【摘要】：激光清洗是一項(xiàng)高效、綠色的新型清洗技術(shù),其主要機(jī)理為物體表面污染物吸脈沖激光后,污染物氣化揮發(fā)及瞬間受熱膨脹而克服基體表面對(duì)污染物粒子的吸附力,使其脫離物體表面。激光清洗相對(duì)于化學(xué)清洗,其不需任何化學(xué)藥劑和清洗液;相對(duì)于機(jī)械清洗,其無(wú)研磨、無(wú)應(yīng)力、無(wú)耗材,對(duì)基體損傷極小;激光可利用光纖傳輸引導(dǎo),清洗不易達(dá)到的部位,適用范圍廣。適用對(duì)象也比較廣泛,除銹、除漆、除泥污、晶片表面處理;清潔度高,且能清除納米級(jí)以下污染微粒。激光除銹(熱軋板表面氧化層)和激光除漆是激光清洗技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的兩個(gè)重要方向。高峰值功率準(zhǔn)連續(xù)脈沖激光(重復(fù)頻率:kHz,脈沖寬度:~100ns,單脈沖能量:10~100mJ)是激光清洗所需的優(yōu)選激光源。主要原因?yàn)?納秒激光脈沖作用于污染物表面可減少由于熱積累形成熱傳導(dǎo)使基材溫升過高;高重頻脈沖激光作用于污染物表面可以使污染物迅速達(dá)到分離去除閾值,因此可以提高清洗能力和效率。由于這種激光能量相對(duì)較高,當(dāng)采用這種激光進(jìn)行污染物燒蝕氣化去除時(shí),通常采用(400~2000)μm較大的聚焦光斑,有利于保護(hù)基材不受損傷并降低了清洗工藝參數(shù)控制的難度。此外,光纖耦合柔性傳輸是激光清洗的重要核心技術(shù),而這種脈沖激光可以通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離柔性傳輸,大大提高了它的適用范圍。本論文主要圍繞高峰值功率準(zhǔn)連續(xù)脈沖激光清洗系統(tǒng)及傳能光纜研制,高峰值功率準(zhǔn)連續(xù)脈沖激光在熱軋板表面氧化層及鋁基材表面多層涂漆逐層去除應(yīng)用開展理論和實(shí)驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容和特色如下:(1)首先,研制了脈沖激光二維掃描清洗系統(tǒng)。包括:(1)基于平-平諧振腔,雙聲光Q垂直正交放置,單級(jí)振蕩+一級(jí)放大的MOPA結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了900W高峰值功率準(zhǔn)連續(xù)激光輸出;(2)采用一維振鏡掃描結(jié)合一維平移系統(tǒng)平移搭建了二維激光掃描清洗系統(tǒng)。其次,對(duì)二維激光掃描激光清洗系統(tǒng)光斑分布特性進(jìn)行了研究,得到了二維掃描激光清洗系統(tǒng)光斑分布特性,即Y方向光斑重疊率呈中間高兩邊低的不均勻分布,發(fā)現(xiàn)了該系統(tǒng)導(dǎo)致激光清洗表面質(zhì)量不均勻的主要原因;最后,建立了二維平面X方向及Y方向脈沖激光重疊率計(jì)算方法,并提出了采用單位尺度脈沖數(shù)密度方法描述高重頻脈沖激光作用于材料表面的計(jì)算方法,可用于計(jì)算和預(yù)測(cè)高重頻脈沖激光燒蝕氣化去除材料過程中的溫度變化及燒蝕氣化深度。(2)基于CO_2激光環(huán)狀光場(chǎng)研制完成了光纖-端帽間大梯度熔接系統(tǒng)。對(duì)光纖-端帽間大梯度熔接過程進(jìn)行了分析并采用有限元軟件對(duì)熔接過程溫度場(chǎng)變化進(jìn)行了仿真模擬;基于分析和仿真結(jié)果建立了光纖-端帽間大梯度熔接工藝時(shí)序圖,并實(shí)現(xiàn)了光纖端帽間的高質(zhì)量、大梯度、異形熔接。采用tracepro軟件對(duì)包層激光模式剝離原理進(jìn)行了仿真,證明了改變折射率結(jié)構(gòu)及入射角度均可實(shí)現(xiàn)包層激光的剝除,并基于表面刻蝕改變包層激光入射角度的方法,實(shí)現(xiàn)了光纖在進(jìn)行激光傳輸過程中包層殘留具有破壞性激光的有效剝除。(3)基于光纖-端帽間大梯度熔接結(jié)果,研制完成了具有標(biāo)準(zhǔn)QB接口結(jié)構(gòu)的直接水冷傳能光纜。并采用自制具有端帽結(jié)構(gòu)的300μm傳能光纜實(shí)現(xiàn)了900W,20kHz,100ns高峰值功率準(zhǔn)連續(xù)激光的穩(wěn)定傳輸。(4)基于Fourier熱傳導(dǎo)方程及能量守恒定律,構(gòu)建了高斯能量分布脈沖激光作用下,材料溫升過程的一維線性激光清洗熱傳導(dǎo)方程。對(duì)基于燒蝕氣化機(jī)理的脈沖激光清洗過程進(jìn)行了分析,認(rèn)為在采用脈沖激光進(jìn)行材料燒蝕氣化去除時(shí),需要部分脈沖激光首先作用于材料表面使材料升溫,達(dá)到高溫?zé)g氣化閾值,后續(xù)脈沖用于材料燒蝕氣化去除。因此,采用脈沖激光進(jìn)行污染物清洗過程可以分為兩個(gè)階段進(jìn)行描述和分析,簡(jiǎn)化了激光清洗分析過程。(5)基于高重頻百納秒脈沖激光構(gòu)建了Q235熱軋板表面氧化層高熱導(dǎo)率材料清洗工序方案。通過3次低速高功率掃描和1次高速低功率掃描清洗,實(shí)現(xiàn)了熱軋板表面氧化層最佳清洗結(jié)果。該工藝不僅能有效地去除熱軋板表面氧化層,還能避免由于熱效應(yīng)導(dǎo)致的新氧化層產(chǎn)生。對(duì)高重頻百納秒脈沖激光清洗熱軋板表面氧化層進(jìn)行了理論仿真,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,可為采用激光進(jìn)行熱軋板表面氧化層類高熱導(dǎo)率高質(zhì)量、高效燒蝕氣化去除提供有效的指導(dǎo)。(6)對(duì)高重頻百納秒脈沖激光進(jìn)行樹脂基涂漆低熱導(dǎo)率材料燒蝕氣化過程進(jìn)行了模擬仿真,得到了高重頻百納秒脈沖激光作用下樹脂基涂漆溫升過程及燒蝕氣化深度;建立了樹脂基涂漆低熱導(dǎo)率材料總燒蝕氣化去除深度值p_(tota)估算公式p_(total)=p_0+p(n_(total)-n_0)。基于總燒蝕氣化去除深度值估算公式設(shè)計(jì)并完成了鋁基材表面3層涂漆結(jié)構(gòu)的逐層去除實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了50μm、50μm及80μm厚三層涂漆的逐層定量去除。
【圖文】：

第 1 章 緒論第1章 緒論1.1 課題研究背景及意義表面清洗是眾多工業(yè)制造工序進(jìn)行前必須的重要預(yù)處理工作，，制件表面清潔度對(duì)后期涂、鍍質(zhì)量影響巨大，尤其在軌道交通、遠(yuǎn)洋作業(yè)、航空等重要領(lǐng)域，以其特殊的工作環(huán)境，更需高質(zhì)量表面清潔度，為后續(xù)防腐處理提供保證，使設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠工作（王議等，2014；孔祥峰等，2014; 孫書杰，1968）。圖 1.1 為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的典型清洗需求。

第 1 章 緒論表 1.1 激光清洗與傳統(tǒng)清除方法對(duì)比結(jié)果Table 1.1 Contrast results of laser cleaning and traditional cleaning清洗方法 基材損傷 工作強(qiáng)度 環(huán)境污染 技術(shù)難度 清洗質(zhì)量機(jī)械打磨 嚴(yán)重 大 較嚴(yán)重 低 好化學(xué)清洗 無(wú) 大 嚴(yán)重 較高 一般固液噴射 較嚴(yán)重 大 嚴(yán)重 低 好超聲清洗 無(wú) 較小 較嚴(yán)重 低 差激光清洗 無(wú) 小 無(wú) 高 好
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN249

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 ;Effect of Cooling Patterns on Microstructure and Mechanical Properties of Hot-Rolled Nb Microalloyed Multiphase Steel Plates[J];Journal of Iron and Steel Research(International);2011年08期

本文編號(hào)：2651214