单脉冲激光褪漆形貌的多物理场仿真与验证

为精准还原单脉冲激光褪漆过程,建立了单点褪漆有限元计算模型,分析了激光褪漆的温度场和热应力场变化规律,通过生死单元技术实现了漆层形貌仿真还原,并完成了不同功率的激光试验对比验证。结果表明：单脉冲激光褪漆过程中,温度判据决定最大烧蚀形貌深度,热应力判据决定最大烧蚀形貌宽度。所提多物理场分析模型获得的褪漆形貌与试验的平均贴合度达到93.3%,较传统单温度场的仿真形貌精度提高6.5%,该研究对实际激光褪漆工艺具有较好的指导与应用价值。     

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。     

不同光束类型致铝合金表面漆层损伤形貌研究

漆层的损伤形貌反映了激光与材料相互作用的规律及除漆机理,了解不同光束类型对漆层的损伤特征及作用规律有助于选择激光精准除漆,提高表面处理质量。为探究不同光束类型对漆层材料的作用规律及除漆机理,采用扫描电子显微镜和3D光学表面轮廓仪测量铝合金表面漆层在高斯与平顶激光除漆后,损伤直径、损伤深度及损伤形貌随能量密度的变化。结果表明,在高斯光束作用下,表面漆层损伤区域受到热烧蚀和热振动效应影响,出现漆层剥离、烧蚀去除等现象,损伤凹坑光滑、规则,当能量密度为12.37 J/cm²时,漆层的损伤直径达到46.71μm,深度达到10.14μm;在平顶光束作用下,表面漆层损伤区域主要受到热振动效应影响,损伤凹坑呈现出振动剥离去除的形貌,凹坑范围内的漆层剥落不规则,剖面呈“锯齿”状,当能量密度为12.37 J/cm²时,损伤直径达到612.3μm,深度达到19.42μm;同等能量密度下,平顶光束剥离漆层量更大。     

离焦量对铝合金表面激光除漆损伤特性的影响

飞机激光除漆时铝合金基体保护及除漆效率与材料损伤阈值密切相关,而激光离焦量的变化将直接改变材料的损伤阈值,以及除漆效率。采用ISO 11254 1-on-1激光损伤阈值测试方法研究不同离焦量时的铝合金和漆层的损伤阈值,对激光单脉冲光斑的二维、三维形貌进行分析,将理论值与实测值得到的不同离焦量时的损伤凹坑直径及深度进行验证。结果表明：随激光离焦量增加,光斑面积增大的同时材料损伤阈值下降,可有效提升能量利用率及除漆效率;实际单脉冲作用的材料凹坑深度随离焦量的增大而减小,且面积增大;凹坑深度、凹坑直径的理论值、实测值具有较好的相关性,并从激光材料作用机理角度对其误差进行了解释说明。     

水导激光去除不锈钢表面漆层的温度场仿真与试验

为了在水导激光去除不锈钢表面漆层试验中获得能够不损伤基体表面且完全除漆的加工参数,基于材料热物理性参数与温度变化的关系,运用Ansys建立了水导激光对不锈钢基体表面除漆的三维瞬态模型.在仿真加工过程中进行数值模拟研究,得到了加工过程中温度场的分布情况.通过单因素仿真试验找到了激光峰值功率、脉冲宽度和加工速度对温度场分布...     

铝合金蒙皮激光除漆后新漆层的耐高温性能研究

在实际飞行环境中温度是引起漆层失效的重要因素之一,飞机在长时间服役后需去除老化漆层以便喷涂新漆层,确保飞机运行的安全性和可靠性。本文采用波长为1064 nm的平顶脉冲激光对铝合金蒙皮表面漆层进行清洗,并对铝合金蒙皮激光除漆后新漆层进行高温加速老化,模拟飞机停场时铝合金漆层系统的耐高温性。采用扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、附着力测试仪以及电化学工作站,综合评价了激光除漆效果及新漆层表面形貌、漆层与铝合金的附着力、电化学阻抗特性等耐温性指标。结果表明：激光功率500 W、扫描速度4000mm/s、扫描间距0.1 mm时可将铝合金表面漆层去除且不损伤铝合金,重新喷涂后的附着力达到0级且附着力时效性能较好;150℃加速老化48 h的漆层附着力为1级,漆层表面微观形貌无明显变化、漆层光滑平整、无缺陷且低频区域电化学阻抗模值>10⁹Ω·cm²。     

y向搭接率对铝合金表面复合漆层激光清洗的影响

采用纳秒脉冲光纤激光器对2A12铝合金基材表面丙烯酸聚氨酯复合漆层进行了激光清洗实验,研究了不同y向搭接率(η_y)对除漆效果的影响。结果表明,当η_y为0和20%时,面漆全部去除,底漆部分去除;当η_y=40%时,仅少量底漆残留,大部分氧化膜被破坏,基材显露;当η_y=60%时,复合漆层全部去除,基材烧损。研究发现,随着η_y值逐渐增大,清洗表面烧蚀现象明显增加,漆层烧蚀气化将导致面漆着色剂和功能氧化粒子脱漆沉积于烧蚀凹坑表面;清洗表面残余漆层形成了凹坑-间隔-凹坑的清洗特征,表明清洗过程中烧蚀-等离子冲击(屏蔽)-烧蚀交替进行,烧蚀与等离子冲击作用均会对清洗表面产生热影响,导致残余漆层丙烯酸树脂链段自由基发生位置重排,同时诱发残余漆层产生热应力除漆机制;激光等离子冲击和热应力破坏是导致清洗表面残余漆层碎裂分层或物理剥离的主要原因。     

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。     

激光喷丸后板料表面微观形貌的可视化数值研究

对不锈钢SUS304板料进行了激光喷丸成形的可视化数值模拟分析和实验研究。以有限元分析软件ABAQUS/CAE为平台,通过建立的激光喷丸过程冲击波加载的转换模型,把脉冲激光能量转换成冲击波压力,利用用户子程序解决了脉冲激光束连续逐点喷丸板料变形的轨迹控制,实现激光喷丸板料动态变形过程的可视化。通过所建立的模型,对脉冲激光喷丸后材料表面的微观塑性流动过程进行了分析,研究了表面微观形貌的变化。     

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。     

纳秒激光干式除漆的试验研究

随着国家对环保的要求越来越高,急需一种绿色环保的新方法来解决钢结构在去除老旧漆层上的问题。本文采用纳秒激光对除漆进行研究,探究了不同激光工艺参数(功率、频率、扫描速度及扫描次数)对Fe元素重量百分比和表面粗糙度的影响规律。结果表明:在预设的参数范围内,振镜扫描速度的变化对Fe元素重量百分比和表面粗糙度的影响最为显著。并确定了较佳的除漆参数:功率70W,振镜扫描速度1100mm/s,激光频率80kHz,扫描次数2次,得到了粗糙度在50～100μm之间且无漆层残留的加工效果。     

高重频YAG激光诱导放电毛化坑形貌研究

利用高重频YAG激光作用在固体表面所产生的等离子体使工件和电极之间在大气环境中,并且电压远低于击穿阈值的条件下产生可控定向放电,放电坑在工件表面形成一定的坑形分布,实现毛化加工.放电坑既有单坑结构,也有多坑结构,其形貌受到放电波形、电源极性、放电介质等因素的影响.研究了碳钢、铸铁、黄铜等材料的放电坑直径与电源参数的关系.     

激光清洗铝合金橡胶涂层数值模拟及实验

激光清洗作为一种新型的绿色环保清洁方式,逐渐应用于轮胎模具表面污垢清洗方面。通过有限元仿真与实验对激光清洗轮胎模具橡胶涂层进行研究。利用高斯型脉冲激光作为虚拟热源对铝合金基底表面的橡胶涂层进行清洗数值模拟仿真,模拟结果表明,重复频率18 kHz时,不同功率橡胶涂层表面温度瞬间急剧升高至上万度,远超烧蚀蒸发温度,达到清洗效果,和矩形脉冲激光烧蚀仿真作对比,矩形激光清洗涂层深度大,效率高。使用重复频率可调的矩形脉冲Nd:YAG激光对铝合金基底表面橡胶涂层进行清洗试验。模拟与试验结果表明,重复频率15 kHz,功率280 W,能量密度为6.603 W/cm²时,清洗效果很好,完全清除基体表面橡胶涂层而不损伤基底,并且基底不发生氧化反应。     

调Q激光自触发斩波产生纳秒脉宽单脉冲激光

为利用现有装备简单获得纳秒脉宽、峰值较高的单脉冲激光,满足军事应用和高温等离子体干涉研究的时间分辨要求,采用专利技术优化了调Q脉冲激光自斩波KDP泡克耳斯盒电光开关的触发狭隙,解决了19 kV全波电压下静态绝缘阻断和调Q激光脉冲前沿低阈值击穿双重可靠以及全系统动作同步,确保了触发的快捷和峰值附近斩波,实现了从传统红宝石激光器脉宽30 ns,能量80 mJ的调Q激光脉冲中斩出1.7 ns,4 mJ的单脉冲激光。实验和分析表明,预处理崎化了开关电极间的场分布,强化了激光触发作用,保证了斩出脉冲的窄脉宽和高峰值。     

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。     

大功率激光作用下小孔形成数值模拟

激光深熔焊以小孔效应为特征,小孔使得激光束流与被焊接材料之间的耦合效率大大提高。小孔内的逆轫致吸收使得激光能量逐步衰减。另一方面,小孔内等离子体向熔池传热,起到焊接内热源的作用。因此,利用建立组合体热源模型,选择旋转高斯热源和双椭球形体热源模拟激光能量的分布,结合SIMPLE算法,求解不可压缩流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程,得到了大Péclet数下的小孔形态。模拟结果显示,控制容积法中的体热源传热方式不同于有限元法的表面热流密度分布方式。最后,将模拟结果和钛合金激光焊接的焊缝形状和尺寸进行了对比,说明所选择的体热源模型在激光深熔焊模拟中具有较好的适应性。     

激光淬火基体对铬层表面形貌的影响

为了揭示激光淬火基体对电镀铬层表面形貌的影响,采用激光离散淬火基体的方法对镀铬层表面形貌进行了研究。铬层表面形成了与离散基体对应的、密实球状组织条带和疏散球状组织条带离散相间的周期性形貌;密实球状组织条带对应着原始基体区,而疏散球状组织条带则对应着激光淬火区。借助于高分辨率扫描电镜,利用化学腐蚀基体和粒子束刻蚀法分别对铬层界面和厚度方向组织形貌的进行了实验分析。结果表明,铬层表面形成了与其对应的周期性形貌,其机理是铬层界面周期形貌和铬层不同的生长方式,将激光离散基体特征传递给了铬层表面。     

激光点热源作用下动态微变形的数值模拟与校验

采用MSC．Marc非线性有限元软件，对试件在激光点热源作用下动态微变形过程进行了数值模拟。通过激光反射放大系统测量了试件在激光点热源作用下的动态微变形过程。模拟值与实测值的结果表明：热应力和相变应力的共同作用使得试件产生微变形，最终试件的变形方向取决于热应变和相变共同作用的结果，朝向激光束或背向激光束。比较实验值和模拟值，发现变形的最大值相近，变形过程却略有不同。考虑到激光点热源作用下有限厚度的试件内，温度场分布出现的反常效应，即内部的温度大于边界温度，提出采用波动理论修正经典的热传导计算模型，可望有效地提高模拟过程的计算精度。结论为进一步研究薄板激光弯曲的变形机理及变形过程奠定了基础。