邵 壮,王 涛

(河北工业大学,天津 300132)

1 引 言

在工业生产中,许多产品会进行表面漆层喷涂防止锈蚀,产品表面漆层会随着时间脱落影响防锈效果,对漆层进行重新喷涂或者对基体进行检修时,必须对原漆层进行清洗剥离[1-3]。激光清洗与传统的机械清洗、高频超声清洗、化学腐蚀清洗等相比有着非常定位准确、可控性强及污染小等优势[4]。激光清洗作用机理分为烧蚀作用、光压力、选择性气化、快速加热和冷却导致的热振动作用、气化压力、等离子体爆发作用[5]。各种机制并不是单独存在的,在具体的激光清洗中机制需要根据具体情况而定。在激光去除漆层中,主要作用机理为烧蚀以及振动机理[6-7]。在激光除漆过程中漆层吸收激光能量产生的温度场和应力场是影响除漆效果和表面质量的关键。由于实验不易直接测取温度场和应力场的分布。因此,利用有限元方法来研究激光除漆过程中不同激光参数与材料所产生的温度和应力场变化的有效方法。

目前利用有限元方法对激光加工过程进行模拟已经有部分学者进行尝试。赵海朝[8]等利用有限元模拟深入分析了激光清洗漆层的过程与作用机制,并采用波长为 1064 nm,脉宽为1 μs的脉冲激光器对 2024 铝合金表面漆层进行了激光清洗工艺试验,研究了扫描速度、脉冲频率、激光功率对激光清洗漆层质量的影响规律。高辽远[9]等采用COMSOL Multiphysics建立了纳秒脉冲激光清洗2024铝合金表面丙烯酸聚氨酯漆层的有限元模型,分析了不同参数对激光清洗温度场和清洗深度的影响,并进行了实验验证。曹丹[10]等通过有限元求解材料的二维导热模型,利用ANSYS仿真获取材料表面的温度分布,把表面温度计算值和仿真结果的误差平方和作为目标函数,借助于共轭梯度法来优化该目标函数。

上述研究主要是针对激光加工中所产生的温度场进行模拟研究,对于应力场的研究甚少。激光除漆过程中温度场是影响除漆效果的一个重要因素,但是漆层能否从基体剥落在温度场在基体与漆层交界处不足以达到漆层烧蚀气化温度是应力场起了决定作用。

为了对激光清洗5052铝合金表面环氧锌黄漆层过程中的温度变化和应力变化进行分析,本文采用Ansys软件建立移动纳秒激光清洗漆层的有限元模型,探究不同扫描速度下对温度场和应力场对激光清洗漆层深度和效果的影响并给出效果预估,最后对有限元模拟结果进行实验验证,旨在为激光除漆工艺参数选择提供参考依据。

2 基于Ansys的数值分析模型

2.1 模型假设

在激光清洗漆层中,其中漆层厚度设置50 μm,模型沿着Z轴正方向分别为铝合金基体层和油漆层,激光光束沿着Z轴负方向作用于漆层上,材料吸收能量温度发生变化并产生热传导。为了方便计算,在此做以下假设:

(1)假设一个与激光能量分布相同的热源模型作用于待清洗材料表面；

(2)光斑内能量分布均匀,激光作用在待清洗平面能量分布均匀；

(3)待清洗材料均为各向同性,物理参数不随温度等变化；

(4)只考虑材料的热传导,不考虑热辐射及热对流；

(5)忽略相变潜热对温度场的影响。

2.2 有限元模拟

在激光清洗漆层系统中,模型尺寸包括0.3 mm×0.3 mm×2 mm铝合金基体层和0.3 mm×0.3 mm×0.05 mm环氧锌黄漆层,根据材料参数及实验设备条件选择波长为1064 nm的脉冲激光,设置激光平均功率为20 W,光斑直径为78 μm。脉冲激光在Y=0.15 mm处沿着X轴正向扫描。

考虑到ANSYS软件对于多物理场耦合的优化解决方案,因此在本模型进行数值模拟时使用此软件。在采用有限元方法分析激光清洗过程时,为了节省运算时间减少计算浪费必须要对激光清洗模型的进行网格优化,待清洗层上的温度、应力等数值变化较大,远离激光基体层区域的网格密度对仿真结果影响较小,因此不同的单元格设置不同的网格密度,对待清洗层区域以及待清洗层与基体接触附近的网格进行细化。图1为Ansys中进行网格细化的模型,从而能够用较为合理的时间得到精确的结果。

图1 激光清洗三维有限元模型Fig.1 Finite element model and meshes of samples for laser cleaning

根据热传导理论和热-结构力理论,进行有限元分析需要知道材料的热特性,通过查阅资料,查出本实验中使用的环氧锌黄漆340 K及500 K时铝合金基体的参数如表1所示。

表1 油漆层及基体层的热特性参数Tab.1 Thermal characteristics of paint and aluminum alloy

2.2.1 温度场模拟

设置扫描速度为1200 mm/s,激光频率为20 kHz加载到漆层表面。其单脉冲能量为1 mJ。对漆结构模型进行有限元计算,得出激光清洗产生的温度在漆层表面及激光运动路径下漆层与基体交界处的温度深度图如图2所示。

图2 漆层表面温度分布图Fig.2 Paint surface temperature distribution diagram

通过有限元仿真的数据我们可以看到在激光清洗漆层过程中,由于运动速度较快单个激光脉冲在漆层表面作用对温度变化造成的影响。漆层表面的温度在高斯脉冲激光中心处可以瞬间达到104K数量级,漆层瞬间气化,其温度在漆层表面成拖尾状分布且越靠近基体温度迅速降低。由于热传导根据其热导率的不同传导速度不相同具有滞后性。通过在模型中间插入探针,可以得到不同时刻不同深度(基体与漆层交界平面为Z=0面,靠近漆层方向为Z正方向)探针温度变化曲线。为了保证探针在末时刻前温度可以达到最大值和尽量低的软件计算量,取时间段为0.005 s。测取探针的温度和变化如图3所示。

图3 P=20 W,V=1200 mm/s探针温度变化图Fig.3 P=20 W,V=1200 mm/s probe temperature variation diagram

可以看到在距离基体10 μm以上的区域温度大于漆层气化点450 K可以通过烧蚀机理去除,基体与漆层交界处的温度接近初始温度值,无法达到漆层气化点。由于热应力的生成是源自模型的热变化,在考虑清洗效果影响因素的时首先考虑其烧蚀效应,在待清洗模型满足烧蚀条件时认为待清洗表面受烧蚀效应清除,当模型不满足烧蚀条件,对其应力进行分析满足振动条件认为受振动效应去除,两个皆不满足时,认为去除效果较差。

改变激光扫描速度为800 mm/s、1000 mm/s,以及14000 mm/s、1600 mm/s得到探针温度变化图如图4所示。改变扫描速度对模型温度造成影响,在速度800～1600 mm/s时距离基体10 μm处的漆层都大于漆层的气化温度,基体附近的温度始终与初始温度相同,烧蚀效应无法达到去除漆层的条件,若能够将漆层清洗干净,判断振动效应在清洗距离基体10 μm以内的漆层起主要作用。

图4 探针温度变化图Fig.4 Probe temperature variation figure

2.2.2 应力场模拟

将温度作为方程条件求解应力分布,(t=2×10-4s)时刻应力分布如图5所示。

图5 应力表面分布图Fig.5 Stress surface distribution Diagram

热应力分布与温度分布趋势相同,在激光中心附近的热应力达到了107Pa数量级大于漆层的内聚力,漆层燃烧和破碎。对于漆层是否能够从基底去除主要考虑为漆层与基体接触面Z方向应力与漆层和基体结合力大小相比较,根据实际情况设置漆层上表面为自由表面,基体下表面为固定表面,求解Z方向应力如图6所示。

图6 Z方向应力表面分布图Fig.6 Stress surface distribution diagram in Z direction

由于漆层上表面为自由表面其应变在Z轴正方向不受限制,因此在上表面所受到的Z方向应力非常小,漆层层间以及与基体层级间接触部分应力值较大,有利于漆层通过振动效应去除。不同时刻下探针点Z方向应力大小如图7所示。

图7 P=20 W,V=1200 mm/s路径下Z方向应力变化图Fig.7 Variation of stress in Z direction under path of P=20 W and V=1200 mm/s

在上述条件下漆层与基体接触处的应力达到了瞬间达到最大,这有利提高振动效应。最大值在t=1.5×10-4s时为11.3 MPa,漆层与基体的结合力一般不会超过10 MPa,但是由于高斯激光中心能量密度较高,边缘能量密度较低对于漆层的去除效果根据扫描间距的变化往往不会相同,同时基体表面会有微小起伏,其效果也会受到影响。改变扫描速度得到探针的Z方向应力变化如图8所示。

图8 Z方向应力变化图Fig.8 Variation of stress in Z direction

在激光V=800 mm/s时漆层与基体层级间应力最大达到了15.5 MPa,增大扫描速度,层级及层间的应力数值越小。在扫描速度为V=1600 mm/s时,漆层与基体层级间应力降至为10.7 MPa,与环氧漆的涂装工艺要求相比大于其涂装标准,但是对于激光清洗漆层由于漆层燃烧气化导致漆层上方蒸汽密度增大,密度增大到一定程度其将会出现等离子体屏蔽效应从而影响漆层对于激光的吸收造成清洗效果的不同。 因此对于激光清洗漆层并不是扫描速度越小清洗效果越好,在不同的功率密度作用下,漆层对于激光实际吸收率不会相同。

3 实验研究和结果分析

3.1 实验设备及材料

所用实验样品其基底材料为5052铝合金样片,尺寸为:100 mm×100 mm×2 mm。漆层为环氧锌黄底漆喷涂厚度大约为50 μm。

激光清洗采用光纤激光清洗设备,主要由光纤脉冲激光器,扫描振镜、控制卡等组成,其清洗设备示意图如图9所示。激光器的功率为10～30 W可调,发射出的激光为高斯分布,光斑半径为R,本实验中R=39 μm。其中光纤脉冲激光器主要参数如表2所示。

图9 激光清洗装置和清洗方法示意图Fig.9 Schematics of laser cleaning device and cleaning method

表2 光纤激光器主要参数Tab.2 Main parameters of optical fiber laser

根据GB5210-2006对底漆与基体进行拉开法附着力实验,根据环氧富锌底漆规范标准HG/T3668-2009要求,有机富锌底漆的附着力应达到6 MPa,测试结果见表3。

表3 底漆附着力测试结果Tab.3 Adhesion test results of priming paint

使用超景深显微镜对未处理前的铝合金基体进行观察得到其放大300倍的二维图和表面形貌数据,未处理的铝合金基体表面起伏在10 μm以内。

图10 铝合金放大300倍表面形貌及3D轮廓图Fig.10 Surface morphology and 3D contour of aluminum alloy at 300 times magnification

附着力测试实验测取为区域内的平均值,由于铝合金表面有起伏,对于铝合金表面漆层去除所受到的应力也不同,理想平面的清洗应力应为热应力在Z轴的分量,表面起伏则会导致漆层脱离应力方向不是沿着Z轴,漆层同时也会受到X、Y方向的应力,实际所受清洗力的值一般比热应力Z轴方向的分量要大。根据底漆附着力测试结果,漆层去除的平均应力在10 MPa,根据油漆的喷涂以及区域不同略有差异。

3.2 激光清洗漆层实验

对不同扫描速度下的激光除漆效果进行实验研究,得到激光除漆后的表面形貌图,如图11所示。

图11 不同扫描速度的激光除漆效果图Fig.11 Laser paint removal renderings of different scanning speeds

随着扫描速度的增加,试样表面漆层的清洗质量先增加后降低。在扫描速度为200～1000 mm/s之间时,清洗效果随着扫描速度的增加而提高,漆层吸收能量降低,漆层熔化蒸发、燃烧效应减弱,漆层上方蒸汽密度降低,脉冲激光冲击作用增强,漆层残留减少。当扫描速度高于1200 mm/s时,随着扫描速度的增加,单位面积内脉冲作用时间减小,激光清洗质量下降,漆层残留增多。

将样品下放大一百倍观察不同扫描速度下的样品表面形态如图12所示。

图12 不同扫描速度下的激光清洗效果100×放大图Fig.12 100× Amplification of laser cleaning effect at different scanning speeds

由放大100倍的样品图可以看到,扫描速度为400 mm/s时漆层被烧蚀氧化,未去除的漆层附着在基体表面之上。扫描速度为800 mm/s时,清洗效果相对于400 mm/s较好,表面出现较为明显激光运动路径轨迹,但是仍有大部分漆层残留。在扫描速度为1200 mm/s时对比图13可以看出基体表面无明显氧化痕迹和漆层残留,通过放大100倍发现在每段激光扫描路径之间会有小部分漆层未去除,总体除漆效果较好。扫描速度为1600 mm/s时,大部分厚度漆层通过烧蚀效应去除,在一部分区域可以看出斑点式的区域被去除,这与脉冲激光的特性和不同区域漆层对于基体结合力不同有关。

4 结 论

在激光除漆过程中,烧蚀效应以及振动效应对除漆效果有决定作用,对不同扫描速度的激光进行激光除漆过程的热力学模拟,得出在材料对激光吸收率不变的情况下温度场和应力场数据,通过实验对比研究,在激光除漆过程中,扫描速度过低烧蚀效应起了主要作用,易产生等离子屏蔽效应从而影响材料对于激光的吸收率,仿真模型在低速扫描下不适用。扫描速度在200～1000 mm/s之间时,烧蚀效应以及等离子屏蔽效应逐渐减弱,材料对激光吸收率以及振动效应逐渐提高。扫描速度在达到1200 mm/s以后,振动效应在激光除漆过程中起了主要作用,激光除漆的效果随着扫描速度的增加而减弱,与仿真模型结果相同。