激光清洗铝合金漆层的数值模拟与表面形貌

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。结果表明:扫描速度以搭接率的形式影响清洗效率,扫描速度越慢,清洗速率越小,当搭接率为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/cm^2时,激光辐照区域的漆层材料完全被去除,铝合金基体的烧蚀深度为50μm;在激光能量密度为25 J/cm^2,搭接率为50%的实验参数下,基体表面沟槽峰谷高度为50.234μm,在此参数组合下可以获得良好的符合涂装工艺要求的表面。该结果可为研究纳秒脉冲激光清洗及其工艺参数的选择提供参考。     

激光清洗5083铝合金表面漆层的数值模拟与试验研究

为了探索不同功率的激光对铝合金表面漆层的温度场分布以及清洗深度的影响,以及光斑搭接率对清洗效果的影响,利用COMSOL multiphysics软件建立了光纤脉冲激光清洗5083铝合金表面漆层的数值模型,最后得既能够防止基体表面受到损坏,也能够使得漆层材料完全去除的激光功率,以及可以获得良好清洗效果的光斑搭接率,并用实验来得以验证。结果表明：激光重复频率为100 kHz时,激光功率越大,试样表面温度上升越快,烧蚀深度也随之增加。当30 W的激光功率基本上可以保证去除掉漆层且不伤及基体表面,对基体材料的烧蚀深度为10μm。在激光功率为30 W,光斑搭接率为50%的实验参数下,试样表面粗糙度较清洗前降低,为4.48μm,在该实验参数下可以获得不伤及铝合金基体的良好的清洗效果。该实验结果可以为光纤脉冲激光清洗的工艺参数的选择提供参考。     

1064nm准连续激光除漆研究

激光清洗作为环保节能的绿色清洗方法,在钢铁材料表面除漆领域具有重要的应用前景。利用波长为1064nm,重复频率为0.5～50kHz可调的声光调Q准连续Nd:YAG激光对钢基底表面漆层样品进行了清洗实验和工作机理研究。模拟和实验结果表明,在钢基底表面漆层脉冲激光去除中,阈值清洗条件下有效清洗机理是振动效应,而有基底损伤时有效清洗机理是振动效应和烧蚀效应;对于厚为50μm漆层的钢铁基底,在平均功率20W以上且搭接率为80%时,能够完全清除基板表面油漆而不损伤其基体。在保证激光功率密度和扫描搭接率适当的同时,通过提高激光器输出功率、脉冲重复频率或增加光斑直径,可以获得更好的清洗效果和更高的清洗效率。     

碳纤维增强复合材料表面漆层激光清洗工艺研究

研究激光工艺参数对T300碳纤维表面漆层清洗质量的影响规律,采用CO₂激光器对样品进行激光清洗试验。使用形状测量激光显微镜对激光清洗后的样品进行表面粗糙度以及去除厚度的测量,研究激光平均功率、搭接率及扫描次数对清洗质量的影响规律。通过力学性能分析、漆层结合力检测、老化试验、温度检测及金相试验,结果表明：激光平均功率与光斑搭接率过大会对碳纤维表面造成一定损伤。在激光平均功率P=40 W、光斑搭接率δ=65%、扫描次数t=1时,能达到较好的激光清洗质量且不会影响材料本身的力学性能,清洗后的表面状态可达到后续重新涂漆的质量要求。该研究可为激光清洗碳纤维增强复合材料飞机制造领域工程应用提供技术参考。     

基于COMSOL的激光清洗2219铝合金漆层工艺研究

利用COMSOL Multiphysics仿真软件,建立2219铝合金板表面环氧聚酰胺底漆有限元模型,并在其表面加载经典高斯脉冲热源模拟激光清洗过程。探究了清洗参数的变化对漆层温度场、不同漆层厚度清洗效果及烧蚀深度的影响,通过对仿真结果分析发现,当重复频率为25kHz,功率20W时,在不损伤铝合金基体的前提下,搭接率50和60均能够完全清除环氧聚酰胺底漆。使用型号CETC26thPEL脉冲光纤激光器对实物进行清洗,并利用超景深显微镜观察材料表面微观形貌,发现当能量密度为2294J/cm2时,清洗过程中会损伤铝合金基体,搭接率为70会使得材料表面的粗糙度增大影响涂装性能,研究结果为激光清洗高强度铝合金漆层提供一定的理论与实验基础。     

5083铝合金阳极氧化膜激光清洗工艺研究

采用纳秒脉冲光纤激光器对5083铝合金阳极氧化膜进行清洗，对清洗试样的表面形貌、表面粗糙度、元素组成和含量、清洗率及清洗机制等进行分析。研究表明，脉冲频率影响扫描振镜方向的光斑搭接率，激光行进速度影响清洗方向的光斑搭接率，在过高的激光能量下清除氧化膜时会造成基体二次氧化。工艺参数对表面粗糙度的影响规律不同，表面粗糙度随单脉冲能量的增加先增大后减小，随脉冲频率的增加出现两次先减小后增大，随激光行进速度的增加先增大后减小再增大。当单脉冲能量为100 mJ、脉冲频率为9.67 kHz、扫描振镜速度为4000 mm/s、激光行进速度为6.5 mm/s时，5.27μm厚的氧化膜几乎被清洗干净，表面粗糙度为Sa=0.608μm，优于机械打磨表面粗糙度（1.18μm），清洗率达97.14%，与参数优化前相比清洗率提升了2.43%。激光清除5083铝合金氧化膜的机制为热烧蚀、弹性振动剥离和孔洞爆破。     

纯铝设备线夹表面氧化层激光清洗工艺研究

针对纯铝设备线夹表面氧化层的清理需求,研究纳秒脉冲激光清洗纯铝设备线夹表面氧化层的工艺。通过不同工艺参数下的对比试验,研究不同功率和光斑叠加率对激光清洗效果和清洗效率的影响。在高效率激光清洗的前提下,通过研究不同重复频率和扫描次数对激光清洗效果的影响,进一步优化纯铝设备线夹表面氧化层激光清洗工艺。结果表明：在高功率、50%的光斑叠加率工艺设定下,氧化污染表面具有良好及高效的清洗效果;在上述基础工艺上,优化重复频率和扫描次数,能进一步提升表面的清洗效果;过高的功率、光斑叠加率及扫描次数,均会造成表面的过清洗。     

激光参量对碳钢表面清洗质量的影响

为了研究激光工艺参量对碳钢表面锈蚀污染层清洗质量的影响规律,采用Nd∶ YAG准连续激光器对Q235钢板试样进行了激光除锈清洗试验,并观测了试样表面清洗质量。分析了激光清洗污染物烧蚀的工作机理,并试验研究了激光能量密度、扫描速率、扫描宽度、离焦量和重复频率等工艺参量对清洗质量的影响,在此基础上进行了正交试验;通过对激光清洗前后试件进行表面粗糙度、形貌和能谱分析,获得了Q235钢最佳激光工艺参量分别为扫描速率900mm/min、离焦量1mm、能量密度7.6J/cm2、扫描宽度30mm。结果表明,激光除锈后表面粗糙度和3维形貌得到改善,激光清洗样品的粗糙度值接近无锈样品,激光清洗样品的形貌与无锈样品基本相同;激光清洗后材料表面的锈蚀层基本去除,表面存在重焰的微结构。激光清洗能满足对碳钢表面锈蚀污染层的清洗质量要求。     

激光参数对Q235B钢激光熔凝层耐蚀性的影响

为探究激光的单脉冲能量密度、光斑重叠率、扫描次数对激光熔凝层耐蚀性的影响规律,首先采用单因素激光熔凝实验法在Q235B钢材表面制备激光熔凝层,然后采用显微镜研究激光熔凝层单位面积内的微裂纹分布,并采用电化学分析方法研究熔凝层自腐蚀电位和自腐蚀电流密度的变化规律。以最大自腐蚀电位和最小自腐蚀电流密度为目标进行激光参数优化,得出单脉冲能量密度为3.82 J/cm²、光斑搭接率为80%和扫描次数为4的激光最佳参数组合。分析表面及切面的X射线能量色散谱和X射线衍射谱发现,最佳激光参数组合下制备的激光熔凝层(最佳激光熔凝层)由内至外的组织为Fe渐变氧化层过渡至以Fe₃O₄-FeO混合结晶为主的Fe稳定氧化层。将最佳激光熔凝层与Q235B钢碱性发黑层的电化学阻抗谱、表面粗糙度、X射线能量色散谱和X射线衍射谱进行对比后发现,最佳激光熔凝层的耐蚀性约为碱性发黑层的3倍,这得益于熔凝层中Fe稳定氧化层更低的表面粗糙度和微裂纹密度、更少的氧化漏点以及可防止过度氧化的特点。     

4Cr13不锈钢激光表面强化技术研究

研究了4Cr13不锈钢细小零件激光表面强化工艺参数和材料表面氧化法发黑工艺,探讨了激光工艺和不同的搭接率对强化层硬度、淬硬层深度和表层组织结构的影响。结果表明,采用合理的激光工艺可实现10mm×8mm零件表面强化;在搭接率为40%时,可获得较均匀的表面强化层,表面硬度为42HRC～45HRC,符合设计使用要求。     

航空铝合金表面涂层无损激光清洗研究

激光清洗以绿色、安全、便于控制等优点,在航空航天、电子、交通等领域有着重要的应用价值。采用纳秒脉冲激光清洗航空2A12铝合金表面TB06-9涂层,研发了一种新型的两步法无损激光清洗工艺。运用扫描电子显微镜、能谱仪,超景深三维显微镜和万能电子实验机等分析激光清洗涂层。结果表明,第一步采用单次激光清洗,随激光功率的增加,试样表面涂层逐渐减少裸露出氧化层及基材。激光功率为40 W时氧化层保留完好,功率为45 W时氧化层开始出现损伤,随着功率的增加,损伤逐渐增多。最终确定第一步优化参数为激光的频率为20 kHz,功率为40 W,扫描速度为1040 mm/s,线间距为0.052 mm。第二步在第一步的基础上进行多次清洗,获得的优化参数为激光频率为1000 kHz,功率为80 W,扫描速度为690 mm/s,线间距为0.034 5 mm。两步法激光清洗试样的表面与原始试样表面形貌相似,表面显微硬度及抗拉强度基本保持一致,较好地保留了材料的原有力学性能。     

基于热烧蚀效应的激光清洗仿真模型研究(特邀)

为研究在基于热烧蚀效应的激光清洗中激光参数对清洗效果的影响,根据热烧蚀效应原理、傅里叶热传导方程以及能量守恒定理,使用有限元分析软件建立了热烧蚀动态能量守恒的二维激光清洗仿真模型。在该模型中使用了虚拟第三类边界条件,将薄层-基底系统中的激光烧蚀热功率密度与被烧蚀污渍层边界的法向移动速度进行关联,实现了污渍层烧蚀潜热消耗量与激光烧蚀能量之间的动态能量守恒,明确了质量损失与能量消耗的数学关系,使所建立的模型更加理论自恰和精确可靠。利用该模型理论分析了光斑吸收功率、光斑直径、扫描速度以及扫描能量密度对清洗效果的影响,结果表明：污渍平均残留厚度随光斑吸收功率和扫描能量密度增大而减小,且减小的速率会逐渐变慢,当激光功率过大时,基材会出现损伤;污渍平均残留厚度随光斑直径和扫描速度的增大而变大,但减小光斑直径和扫描速度会降低清洗效率。提出了根据污渍层物性参数与扫描能量密度的对应关系优化激光参数的方法,并对非平整表面污渍层进行了多次不间断扫描的仿真分析,得到了清洗效果随扫描次数的变化规律。该研究结果对激光清洗设备的方案设计、优化改进和使用选型具有一定的指导意义。     

纳秒脉冲激光清洗石化设备对清洗表面的影响

采用纳秒脉冲激光对石化设备普遍使用的20钢表面锈蚀层以及油污进行了激光清洗试验,通过正交实验法得到优化后的激光清洗工艺参数,在激光功率18 W,激光脉冲重复频率75kHz,扫描速度3 000mm/s的清洗工艺参数下可有效去除20钢表面的锈蚀层;在激光功率20 W,激光脉冲重复频率75 kHz,扫描速度2 250 mm/s的清洗工艺参数下可有效去除20钢表面附着的油污。分析了激光清洗前后材料表面形貌的变化,研究了激光清洗前后表面的显微硬度以及耐腐蚀性,结果表明：激光清洗可以在不改变材料的耐腐蚀性能的同时提升材料表面的显微硬度,从而达到理想的激光清洗效果。     

TC4钛合金激光搭接冲击强化的实验和数值模拟

为了研究激光搭接冲击时残余应力场的特征以及激光冲击参量对搭接区残余应力场的影响,采用高功率钕玻璃激光系统对TC4板进行了激光搭接冲击实验,同时利用有限元软件ANSYS对激光搭接冲击过程进行了模拟,残余应力场的数值模拟结果与实验结果取得较好的一致。结果表明,在不考虑各冲击参量之间交互作用的前提下,搭接区表面残余压应力值和残余压应力场深度随搭接率增加而增加,但达到一定阈值后,残压应力场深度会下降;搭接区表面残余压应力值和残余应力场深度会随着功率密度的上升而增加;在脉宽小于一定阈值条件下,搭接区表面残余压应力随脉宽增加而增加,超过阀值之后,表面残余压应力减小,但残余压应力层深度一直是随着脉宽的增加而增加。     

Investigation and modelling of hybrid laser-waterjet micromachining of single crystal SiC wafers using response surface methodology

A hybrid laser-waterjet micromachining technology was proposed to implement near damage-free and high-efficient micromachining of thermal-sensitive hard and brittle materials. A new material removal concept was used where a waterjet is applied off-axially to expel the “softened” elemental material by laser radiation and cool the material to eliminate thermal damages during the material removal process. The present study investigates the effect of process parameters and their interaction on the cutting depth, cutting width and the material removal rate in the hybrid laser-waterjet micromachining of single crystal SiC wafers. The analysis of variance (ANOVA) indicates that waterjet inclination angle, waterjet offset distance, nozzle stand-off distance, traverse speed of hybrid cutting head, average laser power and waterjet pressure are the significant terms on cutting depth, cutting width as well as material removal rate. The quadratic backward-eliminated regression models are developed using response surface methodology (RSM). The models show that the material removal ability and the material removal rate increase with the increased average laser power and decrease with the increased nozzle stand-off distance and waterjet pressure. Waterjet offset distance has a knee-point value on the machining results. Cutting depth and width decrease with the increased traverse speed of hybrid cutting head but material removal rate increases with the increased traverse speed when the traverse speed is smaller than a certain value. The turbulent water breaks down the laser optically and weakens its heating ability. The critical waterjet offset distance can also be changed since the interactive effect of the process parameters. The verification results show the models can perform predictions with acceptable errors. Moreover, as compared to laser dry ablation, the photographs of the machined surface and its 3D profile illustrate that hybrid laser-waterjet micromachining can obtain much deeper and wider groove with V-sharp cross-sectional profile. It can significantly reduce or even eliminate thermal damages such as heat-affected zone (HAZ) and re-solidified layer by using the hybrid laser-waterjet micromachining technology.     

EH36钢激光清洗参数优化与表面性能评估

针对船舶舱内复杂空间材料表面除锈需求,利用脉冲光纤激光清洗平台开展了EH36船用钢板激光清洗工艺参数优化与清洗后材料表面性能实验研究。通过宏观、微观形貌观测与表面化学成分分析,并结合船舶行业除锈标准规范,建立了船用钢激光除锈质量评价准则,以此确定了材料激光除锈最佳工艺参数。在此基础上开展激光除锈后材料表面质量、显微硬度、粗糙度及综合力学性能测试评估。研究结果表明：在最佳除锈工艺参数(平均功率210 W、重复频率250 kHz、脉冲宽度300 ns、扫描速度4 000 mm/s)下,船用钢板表面质量达到Sa2.5等级,力学性能基本保持不变,能够满足船舶舱内复杂空间材料表面除锈工艺要求,在船舶修造材料表面除锈领域具有优良的适用性。     

激光扫描速度对碳钢板表面锈蚀层去除质量的影响

采用光纤激光器开展了碳钢板表面锈蚀层激光清洗研究,通过白光干涉仪、光学显微镜、拉曼光谱仪等研究了激光扫描速度对锈蚀层去除质量的影响。研究表明,当激光扫描速度小于2 000 mm/s时,因光斑搭接率高,热累积效应强,试样表面出现基材熔化重凝现象,同时试样表面发生二次氧化,生成了复杂的铁的氧化物膜层,此时试样表面粗糙度最小。当激光扫描速度增加到3000 mm/s时,试样表面锈蚀层去除干净,露出金属基底本身色泽,基材表面二次氧化减弱。当线速度继续增加时,因光斑搭接率低,锈蚀层吸收的激光能量少,仅有部分锈蚀被去除,试样表面开始出现残留锈蚀层,且随着线速度的增加,残留锈蚀层和试样表面粗糙度增加。通过调节扫描速度可以获得较好的除锈效果,工艺优化后,激光功率为120 W时,除锈效率达到1.5 m2/h。