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自上世纪以来激光清洗技术得到了广泛的关注并取得了迅速的发展,激光除漆属于激光清洗中一种应用范围较为广泛的技术,凭借其“无接触式”清洗方式、清洗效率高、绿色无污染和成本低等优点,在工业加工的各领域中具有非常重要的研究价值和发展潜力。本文在激光除漆的理论基础上,模拟激光除漆的过程并对除漆模型进行求解,最后通过工艺实验与模拟结果进行对比验证,得到最佳清洗参数值。研究结果有利于指导选取不同条件下的清洗参数,在激光清洗技术的产业化进程方面也能起到一定的推动作用。 1.本文分析了激光除漆技术的理论基础,主要包括激光除漆的两种机制、激光与材料的相互作用。根据烧蚀机制和振动机制的原理,得到了激光除漆的理论依据:T1<T(0,t)<T2,F1>F。其中T1、T(0,t)和T2分别为漆层气化温度、漆层表面温度和基底熔点;F1和F分别为漆层脱离力、漆层粘附力。 2.基于烧蚀机制建立了一种更贴合实际的双层烧蚀模型,分析了模型中各层的热作用过程。通过ANSYS有限元软件模拟了除漆过程并对模型进行求解,得出了不同参数下漆层表面的温度场分布,以及不同激光能量密度和扫描速度下温度的变化曲线。最后对多组数据进行模拟分析,得到了激光能量密度和温度之间的线性方程,计算出达到本文中红色漆层气化温度值所需要的能量密度理论范围值为164.13J/cm2至176.07J/cm2,损伤阈值为253.66J/cm2。 3.通过激光除漆工艺实验分别对不同激光能量密度、扫描速度和线宽进行了研究,结合实验结果分析了它们对除漆效果的影响。实验所用激光器最大输出功率为200W、重复频率为2-50kHz可调、单脉冲能量最高为10mJ、聚焦后光斑大小为0.05mm。使用测厚仪测量漆层清洗前后厚度并计算去除率,通过金相显微镜观察清洗后的样件表面形貌。结果表明,清洗40μm漆层时,当激光能量密度为176.11J/cm2时,激光除漆效果最佳;平均能量密度为240.97J/cm2,基底损伤严重,在误差允许范围内和理论值非常接近,验证了理论模型的准确性。激光扫描速度和线宽分别影响着光斑在X和Y方向上的搭接率,实验得出当光斑搭接率在80%左右时,能够获得较理想的除漆效果,所对应的线宽为0.01mm,扫描速度在重频20kHz下时的值为200mm/s,可根据光斑大小和激光参数调节这两个值。 4.基于激光除漆应用设计了一套移动式激光清洗装置,适用于大面积除漆和除锈等。装置采用机柜和手持加工头分离式结构,便于携带和操作,最大输出功率200W,清洗效率最高可达6m2/h。控制系统中通过PLC模块控制整个系统的工作状态,并且可根据不同形状和位置的样件改变扫描光束长度。