1 引言

工程应用中常常要对飞机、高铁等蒙皮表面进行缺陷和疲劳裂纹检测,因此需要去除蒙皮表面的漆层^[1]。传统的除漆方法,如打磨、化学清洗、抛丸和喷砂等,不仅耗时较长,效率低下,而且除漆后的表面质量难以控制,容易对基体表面造成一定损伤,给零部件的使用带来隐患^[2]。激光清洗技术是一种非机械接触式表面清洗技术,具有定位准确、可控性高及污染小等优点,在工业领域得到了越来越广泛的应用^[3-6]。激光清洗技术主要利用高能激光束辐照漆层材料,使其在极短的时间内气化,最终达到清洗基体表面漆层的目的^[7]。在激光清洗过程中,漆层和基体材料吸收激光能量后产生的温度场是影响除漆效果和表面质量的关键。但是,温度场的分布不易通过实验直接测量获得。因此,有限元分析方法成为研究激光清洗过程中激光工艺参数与材料相互作用关系的有效手段。

目前,已有部分学者对激光与材料的相互作用过程进行了有限元模拟。Marimuthu等^[8]采用二维瞬态数值模拟方法建立了能够预测去除污染物所需的最佳脉冲数及激光功率的模型,并阐述了准分子激光清洗的机理。汤文辉等^[9]采用光滑粒子流体动力学方法对激光辐照环氧树脂/金属铝双层靶的烧蚀效应进行了数值模拟,并得到了不同激光参数下靶材的温度场和烧蚀形貌。闫晓东等^[10]利用COMSOL Multiphysics软件建立了移动纳秒脉冲激光烧蚀模型,讨论了移动速度对激光烧蚀深度的影响。刘彩飞等^[11]利用ANSYS软件模拟了激光清洗过程的温度场,研究了不同时刻漆膜表面的温度场分布以及激光参量对漆膜表面温度场的影响。Lim等^[12]基于热蒸发机理对单个纳秒脉冲激光烧蚀清洗过程进行了有限元模拟,并与实验结果进行比较,验证了参数变化对烧蚀过程的影响,重点讨论了激光脉冲辐照后烧蚀深度及其形状的差异。胡鹏^[13]等模拟了采用不同占空比的重复频率脉冲激光辐照金属材料前后,金属材料表面的温升特性和烧蚀深度的变化规律,认为激光占空比和材料厚度均对烧蚀深度有一定影响,并认为重复频率脉冲激光更有利于金属材料的加热及烧蚀。赵伟娜等^[14]模拟了高功率连续激光引起的烧蚀、热解及层间开裂行为,获得的热力损伤形貌、温度历程与实验结果吻合得较好。Yue等^[15]利用ANSYS有限元软件模拟了时域矩形脉冲和高斯脉冲对锥形微槽结构进行激光清洗的温度场,并在此基础上对清洗阈值进行了预测。结果表明,矩形脉冲与高斯脉冲相比具有更高的清洗效率,在相同的激光参数下,侧壁处的清洗深度低于其他位置。上述研究主要针对单脉冲激光或连续激光与材料相互作用的温度场分布进行了数值模拟,并未涉及移动脉冲激光与清洗材料的相互作用。由于脉冲激光在清洗过程中以光斑叠加的方式向前移动,因此,前后光斑的搭接对材料热影响的叠加是影响温度场分布的关键,同时,扫描速度和激光能量密度协同作用对清洗深度的影响也同样值得关注。

为了对纳秒脉冲激光清洗2024铝合金表面丙烯酸聚氨酯漆层过程中的温度变化规律进行系统分析,本文采用COMSOL Multiphysics软件建立了移动纳秒脉冲激光清洗的有限元模型,以探究激光参数(扫描速度、光斑搭接率、激光能量密度)对激光清洗温度场和清洗深度的影响,最后通过纳秒脉冲激光清洗实验对模拟结果进行验证,旨在为研究纳秒脉冲激光清洗及其工艺参数的选择提供参考依据。

2 激光清洗原理及理论模型

脉冲激光清洗试样表面漆层的原理如图1所示。激光清洗铝合金表面漆层的过程可描述如下:激光经过光路后辐照于试样表面,除少量激光能量因热对流和热辐射而产生损失外,大部分激光能量瞬间被漆层材料吸收,在极短的时间内漆层材料温度快速升高至气化温度,漆层材料气化后从基体表面去除。影响激光清洗的因素众多,其实际的物理过程也十分复杂,因此在对其进行温度场模拟时做出如下假设:1)激光清洗过程中的所有材料为连续的且各向同性;2)激光作用于模型表面的吸收率恒定,不随时间而发生变化;3)不考虑激光清洗过程中生成的气态材料和等离子体对激光能量的吸收;4)不考虑材料表面受热变形的影响;5)漆层材料与基体间为完全热传导。

图 1. 激光清洗原理图

Fig. 1. Principle diagram of laser cleaning

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激光清洗过程中的热传导过程遵循基于傅里叶定律和能量守恒的热传导方程,其在直角坐标系下的瞬态三维热传导控制方程^[15]为

κ∂2Ts∂x2+∂2Ts∂y2+∂2Ts∂z2=ρc∂T∂t,(1)

式中:κ为材料的热传导系数;T_s为材料的瞬时温度;t为热传导时间;ρ、c分别为材料的密度和比热容。在下文的模拟中使用以下边界条件和初始条件^[16-17]:

模型各边界的初始温度为

TΓ=T(t),(2)

模型与边界的热对流为

-κ∂T∂nΓ=h(Tf-T),(3)

模型各边界处的热流密度为

-κ∂T∂nΓ=qΓ,(4)

模型各边界处的热辐射为

-κ∂T∂nΓ=σε(Tf4-T4),(5)

式中:Γ为边界条件;T为已知边界上的温度;n为模型边界的外法线;q为材料表面单位面积的热流密度;h为模型与空气介质的对流换热系数;σ为玻尔兹曼系数;ε为模型材料的辐射率;T_f为初始温度,模拟初始温度为25 ℃。

模拟过程中使用高斯型能量分布的热源,热流密度在空间和时间上近似呈正态分布,移动的纳秒脉冲激光以热流密度的形式加载到材料表面,其功率分布函数^[11]为

I(x,y,z,t)=αP(πR2τ-1·exp-2(x-vt)2-y2R2·exp-2(t-τ)2τ2,(s-1)tp<t<(s-1)tp+τ0,(s-1)tp+τ<t<stp,(6)

式中:I(x,y,z,t)为激光的功率密度(W/cm²);t为热源加载时间;P为峰值激光功率(W);R为激光光斑的半径(cm);α为材料表面对激光能量的吸收率;τ为激光脉冲的宽度(s);t_p为脉冲激光的周期(s);s为大于1的整数。

3 数值模拟

3.1 有限元模型的建立

激光清洗试样的有限元模型如图2所示,模型包括尺寸为5 mm×5 mm×2 mm的2024铝合金基底和厚度为100 μm丙烯酸聚氨酯漆层。高速移动的脉冲激光沿x轴正向单道单次扫描试样,漆层材料在激光清洗过程中直接吸收激光能量,热量通过热传导的方式到达2024铝合金基体表面。选用三维模型对脉冲激光清洗过程进行模拟,由于激光直接作用区域的热流密度大,热梯度大,为了最大程度地提高模拟的精度,并有效节约计算资源,对模型进行渐变网格划分。其中,漆层区域的网格划分得最细。

图 2. 激光清洗试样的有限元模型及网格划分

Fig. 2. Finite element model and meshing of laser cleaned samples

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模拟中用到的丙烯酸聚氨酯漆层和2024铝合金基体的热物性参数见表1,丙烯酸聚氨酯的沸点为141.5 ℃,2024铝合金的熔点范围为500~635 ℃。

3.2 加载和模拟

图 3. 不同时刻丙烯酸聚氨酯漆层表面的温度场分布。(a) t=0.002 s;(b) t=0.003 s;(c) t=0.004 s;(d) t=0.048 s

Fig. 3. Surface temperature field distributions of acrylic polyurethane paint layer at different scanning moments. (a) t=0.002 s; (b) t=0.003 s; (c) t=0.004 s; (d) t=0.048 s

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3.3 有限元模拟结果分析

图 5. 不同扫描速度下的温度场分布。(a)扫描速度2500 mm/s,搭接率50%;(b)扫描速度5000 mm/s,搭接率0

Fig. 5. Temperature field distributions at different scanning speeds. (a) Scanning speed of 2500 mm/s and spot overlapping of 50%; (b) scanning speed of 5000 mm/s and spot overlapping of 0

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4 激光清洗实验及结果分析

为了验证模拟结果的准确性,采用德国Art Photonics公司的IPG-HP-100脉冲式光纤激光器对2024铝合金表面漆层进行清洗实验,详细技术参数见表2。试样采用尺寸为5 mm×5 mm×2 mm的2024铝合金基体,其表面涂覆厚度为100 μm的丙烯酸聚氨酯漆层。在上述模拟结果分析移动纳秒脉冲激光参数对材料表面温度场以及清洗深度影响的基础上,选择激光工艺参数如下:扫描速度为2500 mm/s,重复频率为100 kHz,搭接率为50%,激光能量密度为5~50 J/cm²,光斑直径为50 μm。激光清洗结束后,使用日本Keyence基恩士VHX-600超景深三维显微系统和S-3400N钨灯丝扫描电镜观察清洗后试样的表面形貌。

4.1 基体表面的三维形貌

通常情况下,在抛丸或喷砂除漆除锈后,钢材表面会形成一定的粗糙度,可提高再涂装漆膜的附着力。一般规定处理后的表面峰谷高度(PVH)应为40~70 μm,最大不得超过100 μm,因为基体表面粗糙度过大会消耗过多的油漆,增大漆膜下形成气泡的可能性,甚至出现漆膜无法覆盖波峰的情况^[19]。图10为采用不同能量密度的激光对铝合金表面进行清洗后试样表面的三维形貌,可见:采用能量密度为15 J/cm²的激光清洗后,铝合金基体表面有少量凹凸不平的微坑,PVH为35.534 μm;采用能量密度为25 J/cm²的激光清洗后,铝合金基体表面形成了均匀的沟槽状形貌,且PVH为50.234 μm;采用能量密度为40,50 J/cm²的激光清洗后,基体表面的PVH分别为103.045,204.845 μm。由于沟槽的波峰出现不同程度的较严重的熔融现象,引起PVH增大,无法达到表面涂装工艺的要求。

通过实验发现,当激光能量密度为25 J/cm²,扫描速度为2500 mm/s,重复频率为100 kHz,搭接率为50%时,铝合金基体表面的PVH为50.234 μm,这与模拟结果基本一致,符合涂装表面PVH在40~70 μm范围内的要求,表明此参数组合可获得良好的符合涂装工艺要求的表面。

图 10. 不同能量密度的激光清洗后铝合金基体表面的三维形貌。(a) 15 J/cm²;(b) 25 J/cm²;(c) 40 J/cm²;(d) 50 J/cm²

Fig. 10. Three-dimensional surface topographies of aluminum alloy substrate after cleaning by laser with different energy densities. (a) 15 J/cm²; (b) 25 J/cm²; (c) 40 J/cm²; (d) 50 J/cm²

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4.2 基体表面的微观形貌

如图11所示为不同能量密度的激光清洗后铝合金基体的表面形貌,可见:当激光能量密度为5 J/cm²时,基体表面留有一层丙烯酸聚氨酯漆层烧蚀后的残渣,此时为未完全清洗状态;当激光能量密度为15 J/cm²时,在扫描路径上脉冲激光作用的中心区域被烧蚀成一个熔融的微坑,微坑尺寸并未达到光斑直径(50 μm),这是由于高斯型热源的中心温度最高,使得铝合金基体部分材料达到最低熔点后产生轻微的熔融现象,在激光扫描路径两侧分布着少量的漆层材料残留碎屑,此时的清洗效果较好,但仍有漆层材料颗粒附着在基体表面,未完全清洗干净;当激光能量密度25 J/cm²时,基体表面无残余的漆层材料,可以明显看到单个光斑烧蚀产生的熔融边界与光斑直径相同,且在边界处有轻微飞溅的熔融物,这是由于激光作用期间整个光斑区域内的基体表面温度已达到铝合金的最低熔点;当激光能量密度为40 J/cm²时,基体表面被完全烧蚀,呈熔融状态,可以明显观察到扫描路径两侧由于激光烧蚀而引起的熔融物飞溅以及激光扫描过后的凹槽。

图 11. 不同能量密度的激光清洗后铝合金基体的SEM图。(a) 5 J/cm²;(b) 15 J/cm²;(c) 25 J/cm²;(d) 40 J/cm²

Fig. 11. SEM images of aluminum alloy substrate after cleaning by laser with different energy densities. (a) 5 J/cm²; (b) 15 J/cm²; (c) 25 J/cm²; (d) 40 J/cm²

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先基于模拟结果分析移动纳秒脉冲激光参数对材料表面温度场的影响,在此基础上进行了相同参数的激光清洗实验,模拟和实验结果基本吻合,从而验证了所建立的有限元模型的合理性。

5 结论

利用有限元分析软件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,实现了激光清洗过程温度场与位移场的同步可视化分析,研究了激光参数对激光清洗温度场和清洗深度的影响,并将纳秒脉冲激光清洗试样的表面质量与模拟结果进行对比,得到了以下结论:重复频率和光斑直径一定时,扫描速度以搭接率的形式影响清洗效率,扫描速度越慢,热积累效应越高,但清洗速率降低,搭接率为50%时具有合适的清洗效率;随着激光能量密度增加,漆层表面和基体表面的最高温度线性升高,当激光能量密度达到25 J/cm²时,激光辐照区域的漆层材料完全被去除,铝合金基体的去除深度为50 μm。基于有限元模型分析结果可知,当使用能量密度为25 J/cm²,搭接率为50%的激光清洗实验参数时,清洗后基体表面沟槽的PVH为50.234 μm,此参数组合可获得良好的符合涂装工艺要求的表面。