫度場風分布,研究不同激光參數下溫度場的變化規律,發現了相對于光斑直徑為50 μm的載荷,光斑直徑為100 μm的情況下雖然峰值溫度有所下降但仍能達到清洗漆層的氣化溫度。Mateo[9]等發現設置合理的激光能量密度能有效地清除黃銅藝術品修復劑中的油漆。Tianyi Shi[10]等使用120 W MOPA脈沖光纖激光器能夠很好清洗鋁合金表面氧化膜,有效地提高了鋁合金拉伸和彎曲的力學性能。ZeTian[11]等在采用納秒(30 ns)脈沖光纖激光清洗技術,通過改變能量密度(1.38～5.52 J/cm2)去除了鋁合金表面厚度為(61.7±26.5 )μm的天然海洋微生物污染。周桂蓮[12]利用ANSYS軟件模擬了激光清洗模具過程中模具表面的溫度變化,在分析過程中采用二維單元,并考慮了材料的熱物性參數隨著溫度的變化,建立了有限元模型,得出了模具表面節點的溫度分布,以及激光功率和掃描速度對溫度場的影響。

上述研究只是模擬了激光清洗的溫度場,并沒有研究激光參數對油漆的不同厚度層溫度的影響。為了探究實際過程溫度的變化如何影響清洗效果,本文將以2219鋁合金基材和環氧聚酰胺底漆作為材料,通過COMSOL Multiphysics有限元分析軟件,模擬激光束照射漆層表面,通過改變光斑搭接率和能量密度,觀察其對溫度場分布的影響,由于單一的通過溫度高低來判斷清洗效果好壞會存在著一定誤差,為了增強其結果的真實性,還研究了其對燒蝕深度的影響。之后使用納秒脈沖光纖激光器對其實物進行清洗,通過觀察清洗材料的表面微觀形貌來探究實際的清洗效果,從而為激光清洗高強度2219鋁合金漆層提供一定的理論與實驗基礎。

2 基于COMSOL的有限元分析

2.1 有限元模型假設

當激光熱源作用在鋁合金漆面上時,由于存在熱量輻射和對流的情況,導致部分能量損失,這里為了簡化模型保證實驗的可行性,需要對所建立的模型進行假設:

(1)使用的熱源是與激光能量分布相同的熱源模型;

(2)清洗的材料是各向同性,且不會由于清洗的時間的變化對其性質產生影響;

(3)不考慮在加工時由于溫度過高導致材料表面出現變形對實驗結果的影響;

(4)基材與被清洗材料之間完全熱傳導;

(5)忽略溫度改變對于材料熱物性的影響;

(6)不考慮在加工時由于溫度過高導致材料表面出現變形對實驗結果的影響。

基于上述假設,遵守能量守恒原則,列出材料的熱傳導微分方程:

(1)

不考慮材料的內熱源,式(1)可以簡化為:

(2)

在式(1)和(2)中,qm為單位體積在單位時間內傳遞的能量(W·m-3)；τ為脈沖寬度(s)；λ為材料的熱導率(W·m-1·K-1)；c為材料熱容(J·kg-1·K-1)；ρ為材料密度(kg·m-3)。

在激光清洗中,由于光斑面積遠小于鋁合金板的面積,因此該過程可以看成是個點熱源加熱半無限大的物體,其模型溫度變化[13-15]:

(3)

(4)

(5)

式中,ΔT為溫度上升值(K)；P為激光功率(W)；Q為功率密度(W/m2)；α為材料的導溫系數(m2/s)。

2.2 理論模型的建立

COMSOL Multiphysics軟件中,通過添加固體傳熱和變形幾何物理場,對材料表面加載廣義熱通量的方式,采取瞬態分析可以對不同時間內材料的不同位置進行溫度場分析。根據上述方法建立了圖1 COMSOL有限元模型。圖1(a)為清洗漆層的模型示意圖,包括尺寸大小為3 mm×2 mm×0.5 mm的2219鋁合金基體,以及3 mm×2 mm×0.04 mm的環氧聚酰胺底漆層。為了提高模擬仿真的準確性,需要對三維模型進行合理的網格劃分,由于清洗過程主要是對油漆層進行處理,因此使用細化網格對油漆層劃分,對于仿真結果影響較小的鋁合金基體采用是常規網格劃分。

圖1 COMSOL有限元模型Fig.1 Schematic diagram of COMSOL cleaning model

圖1(b)為經典高斯脈沖熱源,熱源沿著X軸的正方向移動,下列表達式為熱源q與功率密度,以及時間位移關系:

(6)

式中,v為沿X軸掃描速度(m/s);R為光斑半徑(m)。

當COMSOL軟件在進行有限元分析時,需要輸入相關材料的熱物性參數,查閱相關資料[16-17]得到如表1所示的環氧聚酰胺漆層與2219鋁合金的熱物性參數表。

表1 環氧聚酰胺底漆和鋁合金的熱物性參數Tab.1 Thermophysical parameters of epoxy polyamide prime and 2219 aluminum alloy

2.3 溫度場仿真及其結果分析

2.3.1 不同搭接率下表面溫度場分布情況

下列為光斑搭接率η與掃描速度v,脈沖頻率f,光斑直徑D之間關系式[18]:

(7)

其中,頻率單位是Hz;光斑直徑單位是m。

為了方便后續處理,本模型設置環氧聚酰胺底漆面為XY平面,激光源初始位置為XY面的坐標原點,光源沿著X軸正方向以設置的掃描速度進行移動。求解器步長設置為1/f,結束時間為3/v(s)。設置在室溫下,激光平均功率20 W,重復頻率25 kHz,光斑半徑50 μm時,不同的光斑搭接率η溫度場分布情況。光斑搭接率為0,此時漆層表面的溫度場分布及清洗效果如圖2所示。圖2(a)為溫度場分布,圖中表面峰值溫度能夠達到700 K左右,但相鄰的兩個光斑并沒有重疊的部分,且沒有熱積累效應。當激光束向前移動時,相鄰光斑之間存在著一些間隙,由于油漆的熱傳導系數很小,所以表層產生的熱影響區很小,遠離熱源的熱影響區溫度會逐漸地降低。圖2(b)為清洗效果的剖面圖,從圖中可以看出,當搭接率為0%時,雖然能夠清洗部分漆層,但是清洗深度未能達到基體表面,因此并不能完全清除漆層。

圖2 光斑搭接率為0%時表面溫度場分布及效果圖Fig.2 Surface temperature field distribution and effect when spot overlap rate is 0%

圖3為光斑搭接率為50 %的環氧聚酰胺漆層表面不同時刻溫度溫度場的分布。從圖中可以發現高斯脈沖熱源照射漆層表面時,由于熱源擴散路徑是由光斑中心向四周輻射,因此光斑中心區域的溫度最大,熱源沿著X軸方向以一個較快速度掃描時,溫度場呈現拖尾狀分布,并且光斑會以一定的重疊率連接在一起。當掃描速度為1250 mm/s,光斑搭接率50 %時,相比較光斑搭接率0,熱積累效應明顯,其表面峰值溫度可以達到開爾文溫度750 K以上,遠遠大于環氧聚酰胺底漆的氣化溫度,因此表面的底漆能夠被有效地清除。

圖3 搭接率為50 %時不同時刻漆面溫度場分布Fig.3 Temperature distribution of paint surface at different time when the lap rate is 50 %

為了更好地探究激光清洗漆層的過程中搭接率對溫度場分布的影響,依次設置搭接率為30 %,40 %,60 %,70 %(對應掃描速度分別為1750 mm/s,1500 mm/s,1000 mm/s,750 mm/s),并對其進行有限元分析,圖4為不同搭接率下漆層溫度場分布情況。當搭接率為30 %和40 %時,相對于搭接率50 %其熱影響區范圍在進一步減小,漆層表面峰值溫度雖然有所下降,但表面溫度均能夠達到清洗初始溫度。當掃描速度1000 mm/s,光斑搭接率60 %時,由于溫度較高,熱量在傳導的過程中會在激光掃描路徑上產生較大的熱影響區。搭接率為70 %時,漆層表面峰值溫度進一步升高,達到了820 K左右,在該參數下,油漆表面會在瞬間蒸發,并且模型的整體溫度相較于搭接率30 %和40 %有了明顯上升。

圖4 不同搭接率溫度場分布Fig.4 Temperature field distribution of different lap rates

2.3.2 搭接率和能量密度對不同漆層厚度清洗效果的影響

由于模擬清洗的底漆層具有一定厚度,為了更好的分析清洗效果,需要探究Z方向(深度)溫度場情況,在COMSOL Multiphysics軟件中通過定義域點探針方式可以分析不同漆層深度的溫度場分布。油漆層厚度為40 μm,定義漆面為0 μm所在面,每隔10 μm作為一層,沿著Z軸負方向依次為0 μm,10 μm,20 μm,30 μm,40 μm。

探針位置均設置在路徑的中點,零時刻為光斑剛到達探針位置,激光平均功率為20 W,圖5為清洗過程中不同漆層厚度的溫度隨著時間的變化曲線。搭接率為40 %時,雖然在0～30 μm深度層的溫度達到了氣化溫度,但是鋁合金基體表面溫度要小于環氧聚酰胺底漆氣化溫度,這說明了在該參數下,漆層未能完全清除。搭接率為50 %,表面溫度遠大于底漆氣化溫度(430 K左右),而油漆層與2219鋁合金基體結合面(深度為40 μm)的平均溫度在440 K左右,大于油漆氣化溫度,但是小于基材熔點溫度,這說明在此參數下可以在不損傷到鋁合金基材的前提下,同時達到預定的清洗效果。搭接率為60 %時,基體表面的溫度約超過了500 K,雖然能夠清除漆層,但是搭接率越大對應的掃描速度越小,所以相對于搭接率50 %其清洗效率較低。

圖5 不同搭接率下對應漆層深度溫度隨時間變化曲線圖Fig.5 Curve of temperature of the corresponding paint varies with time at different lap rates

當搭接率η為70 %時,當脈沖作用到探針位置時溫度在極短時間內迅速上升,表層峰值溫度達到了820 K以上,由于重疊率大于50 %,因此在當下一個光斑到達時,溫度還會繼續上升,之后溫度緩慢降低,從整體上看圖中整個漆層溫度都超過了油漆的沸點值,因此環氧聚酰胺漆層將會被清除。

激光光束是以脈沖的形式作用在漆層的表面,當脈沖頻率為25 kHz時,不同的能量密度決定了清洗效果的好壞,下列為能量密度的表達式[19]:

(8)

式中,E為單脈沖能量(mJ);φ為單脈沖能量密度(J/cm2)。

當光斑半徑為50 μm,掃描速度1250 mm/s,探究能量密度對于漆層厚度溫度場分布影響,圖6為不同能量密度對于各漆層深度達到的最高溫度折線圖。從圖中可以看出,在已知參數下,當能量密度大于7.64 J/cm2時,各漆層深度溫度均大于氣化溫度,能夠有效地清除底漆。當能量密度5.1 J/cm2時,漆層深度40 μm的位置其最大溫度未能達到清洗初始溫度,因此該清洗過程并不能完全清除油漆,清洗結束時會在基體表面殘留部分的漆層。

圖6 不同能量密度下各漆層深度的最高溫度折線圖Fig.6 Broken line diagram of maximum temperature of each paint layer depth under different energy densities

2.3.3 能量密度對于燒蝕深度的影響

圖7為不同能量密度(5.1 J/cm2,7.64 J/cm2,10.19 J/cm2,22.94 J/cm2)二維橫截面燒蝕深圖。可以看出,能量密度為5.1～7.64 J/cm2時,盡管燒蝕深度隨著能量密度的增大而增大,但是燒蝕深度均小于40μm,因此基體表面會殘存著部分油漆,當能量密度為10.19 J/cm2,燒蝕的深度達到了40 μm,漆層基本上被清除。能量密度為22.94 J/cm2,其達到的最大溫度為888 K,遠大于漆層的氣化溫度,同時溫度超過了2219鋁合金的初熔溫度(約為813 K),基體表面開始熔化,熔融狀態下的鋁合金流動形成了深度約為54 μm的凹坑,此時基體會被破壞。

圖7 不同能量密度下燒蝕深度Fig.7 Ablation depth at different energy densities

3 實驗與結果分析

3.1 實驗器材

在實驗中所用2219鋁合金板的毛尺寸為100 mm×100 mm×3 mm,在進行刷涂之前,將環氧聚酰胺鐵紅色底漆與固化劑按4∶1的比例混合,為了改善油漆的工藝性能,往油漆內加入適量的稀釋劑。在進行正式地涂刷之前需要對鋁合金進行預處理,為了盡可能的保證鋁合金表面的清潔,使用酒精清洗其表面,待其表面干燥之后,然后在鋁合金板表面均勻刷涂厚度約為40 μm的漆層。清洗完成后使用德國Carl Zeiss公司生產Smart zoom 5超景深顯微鏡觀察材料表面形貌,其中清洗過程使用的PFL激光器采用24 V直流電源為其供電,其主要參數如表2所示。

表2 PFL激光的主要技術參數Tab.2 The main technical parameters of PFL laser

3.2 實驗結果及其分析

實驗過程中光斑半徑為50 μm,掃描速度1250 mm/s,重復頻率25 kHz,通過改變能量密度得到圖8不同能量密度清洗后的材料表面微觀形貌,能量密度為5.1 J/cm2時,從圖中看出,大部分的漆層可以被清除,但是由于不同區域對于漆層的結合力不同,因此仍然會有部分紅褐色底漆層殘留在表面。當能量密度為7.64 J/cm2時,在仿真模型里其燒蝕深度未能到達基體,在實際中雖然表面仍然存在著少量殘留物,但是漆層基本上能夠被清除,這是由于仿真模型只考慮了橫向搭接率,而清洗過程設置的掃描間距會對縱向重疊的部分進行二次清洗。當能量密度為10.19 J/cm2(對應功率20 W),表面漆層被清除,激光束對于基體本身沒有明顯的燒蝕,因此在該參數下能夠有效地清除漆層。能量密度達到22.94 J/cm2,由于溫度超過了鋁合金初融溫度,基體被嚴重破壞,并且基體熔化產生的堆積物沿著光斑移動路徑形成了很多的燒蝕凹坑,表面粗糙度激增,清洗效果變差。

(a)5.1 J/cm2

(b)7.64 J/cm2

(c)10.19 J/cm2

(d)22.94 J/cm2圖8 不同能量密度清洗材料表面微觀形貌Fig.8 Surface microstructure of materials cleaned with different energy densities

工業生產中通過涂漆處理可以防止鋁合金由于應力腐蝕開裂(SCC)而失效,當激光清除完鋁合金表面舊漆,重新涂裝新漆過程中不同的表面粗糙度會影響漆層的防護作用。圖9為不同掃描速度清洗材料3D輪廓圖,圖10為不同搭接率清洗材料表面粗糙度曲線圖。結合圖9和圖10,當激光功率為20W,搭接率為40 %,清洗結束后粗糙度Ra約為0.1148μm,表面較為光滑影響漆層對鋁合金表面的附著力,降低了漆層的防護作用。搭接率為50 %和60 %時,材料表面的漆層被完全清除,其表面粗糙度Ra(分別為0.1568 μm和0.1724 μm)能夠滿足涂裝的工藝要求。當搭接率70 %時,從圖中看出基體燒蝕嚴重,表面有不少因材料熔化產生的凹坑,通過測量粗糙度Ra約為0.2442 μm,表面粗糙度過大不僅使得表面殘余應力增大影響其使用性能,還會導致后期重新涂裝的效果不佳。

(a)η=40 %

(b)η=50 %

(c)η=60 %

(d)η=70 %圖9 不同搭接率清洗材料后三維輪廓圖Fig.9 3D profile of the surface of the material cleaned at different lap rates

圖10 不同搭接率清洗材料表面粗糙度曲線圖Fig.10 Surface roughness curves of cleaning materials with different lap rates

4 結 論

綜上所述:在COMSOL軟件中通過改變光斑搭接率和能量密度,探究了其對清洗過程中溫度場和燒蝕深度的影響,并利用激光儀器和檢測設備對仿真結果進行了驗證。

(1)仿真結果表明,在考慮到清洗效率的前提下,當平均功率20 W,掃描速度為1250 mm/s(搭接率50 %)時其清洗效果最佳；能量密度為10.19 J/cm2時,清洗的深度為40 μm,能夠清除漆層,且不會損壞鋁合金基體；能量密度為22.94 J/cm2燒蝕的深度為54 μm,基體遭到破壞。

(2)在實際實驗中,激光功率為20 W,光斑搭接率40 %時,由于基體表面的溫度未超過氣化溫度因此并不能將油漆層完全清除,并且清洗過后表面被氧化。搭接率為50 %和60 %時,表層的漆層基本被清除,表面粗糙度能夠到達鋁合金涂漆工藝要求,搭接率70 %時,由于產生的溫度超過了鋁合金的熔化溫度,在清洗底漆的過程中激光束會燒蝕基體,并在其表面產生凹坑,導致表面粗糙度增大影響油漆層對鋁合金防護作用。

(3)通過觀察清洗后的微觀形貌看出,當掃描速度設置為1250 mm/s(重疊率為50 %)時,能量密度在5.1～10.19 J/cm2的范圍內,隨著能量密度的增加清洗效果越來越好。當能量密度達到22.94 J/cm2,基體被燒蝕的同時會沿著激光清洗的路徑上產生許多凹坑,清洗效果不佳。

本文中仿真結果與實際結果的偏差來源主要有兩點:①數值仿真是以燒蝕深度剛好達到漆層厚度為最優結果,而通常實際實驗中清除漆層最優結果出現在燒蝕深度略大于漆層厚度；②設計仿真模型時光斑搭接率只考慮了橫向搭接率,并沒有考慮到縱向搭接率,但是在實際過程中掃描間距對于縱向搭接率會有影響。