撰稿人：郭嘉伟
单位：西南技术物理研究所
郭嘉伟, 蔡和, 韩聚洪, 罗清, 杨蛟, 安国斐, 宋迪, 王佳琪, 王浟. 基于热烧蚀效应的激光清洗仿真模型研究（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(2): 20220779. doi: 10.3788/IRLA20220779
激光清洗技术相比传统工业清洗技术具有诸多优点，因此激光清洗技术拥有巨大应用潜力和广泛应用前景，国内外针对该技术进行大量理论和实验研究。对激光清洗的微观机理研究已有较成熟的研究结果，能够从微观层面解释烧蚀效应、振动效应和等离子体冲击波等清洗机理，但依然难以直接定量计算出宏观应用场景的清洗效果。针对上述问题，本文提出了基于污渍层烧蚀潜热消耗量与激光烧蚀能量动态能量守恒的热烧蚀激光清洗仿真模型的建立方法，使用多物理场有限元软件建立了该热烧蚀动态能量守恒的二维激光清洗仿真模型。利用该仿真模型分析激光相关参数与污渍层清洗效果之间的定性和定量关系，为指导工业激光清洗场景中激光清洗设备的设计优化和激光参数的选择具有一定指导意义。
（a）激光清洗油漆 （b）激光清洗油污
（c）激光清洗锈层 （d）激光清洗焊缝
图1 激光清洗在工业中的应用
激光清洗的微观机理，如烧蚀效应、振动效应和等离子体冲击波等，已有较成熟的研究结果，但仅从这些机理出发，依然难以直接定量计算出宏观应用场景的清洗效果（如清洗深度、最佳扫描速度、最佳光斑尺寸等）。因此，还需要使用合适的激光清洗仿真模型，才能将微观的激光清洗机理与宏观的激光清洗效果定量的联系起来，实现通过理论研究结果直接指导实验。1. 从基础理论出发，使用数学解析方法得到一些特定限制条件下的解析结果。但由于其限制和假设条件过多，数学模型过于理想，只能计算一些规范化和理想化的简单加工场景，很难直接应用于实际的工业场景，可操作性和实用性不强。
2. 使用离散方法（如有限元方法）建立激光清洗的数值仿真模型。借助当前成熟的有限元分析软件和性能强大的计算机硬件，可建立并求解具有复杂几何、非常数材料物性、非均匀非线性边界条件、多物理场耦合等特征的并接近实际应用场景的仿真模型。国内外此类研究工作所建立的激光清洗仿真模型都能够较好地模拟污渍层和基材中的温度分布与激光功率、光斑尺寸、扫描速度之间的关系，但存在着以下两点不足：(1) 模型中只考虑污渍层的温度是否达到烧蚀温度点，而忽略其烧蚀潜热对激光能量的实时消耗，未达到潜热与显热之间的能量守恒，理论上无法自洽，计算结果正确性无法保证。(2) 模型中污渍层的烧蚀去除量依赖于求解时间步长的选择，不能显示实时的烧蚀去除效果，且在每个时间步长后都要手动重新加载上一个时间步长烧蚀效果的几何模型和边界条件，求解过程较为繁琐，求解精度也无法保证。
本文为研究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。该仿真模型中采用薄层-基底系统描述工业清洗中最常见的膜层型污渍（如漆层、锈层、油污层等），薄层为待清洗的污渍层，忽略其物质成分和微观结构的不均匀性，将其近似为拥有特定物性参数的微米~亚毫米级厚度的均匀固体薄层；基底为需要在清洗后被暴露出表面而又没受到损伤的基材，通常为金属材料，厚度为毫米~米级；激光经聚焦后辐照在薄层上，形成具有特定功率密度分布的激光光斑，并按特定的轨迹和速度进行扫描。该仿真模型中通过傅里叶导热定律和对应的边界条件把薄层表面光强分布与薄层-基底系统的温度分布联系起来，规定了污渍层材料的烧蚀温度和烧蚀潜热，并将污渍层被激光烧蚀去除的动态过程表现为污渍层边界向内的推移。通过在傅里叶导热定律热传导方程中引入一个虚拟第三类边界条件，将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。
图2 热烧蚀动态能量守恒的二维激光清洗仿真模型原理示意图
图3 热烧蚀动态能量守恒的二维激光清洗有限元仿真模型
使用该仿真模型计算了激光功率PA、光斑尺寸D、扫描速度Vscan这三个参量分别单独变化时对清洗效果（只取X轴上1~2.5 mm扫描段来评价清洗效果：平均污渍残留厚度Wm，污渍残留不均匀度WRMS，基材损伤度BMAX）的影响。在PA较小时，Wm与PA呈负线性关系；在PA变大时，Wm随PA增大而减小的速率逐渐变慢。D越大，Wm就越大，但减小D意味着单次扫描的清洗面积就越小，清洗效率就会降低。Vscan越大，Wm就越大，但Vscan越小也意味着单次扫描的耗时会越长，清洗效率也会降低。
（a）
（b）
（c）
图4 激光功率（a）、光斑尺寸（b）、扫描速度（c）变化对清洗效果的影响
为了更贴近模拟真实的清洗场景，在模型中污渍层表面添加了厚度的起伏，并进行不间断的三次往返扫描，每次扫描所使用的温度场初值均为上一次扫描结束时的温度场分布，仿真结果如下图所示。第1次扫描无法清除全部漆层，且表面的起伏形态没有明显变化。第2次扫描清除了绝大部分漆层，且不均匀性得到了大幅改善。第3次扫描可清除全部漆层，不均匀性完全消失，且基材尚无损伤。
图5 非平整表面的多次扫描清洗效果，（a）扫描前，（b）一次扫描后，（c）二次扫描后，（d）三次扫描后
图6 非平整表面的每次扫描清洗效果
激光清洗的仿真模型研究是激光清洗技术机理研究中的核心组成部分之一。目前对于激光清洗仿真模型的研究结果仍存在一些不足，无法直接用于精确计算宏观工业清洗场景中的激光清洗的定量效果。本文所建立的热烧蚀动态能量守恒的二维激光清洗模型，考虑了材料烧蚀潜热对激光能量的实时消耗，实现了潜热与显热之间的能量守恒，明确质量损失与能量消耗之间的数学关系，使模型的底层理论更加严谨自恰，提高了模型的精确度和可靠性。使用该模型理论分析了激光清洗参数对清洗效果的定性和定量影响，并分析了对非平整表面污渍层进行了多次不间断扫描的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。
郭嘉伟，博士，西南技术物理研究所高级工程师，主要从事激光器热效应、热管理和热烧蚀激光清洗方面的研究，作为主要参与人员参加国家重点研发计划、军委科技委、国防科工局、陆军装备部等的多个项目，并在Electronics Letters、ACTA PHOTONICA SINICA、SPIE等国内外期刊、会议发表学术论文十余篇。
原文链接：
http://www.irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20220779（阅读原文）转载/投稿/合作，请联系微信ivan_413598663
本文所用视频、图片、文字如涉及版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除。邮箱：liuxingwang@csoe.org.cn
文章转载自微信公众号：光电e+
