高峰值功率准连续激光清洗工艺及光纤传输关键技术研究

发布时间：2020-05-06 11:51

【摘要】：激光清洗是一项高效、绿色的新型清洗技术,其主要机理为物体表面污染物吸脉冲激光后,污染物气化挥发及瞬间受热膨胀而克服基体表面对污染物粒子的吸附力,使其脱离物体表面。激光清洗相对于化学清洗,其不需任何化学药剂和清洗液;相对于机械清洗,其无研磨、无应力、无耗材,对基体损伤极小;激光可利用光纤传输引导,清洗不易达到的部位,适用范围广。适用对象也比较广泛,除锈、除漆、除泥污、晶片表面处理;清洁度高,且能清除纳米级以下污染微粒。激光除锈(热轧板表面氧化层)和激光除漆是激光清洗技术在工业应用中的两个重要方向。高峰值功率准连续脉冲激光(重复频率:kHz,脉冲宽度:~100ns,单脉冲能量:10~100mJ)是激光清洗所需的优选激光源。主要原因为:纳秒激光脉冲作用于污染物表面可减少由于热积累形成热传导使基材温升过高;高重频脉冲激光作用于污染物表面可以使污染物迅速达到分离去除阈值,因此可以提高清洗能力和效率。由于这种激光能量相对较高,当采用这种激光进行污染物烧蚀气化去除时,通常采用(400~2000)μm较大的聚焦光斑,有利于保护基材不受损伤并降低了清洗工艺参数控制的难度。此外,光纤耦合柔性传输是激光清洗的重要核心技术,而这种脉冲激光可以通过光纤进行远距离柔性传输,大大提高了它的适用范围。本论文主要围绕高峰值功率准连续脉冲激光清洗系统及传能光缆研制,高峰值功率准连续脉冲激光在热轧板表面氧化层及铝基材表面多层涂漆逐层去除应用开展理论和实验研究。主要研究内容和特色如下:(1)首先,研制了脉冲激光二维扫描清洗系统。包括:(1)基于平-平谐振腔,双声光Q垂直正交放置,单级振荡+一级放大的MOPA结构,实现了900W高峰值功率准连续激光输出;(2)采用一维振镜扫描结合一维平移系统平移搭建了二维激光扫描清洗系统。其次,对二维激光扫描激光清洗系统光斑分布特性进行了研究,得到了二维扫描激光清洗系统光斑分布特性,即Y方向光斑重叠率呈中间高两边低的不均匀分布,发现了该系统导致激光清洗表面质量不均匀的主要原因;最后,建立了二维平面X方向及Y方向脉冲激光重叠率计算方法,并提出了采用单位尺度脉冲数密度方法描述高重频脉冲激光作用于材料表面的计算方法,可用于计算和预测高重频脉冲激光烧蚀气化去除材料过程中的温度变化及烧蚀气化深度。(2)基于CO_2激光环状光场研制完成了光纤-端帽间大梯度熔接系统。对光纤-端帽间大梯度熔接过程进行了分析并采用有限元软件对熔接过程温度场变化进行了仿真模拟;基于分析和仿真结果建立了光纤-端帽间大梯度熔接工艺时序图,并实现了光纤端帽间的高质量、大梯度、异形熔接。采用tracepro软件对包层激光模式剥离原理进行了仿真,证明了改变折射率结构及入射角度均可实现包层激光的剥除,并基于表面刻蚀改变包层激光入射角度的方法,实现了光纤在进行激光传输过程中包层残留具有破坏性激光的有效剥除。(3)基于光纤-端帽间大梯度熔接结果,研制完成了具有标准QB接口结构的直接水冷传能光缆。并采用自制具有端帽结构的300μm传能光缆实现了900W,20kHz,100ns高峰值功率准连续激光的稳定传输。(4)基于Fourier热传导方程及能量守恒定律,构建了高斯能量分布脉冲激光作用下,材料温升过程的一维线性激光清洗热传导方程。对基于烧蚀气化机理的脉冲激光清洗过程进行了分析,认为在采用脉冲激光进行材料烧蚀气化去除时,需要部分脉冲激光首先作用于材料表面使材料升温,达到高温烧蚀气化阈值,后续脉冲用于材料烧蚀气化去除。因此,采用脉冲激光进行污染物清洗过程可以分为两个阶段进行描述和分析,简化了激光清洗分析过程。(5)基于高重频百纳秒脉冲激光构建了Q235热轧板表面氧化层高热导率材料清洗工序方案。通过3次低速高功率扫描和1次高速低功率扫描清洗,实现了热轧板表面氧化层最佳清洗结果。该工艺不仅能有效地去除热轧板表面氧化层,还能避免由于热效应导致的新氧化层产生。对高重频百纳秒脉冲激光清洗热轧板表面氧化层进行了理论仿真,仿真结果与实验结果吻合较好,可为采用激光进行热轧板表面氧化层类高热导率高质量、高效烧蚀气化去除提供有效的指导。(6)对高重频百纳秒脉冲激光进行树脂基涂漆低热导率材料烧蚀气化过程进行了模拟仿真,得到了高重频百纳秒脉冲激光作用下树脂基涂漆温升过程及烧蚀气化深度;建立了树脂基涂漆低热导率材料总烧蚀气化去除深度值p_(tota)估算公式p_(total)=p_0+p(n_(total)-n_0)。基于总烧蚀气化去除深度值估算公式设计并完成了铝基材表面3层涂漆结构的逐层去除实验,实现了50μm、50μm及80μm厚三层涂漆的逐层定量去除。
【图文】：

工业清洗,领域,表面清洁度,绪论

第 1 章绪论第1章绪论1.1 课题研究背景及意义表面清洗是众多工业制造工序进行前必须的重要预处理工作，，制件表面清洁度对后期涂、镀质量影响巨大，尤其在轨道交通、远洋作业、航空等重要领域，以其特殊的工作环境，更需高质量表面清洁度，为后续防腐处理提供保证，使设备长时间稳定可靠工作（王议等，2014；孔祥峰等，2014; 孙书杰，1968）。图 1.1 为工业生产领域的典型清洗需求。

激光清洗,污染物,对象,清除方法

第 1 章绪论表 1.1 激光清洗与传统清除方法对比结果Table 1.1 Contrast results of laser cleaning and traditional cleaning清洗方法基材损伤工作强度环境污染技术难度清洗质量机械打磨严重大较严重低好化学清洗无大严重较高一般固液喷射较严重大严重低好超声清洗无较小较严重低差激光清洗无小无高好
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249

【参考文献】