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激光清洗应用,脉冲与连续光纤激光器工艺对比分析
  2022-01-05      80

前言:

在激光清洗领域,光纤激光器以更高的可靠性、稳定性以及灵活性,已经成为激光清洗光源的最佳选择。作为光纤激光器的两大组成部分,连续光纤激光器和脉冲光纤激光器分别牢牢占据着宏观材料加工和精密材料加工的市场领先位置。对于新兴的激光清洗应用,是应该用连续激光还是脉冲激光却出现了不同的声音,市场上也同时出现了使用脉冲和连续激光器的两类激光清洗设备。很多工业终端用户在选择的时候不知道应该如何选择,我们就对连续和脉冲激光器的激光清洗应用进行了对比测试,并分析了各自的特点和适用的应用场景,希望为工业用户在选择相应的激光清洗技术的时候提供有益的参考。

一、试验材料

1、激光器

激光型号为YDFLP-CL-200-12-A为脉冲激光器,CW-R-B-W-2000为连续激光器。两款激光器详细参数对比如表1所示。

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表1.脉冲激光器与连续激光器参数对比

2、材料

实验所用的样件1为铝合金平板,铝合金平板的尺寸长宽高为400mm×400mm×4mm。样件2为碳钢平板,碳钢的尺寸长宽高为400mm×400mm×10mm。样品表面喷涂白色油漆,样件1表面上油漆厚度约20 μm,样件2表面油漆厚度约40 μm。

二、试验结果

采用两种激光器对两种材料表面进行除漆实验,对激光清洗参数进行优化,获得最佳的脉宽、频率、扫描速度等参数,并对优化实验条件下的清洗效果和效率进行对比。

1、脉冲激光清洗漆层实验

在脉冲光除漆实验中激光器的功率为200W,使用的场镜焦距为163mm,激光聚焦光斑直径约为0.32mm。清洗单块区域范围为13mmx13mm,填充间距为0.16mm,铝合金表面除漆时激光重复扫描清洗2次,碳钢表面除漆时激光重复扫描清洗4次。在保证光斑纵向与横向叠加率都为50%条件下,试验激光脉宽、频率及激光扫描速度的参数(如表2所示)对清洗效果的影响,铝合金表面除漆实验效果如图1所示,碳钢表面除漆实验效果如图2所示。

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表2.脉冲激光清洗铝合金及碳钢表面漆层实验参数

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图1.不同激光参数下脉冲激光清洗铝合金表面漆层对比图

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图2.不同激光参数下脉冲激光清洗碳钢表面漆层对比图

实验结果在相同频率下短脉宽相比长脉宽能容易将铝合金和碳钢表面漆层去除干净,在相同脉宽下,频率越低越容易对基体造成损伤,当频率大于某个值时,频率越高漆层去除效果就越差。实验结果脉冲激光清洗铝合金表面漆层的优选参数为15# (激光功率200W,脉宽100ns,频率60kHz,扫描速度9600mm/s),清洗碳钢表面漆层的优选参数为13# (激光功率200W,脉宽100ns,频率40kHz,扫描速度6400mm/s),这两者参数都将漆层去除干净,而且对样件基体基本无损。

2.连续激光清洗漆层实验

在连续光除漆的实验中,使用激光器的功率为50%,占空比为20%(等效于平均功率200W),频率为30kHz。使用的场镜焦距为220mm,激光聚焦光斑直径约为0.2mm。清洗单块区域范围为13mmx13mm,填充间距0.1mm,清洗铝合金表面漆层时激光重复扫描2次,清洗碳钢表面漆层时激光重复扫描4次。在激光的功率、占空比和频率不变条件下,试验激光扫描速度对清洗效果的影响。铝合金表面除漆的清洗参数如表3所示,清洗效果如图3所示。碳钢表面除漆的清洗参数如表4所示,清洗效果如图4所示。

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表3.连续激光清洗铝合金表面漆层实验参数

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图3.不同激光扫描速度下连续激光清洗铝合金表面漆层对比图

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图4.不同激光扫描速度下连续激光清洗碳钢表面漆层对比图

实验结果在相同激光功率和频率下,激光扫描速度越低,对基体造成损伤越大。当扫描速度大于某个值时,扫描速度越快,漆层去除效果越差。实验结果连续激光清洗铝合金表面漆层优选参数为21# (激光功率200W,频率30kHz,扫描速度2000mm/s),清洗碳钢表面漆层优选参数为37#(激光功率200W,频率30kHz,扫描速度3400mm/s)。这两个参数不但将碳钢表面漆层去除干净,而且对样件基体造成的损伤相对小些。

三、优选参数结果与分析

1.宏观清洗状况对比

脉冲光清洗铝合金表面漆层的优选参数的结果如图5a所示,连续光清洗铝合金表面漆层的优选参数结果如图5b所示。使用脉冲光清洗后,样件表面的漆层被完全去除,样件的表面呈现出金属白色,并且对样件基材的几乎无损伤。使用连续光清洗后,样件表面的漆层也完全被去除,但是样件表面呈现出灰黑色,样件的基材也出现了微熔现象。因此使用连续光对比脉冲光来说,更容易对基材造成损伤。

脉冲光清洗碳钢表面漆层的优选参数的结果如图5c所示,连续光清洗碳钢表面漆层的优选参数结果如图5d所示。使用脉冲光清洗后,样件表面的漆层被完全去除,样件的表面呈现出灰黑色,并且对样件基材的损伤较小。使用连续光清洗后,样件表面的漆层也完全被去除,但是样件表面呈现出深黑色,可直观看出样件表面出现较大的重熔现象。因此使用连续光对比脉冲光来说,更容易对基材造成损伤。

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图5.脉冲光与连续光除漆宏观效果对比

2.显微镜微观形貌对比

从图6(a)可以看出使用脉冲光清洗铝合金表面漆层后,样件表面的油漆已被完全去除,并且样件表面损伤小无激光纹路。而使用连续光清洗样件表,如图6(b)所示油漆也被完全去除,但是样件表面出现较严重的重熔现象,还出现激光纹路。

从图6(c)可以看出使用脉冲光清洗碳钢表面漆层后,样件表面的油漆已被完全去除,并且样件表面损伤小清洗后表面较为平整。而使用连续光清洗样件表面如图6(d)所示油漆也被完全去除,但是样件表面出现较严重的重熔现象,并且样件表面凹凸不平。

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图6.脉冲光与连续光除漆后样件表面微观形貌对比图

3.材料表面粗糙度对比

图7为激光除漆后表面粗糙度状况对比图。从图7可知在激光清洗铝合金表面漆层后,脉冲光对样件表面损伤较小,因此清洗后样件的表面粗糙度与原始材料相接近。而使用连续光清洗后,对样件表面的损伤较大,因此导致清洗后的样件表面粗糙度为原始材料的粗糙度值的1.5倍,为脉冲光清洗后表面粗糙度的1.7倍。

激光清洗碳钢表面漆层后,脉冲光对样件表面损伤较小,因此清洗后样件的表面粗糙度与原始材料相接近甚至比原材料要低一些。而使用连续光清洗后,对样件表面的损伤较大,因此导致清洗后的样件表面粗糙度为原始材料的粗糙度值的1.5倍,为脉冲光清洗后表面粗糙度的1.7倍。

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图7.激光除漆后表面粗糙度状况对比

4.清洗效率对比

在铝合金表面除漆方面,使用脉冲光的除漆效率要远高于连续光的除漆效率,为连续光的7.7倍。使用脉冲光的清效率为2.77m²/h,而连续光的清洗效率为0.36m²/h。

在碳钢表面除漆方面,使用脉冲光的除漆效率同样高于连续光的除漆效率,为连续光的3.5倍。使用脉冲光的清效率为1.06m²/h,而连续光的清洗效率为0.3m²/h。

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图8.脉冲光与连续光除漆效率对比

四、结论

试验表明,连续激光器和脉冲激光器都可以将材料表面的油漆去除,达到清洗的效果。

在功率同的条件下,脉冲激光器清洗的效率远高于连续激光器,同时,脉冲激光器可以更好地控制热量输入,防止基材温度过高或产生微熔。

连续激光器价格具有优势,可以通过使用高功率激光器来弥补效率上与脉冲激光器的差距,但高功率连续光的热输入更大,对基材的损伤程度也会增加。因此,两者在应用场景上有着根本性的差别。精密度高,需要严格控制基材升温,要求基材无损的应用场景,比如模具,就应该选择脉冲激光器。对于一些大型钢结构、管道等,由于体积大散热快,对基材损伤要求不高,则可以选择连续激光器。

文章来源:杰普特光电

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