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。     

光斑搭接率对GH3030合金表面积碳及氧化物清洗质量的影响

采用200 W的纳秒脉冲光纤激光器对GH3030镍基高温合金表面积碳及氧化物进行了激光清洗实验研究,分析了激光光斑搭接率对清洗表面形貌、元素成分、相组成、表面粗糙度以及显微硬度的影响。结果表明：随着激光光斑搭接率从58.33%增大至70.83%,碳元素和氧元素含量均呈现先降低后升高的趋势,镍元素含量则先升高后降低,表面粗糙度先减小后增加。当光斑搭接率为66.67%时,碳元素和氧元素含量均下降到最低值,分别为5.01 wt%和1.40 wt%。同时,镍元素含量达到峰值,为72.96 wt%,表面粗糙度Ra减小至0.229μm,Rz减至1.47μm。改变激光光斑搭接率不会对GH3030高温合金的表面显微硬度产生显著影响。     

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。     

脉冲激光辐照瓷质绝缘子表面损伤试验研究

为防止激光清洗瓷质绝缘子过程中基底发生损伤，开展激光辐照下瓷质绝缘子损伤试验。采用1 064 nm脉冲激光辐照于瓷质绝缘子表面，探究不同能量密度、脉冲个数以及不同辐照时间下瓷质绝缘子的损伤规律，并对瓷质绝缘子表面开展振镜扫描试验，利用图像法确定瓷质绝缘子的激光损伤阈值。试验结果表明，激光定点辐照下，随着激光能量密度的提高、脉冲数的增加、辐照时间的增加，绝缘子表面坑洞直径逐渐增大，最后趋于定值，约为聚焦光斑直径的1.3倍；减小扫描速度，损伤形貌由斑点状变化至条纹状，粗糙度随能量密度的增大、速度的减小而增大；基于图像法的瓷质绝缘子损伤判据，得到损伤能量密度阈值。     

激光清洗FV520B钢表面氧化色工艺参数对表面粗糙度的影响

采用波长为1064 nm的脉冲光纤激光器对FV520B合金钢表面的高温氧化色层进行清洗,以激光功率、脉冲频率、清洗次数和基体原始粗糙度作为变量,考察各参数对试样表面氧化色清除效果及清洗后表面粗糙度的影响规律.研究结果表明:对于200#砂纸打磨的预处理样品(粗糙度约为0.503 μm),当清洗激光功率为40～120W时,清洗后试样表面粗糙度无明显变化,当激光功率为120～200W时,随着激光功率的增大,粗糙度逐渐减小;在激光功率为120W、脉冲频率为20 kHz的条件下,对200#砂纸打磨的预处理样品(粗糙度约为0.503 μm)进行多次清洗,当清洗次数达到2时,粗糙度显著降低(粗糙度降低40.8％),继续增大清洗次数,粗糙度降低效果不明显,确定最佳清洗参数为激光功率120W、脉冲频率20 kHz、清洗次数2.此外,当清洗参数一定时,随着预处理试样初始粗糙度的减小,氧化色层的去除率下降,且清洗后粗糙度的降低效果不明显.     

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。     

基于响应面分析的飞机蒙皮激光除漆可控性研究

随着飞机蒙皮“部分褪漆”维修理念的提出，多漆层结构激光除漆的可控性值得关注。基于响应面分析方法，建立了激光参数（光斑搭接率、激光功率及扫描次数）与可控性指标（漆层去除厚度、表面粗糙度）间的数学模型，分析了激光多参数耦合作用对可控性指标的影响规律。结果表明：激光参数对漆层去除厚度的影响顺序依次为扫描次数、激光功率、光斑搭接率，且均为正相关；表面粗糙度随光斑搭接率的增大而减小，随激光功率的增大而增大，扫描次数对表面粗糙度的影响具有峰值效应。验证试验结果表明：响应面模型可为厚度精度为±5μm的激光可控除漆提供参考。基于响应面分析方法建立的多漆层结构激光可控清除数学模型，可为飞机蒙皮漆层的激光可控清除提供方法指导与理论支撑。     

脉冲激光清洗过程中振镜扫描速度对TA15钛合金表面氧化层的影响

采用脉冲激光清洗技术以不同的振镜扫描速度对TA15钛合金表面的氧化层和油污进行去除,分析了激光清洗后TA15钛合金的表面形貌以及清洗表面的成分变化和硬度变化。结果表明:随着振镜扫描速度从7000 mm·s^-1增大到10000 mm·s^-1,清洗表面的钛元素含量呈现先增加再降低的趋势,而氧元素含量则是先降低再升高;当扫描速度为8000 mm·s^-1时,清洗表面的钛元素含量达到最高值,w(Ti)=79.47%,氧元素含量达到最低值,w(O)=8.62%;清洗表面的硬度随着扫描速度的减小而增大;激光清洗去除TA15氧化层的机制主要为气化机制和相爆炸机制。     

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。     

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。     

纳秒脉冲激光清洗扫描速度对TC4钛合金表面氧化膜清洗质量的影响

采用纳秒脉冲激光器对TC4钛合金表面的氧化膜及油污进行激光清洗，研究了扫描速度对清洗后试样表面形貌、成分、元素含量及价态的影响规律，并分析了扫描速度对表面粗糙度、硬度和耐腐蚀性能的影响。结果表明：当扫描速度为500 mm/s时，激光对基体的损伤大且会发生热氧化，表面形成TiO,O含量较高。随着扫描速度由3000 mm/s增加至10000 mm/s，表面逐渐变得光滑平整，O含量先降低后升高，Ti含量则先升高后降低。当扫描速度为9000 mm/s时，表面Ti含量(质量分数)达到最大值84.24%,O含量(质量分数)降至最小值4.54%，且粗糙度(R_a)最低约为0.907μm，清洗效果最佳。扫描速度的增加使清洗后表面的粗糙度先升高后降低。此外，激光清洗可使TC4钛合金表面的硬度和耐腐蚀性能有所提高。     

脉冲频率对油漆漆层激光清洗作用机制的影响

针对表面涂有150 μm厚环氧基底漆涂层的2024铝合金,采用不同脉冲频率的纳秒脉冲激光进行激光清洗试验,分析了激光清洗后试样的表面形貌、表面粗糙度、清洗厚度以及清洗机理等.试验结果表明:表面粗糙度(Ra)受频率的影响较小且在3 μm左右.计算了不同脉冲频率下的清洗深度,结果发现,当频率为10 kHz时,清洗深度约为130 μm.通过数值模拟分别研究了激光清洗过程中脉冲频率对烧蚀机制中烧蚀量和剥离机制中热应力的影响.数值模拟结果表明:烧蚀量随着频率的增大而降低,在5～25 kHz范围内烧蚀量的最大降幅超过9％;通过最大热应力与脉冲能量密度的线性拟合计算得到剥离机制的触发阈值约为1.64 J/cm2;在脉冲能量密度高于1.64 J/cm2的条件下,频率越高,越难积热,从而使得烧蚀机制越弱;越大的频率使得热应力超过结合力的频次更多,剥离机制增强,能获得更好的清洗效果.     

飞秒激光烧蚀石英玻璃微槽截面形状仿真

基于透明电介质的烧蚀率计算模型,建立了飞秒激光烧蚀石英玻璃的微槽截面形状仿真模型,并通过烧蚀实验验证了模型的可靠性。利用所建模型分析了光斑半径、脉冲能量和扫描速度等参数对微槽截面形状的影响规律。研究表明,减小光斑半径、提高脉冲能量或降低扫描速度均可以提高微槽的槽深和侧壁角;微槽的槽宽随脉冲能量的提高或扫描速度的降低而增大,但随光斑半径的增大,其呈现先增大后减小的规律,在脉冲能量为4 J、扫描速度为0.2 mm/s的条件下,槽宽在光斑半径为13 m时达到最大值8.13 m。     

飞秒激光加工对熔覆层侧壁粗糙度的影响

针对熔覆成型件表面粗糙的难题,提出了在成形过程中对熔覆层侧壁进行飞秒激光精密加工的方法,重点研究了精密加工过程中飞秒激光的能量密度、能量分布、光斑重叠率对熔覆层侧壁粗糙度的影响规律,结果表明:当焦平面处飞秒激光的能量为高斯分布,加工得到的熔覆层侧壁表面粗糙度Ra 3 m时,激光能量密度介于0.12~0.34 J/cm2之间;当能量为平顶分布并且加工后熔覆层侧壁表面粗糙度Ra 3 m时,最佳能量密度范围为0.13~0.66 J/cm2;同等参数条件下,平顶能量分布激光加工得到覆层侧壁粗糙度小于能量高斯分布时的粗糙度数值。熔覆层侧壁粗糙度随光斑重叠率的增加先减小后增大,实验获得的最佳重叠率范围为78%~85%。     

激光清洗2A12铝合金复合漆层的技术研究

采用脉冲激光器对2A12铝合金基体表面涂覆的环氧树脂底漆与丙烯酸聚氨酯面漆进行激光清洗试验,针对激光清洗表面的形貌、粗糙度及元素含量进行分析。结果表明：在激光能量密度和激光扫描速度分别为4.45 J/cm²和8 mm/s时,能完全去除面漆且底漆保留完好,并获得了最接近底漆层原始厚度的残余漆层;在此激光能量密度下,当激光扫描速度为5.5 mm/s时,能完全去除复合漆层,且此时阳极氧化膜层的微观形貌完好,氧元素质量分数约为40%,清洗表面的粗糙度R_a=1.138μm。当参数组合为3.56 J/cm²和6 mm/s时,也能完全去除面漆且底漆保留较好;当激光能量密度为4 J/cm²和激光扫描速度为5 mm/s时,能完全去除复合漆层,此时阳极氧化膜表面上氧元素的质量分数约为34%。本研究证明了通过选择合适的激光工艺参数组合能够调控激光清洗质量,验证了激光分层清洗的可行性。     

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。     

激光除漆工艺及其对KMN钢表面组织性能的影响

采用波长1064 nm的脉冲光纤激光器对KMN钢表面环氧有机硅漆进行清洗，以搭接率和能量密度作为变量，使用单次清洗和二次清洗两种工艺，探究了激光清洗参数对基体表面粗糙度和重新涂覆漆层附着力的影响，并分析了清洗后基体表面维氏硬度随清洗参数变化的规律和原因。研究结果表明，在能量密度为4.73 J/cm²和搭接率为0.4～0.7参数下，单次清洗漆层难以完全清除干净，需进行二次清洗以去除残余漆块。当第二次清洗搭接率小于0.5且能量密度小于4.25 J/cm²时，基体表层金属熔化导致表面粗糙度小幅下降，但在基体粗糙度高于0.6时，不会影响重新涂覆漆层的附着力。当第二次清洗搭接率大于0.5且能量密度大于4.25 J/cm²时，基材表面熔化和重新凝固引入拉应力，并发生相变和晶粒长大，导致清洗后试样表面硬度低于基材硬度。     

激光清洗Q345钢表面氧化层的数值模拟

为了探索激光搭接率和激光平均功率等物理参数在激光清洗时对Q345钢表面氧化层温度场分布和烧蚀深度的影响。本文针对钢铁产业工程中常用材料Q345钢表面的氧化层开展激光清洗过程模拟研究。首先对Q345钢表面氧化层进行物理化学性质分析,从而建立氧化物和基体的激光清洗分层模型。接下来借助COMSOL Multiphysics软件,将Q345钢激光清洗模型进行网格划分和瞬态研究,并用实验来验证,从而得出激光参数对清洗温度场和清洗深度的影响。结果表明光斑搭接率对温度场影响不大,但随着搭接率的提高,烧蚀深度越深。而激光平均功率越大,温度场峰值越高,烧蚀深度也显著加深。该研究结果可为激光清洗氧化层的工艺研究提供理论参考。     

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。     

激光清洗工艺参数对TC4钛合金表面除漆的影响

采用脉冲光纤激光器对TC4钛合金表面的环氧锌黄漆层进行了激光清洗试验,研究了激光能量密度和激光清洗速度对清洗效果的影响规律,分析了试样清洗后的表面形貌、表面粗糙度以及物相组成,并测量了清洗后基材表面的维氏硬度。研究结果表明,清洗效果随着激光能量密度的增加或清洗速度的减小而逐渐变好;当激光能量密度为4.00 J/cm²、清洗速度为3 mm/s时,清洗后基材表面的物相成分只有Ti和Ti₆O,没有CaCO₃,说明在此工艺参数下漆层已经完全被去除。彻底去除漆层后的钛合金的表面粗糙度与原始基材表面粗糙度相近,粗糙度为S_a=2.082μm。清洗后TC4钛合金试样表面的维氏硬度平均值为368.74 HV,相比原始硬度约提高了7.4%。研究结果表明,通过合理选择工艺参数,可以有效去除钛合金表面漆层,并获得较好的表面形貌,同时能提升其表面平均硬度。