CN112149321B - 一种脉冲激光除漆的数值模拟方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种脉冲激光除漆的数值模拟方法及其应用，该方法基于ANSYS软件建立三维温度场模型，进行纳秒脉冲激光除漆数值模拟。高速移动的脉冲激光以热通量形式加载至模型表面，移动坐标系实现不同路径的载荷加载，利用特殊曲面网格筛选手段，实现任意曲面上的载荷加载，保证了在材料表面的激光能量分布符合实际，结合生死单元技术去除超过阈值的单元，直观呈现激光除漆后表面形貌。所提出的方法能够解决随着材料去除等情况下非平面载荷施加难题，准确全面实现脉冲激光烧蚀漆层的轮廓预测，从而为高效激光除漆加工参数选择和加工轨迹规划提供理论和技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及激光烧蚀数值模拟领域，特别涉及一种脉冲激光除漆的数值模拟方法及其应用。
背景技术
机械产品使用中的维护和维修通常需要表面除漆，传统的化学清洗和物理清洗等除漆方法存在清洗效率较低、劳动强度大、易造成二次污染等问题。激光除漆作为一种新型表面除漆技术，主要通过高能激光束辐照材料表面的漆层，使其瞬间受热气化或烧蚀，达到清洗工件表面的目的。具有污染小、非接触、清洗质量高和易于精确控制等优点，日益受到人们的广泛重视。尽管脉冲激光清洗技术已在工业中有一定的应用，但通常仍需要大量试错性的实验进行工艺参数的优选。并且在激光除漆过程中，漆层和基体材料吸收激光能量产生的温度变化不易直接进行测量分析，并且激光脉冲作用属于微尺度瞬时效应难以精确描述，因而数值方法为此类问题的研究提供了行之有效的手段。
近年来，关于激光烧蚀过程的数值模拟计算来实现烧蚀深度控制的方法被广泛研究。例如，申请号为201410447320.1的发明专利根据能量守恒定律及纳秒尺度脉冲激光与材料的烧蚀机理提出了脉冲激光烧蚀深度预测模型，能够确定烧蚀深度与加工参数之间的关系。通过计算方法实现纳秒脉冲激光烧蚀目标材料去除量精确控制。申请号为201910566187.4的发明专利提出一种激光烧蚀金属靶材的径向热影响区宽度求解方法。得到了单脉冲激光瞬时作用下工件表面的温度值，以及高斯脉冲激光刻蚀工件表面温度动态分布模型。另外，申请号为201910255202.3的发明专利提出一种基于工艺参数可行域的纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法，可以描述实际加工过程中激光焦点随材料去除而下移的情况。已有的激光烧蚀数值模拟主要集中在工艺参数对单脉冲烧蚀的影响，忽视了多脉冲激光间的相互作用，研究方法多为数值计算，局限于脉冲激光对材料温度场的影响，数值模拟中难以突破非平面情况下载荷加载的技术瓶颈，无法直观展现激光清洗后的形貌效果。因此需要一种具有新的载荷施加方法的数值模拟来进行激光除漆过程的全局模拟。
发明内容
针对现有技术的局限性和缺陷，本发明提供了一种基于ANSYS温度场的脉冲激光除漆数值模拟的方法。所提出的方法能够解决随着材料去除等情况下任意曲面上的载荷加载，实现脉冲激光烧蚀漆层轮廓的准确预测，能够有效应用于高效激光清洗工艺参数选择和加工轨迹规划中，对提高激光除漆实际应用具有重要的意义。
一种脉冲激光除漆的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：建立漆层及基底的双层三维实体模型，并进行网格划分，所述的三维实体模型中，所选的单元类型为8节点六面体热单元；
步骤二：设置模型温度场初始条件为环境温度；设置载荷选项为瞬态分析，载荷模式为阶跃载荷；
步骤三：以漆层上表面的单脉冲光斑圆心为原点建立坐标系，选取激光轴线入射方向为z轴，并以坐标系原点为脉冲激光施加的位置，定义漆层上表面为z＝0平面；
步骤四：选取三维实体模型中垂直于z轴距离不超过光斑半径的节点为激光辐照覆盖区域，并筛选所述激光辐照覆盖区域的节点中周围附着存活单元不足8个的节点，形成激光辐射表面；
步骤五：脉冲激光以热通量形式加载至模型表面，所述激光辐射表面处的节点所附着的单元为激光辐照单元；计算单元中心距离z轴h处的激光辐照单元上表面节点所接受的能量载荷q：
其中，a为材料对激光能量的吸收率，P为激光输出功率，f为激光重复频率，d为光斑直径，τ为激光脉冲宽度，t为时间，0<t<τ；
步骤六：根据传热学的热量守恒法，利用时间积分形式进行迭代求解，计算各个节点的瞬时温度；
步骤七：将存活单元的瞬时温度达到或超过阈值温度作为生死单元操作的条件，杀死超过阈值温度的存活单元，即可得到单个脉冲激光去除漆层后的形貌。
进一步的，所述阈值温度为漆层材料的气化温度。
进一步的，所述传热学的热量守恒法为：材料吸收激光辐照后温度的变化满足：
式中，T为温度，t为时间，k为热扩散率，x，y，z服从笛卡尔坐标系；辐照表面边界条件为：
式中λ为导热系数，其他边界条件为绝热表面。
进一步的，所述迭代求解过程为：
式中{Tn}为当前时刻温度向量，{Tn+1}为下一时刻温度向量，θ为欧拉参数，Δt为时间步长，和/>分别为当前和下一时刻温度向量的变化率；根据公式(4)递推出漆层材料在热传导过程中不同深度温度变化的曲线。
进一步的，根据所述漆层材料在热传导过程中不同深度温度变化的曲线，确定热量传递至漆层能够达到气化阈值温度最深处的时刻即为执行生死单元操作的时机。
进一步的，通过APDL语言编程移动坐标系来控制载荷加载位置，以坐标系原点的移动路径作为脉冲激光加载的移动路径，每移动一次重复步骤三至七一次，直到完成整个激光除漆过程，获得特定路径加载脉冲激光所去除漆层后的模拟形貌。
所述的激光除漆的数值模拟方法的应用，其特征在于：用于根据不同参数脉冲激光在不同加载路径、及扫描速率下的模拟获得的表面形貌，确定去除漆层的脉冲激光参数、加工轨迹及扫描速率。
进一步的，根据单脉冲激光烧蚀坑有效去除漆层的区域，缩小扫描速度的选择窗口，控制相邻烧蚀坑的搭接率为0～50％。
进一步的，所述脉冲激光加载的移动路径选择单向逐道扫描，且相邻扫描道采用相间排布形式。
进一步的，所述相邻扫描道之间的扫描间距基于单道激光辐照漆层表面所获得的模拟形貌中有效去除漆层的区域来确定，控制相邻烧蚀沟槽的搭接率为0～50％。
本发明的有益效果在于：所提出的数值模拟方法可以描述实际激光除漆过程中激光辐照区域随材料去除处于不平整面上的情况，能够实现激光载荷在不规则面上的加载，解决激光除漆多次扫描及搭接情况下的数值模拟，直观地呈现出激光除漆后表面的形貌，快速计算激光除漆整体效果，制定工艺优化方案，从而能够在很大程度上避免了实际生产中常用的试错方法，实用性强。
附图说明
图1为本发明所述激光除漆数值模拟方法的流程图。
图2为节点附着单元示意图；(a)为附着8个存活单元的内部节点；(b)为附着存活单元为1-7个的节点，图中仅列出可能的情况，未全部列出。
图3为激光功率100W情况下不同深度漆层温度随时间变化曲线，图中170℃为漆层气化温度。
图4中(a)、(b)分别为单点一次、两次脉冲情况下模拟截面形状，颜色表示残余温度。
图5为随着材料去除，载荷施加位置下移示意图。
图6为激光除漆单沟槽模拟结果图。
图7为不同扫描间距下面扫描激光除漆模拟结果图。图中颜色表示不同深度。
图中：1-节点，2-单元。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明所述的脉冲激光除漆的数值模拟方法，是基于ANSYS温度场进行纳秒脉冲激光除漆数值模拟，流程如图1所示。高速移动的脉冲激光以热通量形式加载至模型表面，移动坐标系实现不同路径的载荷加载，利用特殊曲面网格筛选手段，进行随材料去除等情况下任意曲面上的载荷加载，结合生死单元技术去除超过阈值的单元，实现激光除漆后表面形貌的预测。
以光斑直径50μm、激光能量100W的纳秒脉冲激光除漆为例，详细说明本方法的模拟过程。包括如下步骤：
步骤一：建立漆层及基底的双层三维实体模型，上层为环氧树脂漆，下层为304不锈钢。模拟中设置密度分别为1062和7750kg/m3，比热分别为2153和461J·(kg·℃)-1，热传导分别为0.3和16W·(m·℃)-1。进行网格划分，所述的三维实体模型中，所选的单元类型为8节点六面体热单元solid 70，该单元有8个节点且每个节点上只有一个温度自由度，且能实现匀速热流的传递，可以用于三维静态或瞬态的热分析。并进行网格划分。
步骤二：设置温度场模型初始条件为环境温度设置为20℃；设置载荷选项：瞬态分析，每个载荷步包含20个载荷子步，载荷模式为阶跃载荷。
步骤三：以漆层上表面的单脉冲光斑圆心为原点建立坐标系，选取激光轴线入射方向为z轴，并以坐标系原点为脉冲激光施加的位置，定义漆层上表面为z＝0平面。
步骤四：选取三维实体模型中垂直于z轴距离不超过光斑半径25μm的节点为激光辐照覆盖区域，并筛选所述激光辐照覆盖区域节点中周围附着存活单元不足8个的节点，形成激光辐射表面。模型内部节点附着单元一般为8个，如图2(a)所示；而位于漆层上表面以及已烧蚀凹坑表面的节点所附着存活单元一般不足8个，如图2(b)所示，图中仅列出可能的情况，未全部列出。
步骤五：脉冲激光以热通量形式加载至模型表面。所述激光辐射能量表面的节点所附着的单元为激光辐照单元；实现了随材料去除等情况下任意曲面上的载荷加载，保证了在材料表面上的激光能量分布是符合实际的。计算单元中心距离z轴h处的激光辐照单元上表面节点所接受的能量载荷q：
其中，a为材料对激光能量的吸收率，为0.3，P为激光输出功率，100W；f为激光重复频率，100kHz；d为光斑直径，50μm；τ为激光脉冲宽度，100ns；t为时间，0<t<τ。
步骤六：根据传热学的热量守恒法，利用积分形式对模型进行迭代求解，计算各个节点的瞬时温度。
所述传热学的热量守恒法为：材料吸收激光辐照后温度的变化满足：
式中，T为温度，t为时间，k为热扩散率，x，y，z服从笛卡尔坐标系；辐照表面边界条件为：
式中λ为导热系数，其他边界条件为绝热表面。
所述迭代求解过程为：
式中{Tn}为当前时刻温度向量，{Tn+1}为下一时刻温度向量，θ为欧拉参数，Δt为时间步长，和/>分别为当前和下一时刻温度向量的变化率；根据公式(4)递推出漆层材料在热传导过程中不同深度温度变化的曲线，如图3所示。
步骤七：将存活单元的瞬时温度达到或超过阈值温度作为生死单元操作的条件，杀死超过阈值温度的存活单元，即可得到单个脉冲激光去除漆层后的形貌。根据所述漆层材料在热传导过程中不同深度温度变化的曲线，确定热量传递至漆层能够达到气化阈值温度最深处的时刻即为执行生死单元操作的时机。
如图3单脉冲情况下不同深度漆层温度变化图所示，能够达到漆层气化温度的最大深度约为30μm，时间约为1.1μs，因此确定在载荷施加后约1.1μs时，执行生死单元操作，杀死超过环氧树脂漆沸点170℃的单元，即可得到单个脉冲激光去除漆层后的形貌，截面示意图如图4(a)所示，
不移动坐标系，重复步骤三到七实现单点两次脉冲的激光烧蚀。第二次载荷施加示意图如图5所示，载荷施加在已去除材料后的凹坑表面而非原漆层上平面。完成两次脉冲载荷的求解，单点两次脉冲激光烧蚀漆层模拟的截面示意图如图4(b)所示。
通过APDL语言编程移动坐标系来控制载荷加载位置，以坐标系原点的移动路径作为脉冲激光加载的移动路径，每移动一次重复步骤三至七一次，直到完成整个激光除漆过程，获得特定路径加载脉冲激光所去除漆层后的模拟形貌。
控制移动坐标系来控制移动光斑，使得光斑以5000mm/s沿直线路径运动，重复步骤三到七直到所有载荷求解结束，即可得到单沟槽激光除漆的模拟结果，除漆后的表面形貌如图6所示。
本发明所述的激光除漆的数值模拟方法，能够根据不同参数脉冲激光在不同加载路径、及扫描速率下的模拟获得的表面形貌，用于确定去除漆层的脉冲激光参数、加工轨迹及扫描速率。
所述脉冲激光加载的移动路径选择单向逐道扫描，且相邻扫描道采用相间排布形式。根据单脉冲激光烧蚀坑有效去除漆层的区域，缩小扫描速度的选择窗口，控制相邻烧蚀坑的搭接率为0～50％。所述相邻扫描道之间的扫描间距基于单道激光辐照漆层表面所获得的模拟形貌中有效去除漆层的区域来确定，控制相邻烧蚀沟槽的搭接率为0～50％。控制坐标系以5000mm/s的移动速度进行恒定扫描速度，多扫描道移动形成激光除漆面扫描模拟，并可实现不同扫描间距的控制。不同扫描间距的激光除漆模拟结果如图7所示。
根据恒定扫描速度条件下，不同扫描间距表面形貌的模拟结果对比，可以直观的优选出扫描间距为70μm时，激光除漆的质量较优，加工轨迹为单向扫描。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种脉冲激光除漆的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：建立漆层及基底的双层三维实体模型，并进行网格划分，所述的三维实体模型中，所选的单元类型为8节点六面体热单元；
步骤二：设置模型温度场初始条件为环境温度；设置载荷选项为瞬态分析，载荷模式为阶跃载荷；
步骤三：以漆层上表面的单脉冲光斑圆心为原点建立坐标系，选取激光轴线入射方向为z轴，并以坐标系原点为脉冲激光施加的位置，定义漆层上表面为z＝0平面；
步骤四：选取三维实体模型中垂直于z轴距离不超过光斑半径的节点为激光辐照覆盖区域，并筛选所述激光辐照覆盖区域的节点中周围附着存活单元不足8个的节点，形成激光辐射表面；
步骤五：脉冲激光以热通量形式加载至模型表面，所述激光辐射表面处的节点所附着的单元为激光辐照单元；计算单元中心距离z轴h处的激光辐照单元上表面节点所接受的能量载荷q：
其中，a为材料对激光能量的吸收率，P为激光输出功率，f为激光重复频率，d为光斑直径，τ为激光脉冲宽度，t为时间，0<t<τ；
步骤六：根据传热学的热量守恒法，利用时间积分形式进行迭代求解，计算各个节点的瞬时温度；
步骤七：将存活单元的瞬时温度达到或超过阈值温度作为生死单元操作的条件，杀死超过阈值温度的存活单元，即可得到单个脉冲激光去除漆层后的形貌。
2.根据权利要求1所述的激光除漆的数值模拟方法，其特征在于：所述阈值温度为漆层材料的气化温度。
3.根据权利要求1所述的激光除漆的数值模拟方法，其特征在于：所述传热学的热量守恒法为：材料吸收激光辐照后温度的变化满足：
式中，T为温度，t为时间，k为热扩散率，x，y，z服从笛卡尔坐标系；辐照表面边界条件为：
式中λ为导热系数，其他边界条件为绝热表面。
4.根据权利要求1所述的激光除漆的数值模拟方法，其特征在于：所述迭代求解过程为：
式中{Tn}为当前时刻温度向量，{Tn+1}为下一时刻温度向量，θ为欧拉参数，Δt为时间步长，和/>分别为当前和下一时刻温度向量的变化率；根据公式(4)递推出漆层材料在热传导过程中不同深度温度变化的曲线。
5.根据权利要求4所述的激光除漆的数值模拟方法，其特征在于：根据所述漆层材料在热传导过程中不同深度温度变化的曲线，确定热量传递至漆层能够达到气化阈值温度最深处的时刻即为执行生死单元操作的时机。
6.根据权利要求1所述的激光除漆的数值模拟方法，其特征在于：通过APDL语言编程移动坐标系来控制载荷加载位置，以坐标系原点的移动路径作为脉冲激光加载的移动路径，每移动一次重复步骤三至七一次，直到完成整个激光除漆过程，获得特定路径加载脉冲激光所去除漆层后的模拟形貌。
7.根据权利要求6所述的激光除漆的数值模拟方法的应用，其特征在于：用于根据不同参数脉冲激光在不同加载路径、及扫描速率下的模拟获得的表面形貌，确定去除漆层的脉冲激光参数、加工轨迹及扫描速率。
8.根据权利要求7所述的激光除漆的数值模拟方法的应用，其特征在于：根据单脉冲激光烧蚀坑有效去除漆层的区域，缩小扫描速度的选择窗口，控制相邻烧蚀坑的搭接率为0～50％。
9.根据权利要求7所述的激光除漆的数值模拟方法的应用，其特征在于：所述脉冲激光加载的移动路径选择单向逐道扫描，且相邻扫描道采用相间排布形式。
10.根据权利要求7所述的激光除漆的数值模拟方法的应用，其特征在于：相邻扫描道之间的扫描间距基于单道激光辐照漆层表面所获得的模拟形貌中有效去除漆层的区域来确定，控制相邻烧蚀沟槽的搭接率为0～50％。
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