Создав модель конечных элементов лазерная очистка оксидной пленки алюминиевого сплава 2024 года, закон изменения температуры поверхности алюминиевого сплава во время лазерная очистка оксидной пленки; соответственно исследовалось влияние различной плотности энергии лазера и скорости лазерной очистки на изменение температуры поверхности. Среди них, чем больше плотность энергии, тем выше скорость повышения температуры поверхностной оксидной пленки алюминиевого сплава, а поверхностная температура оксидной пленки алюминиевого сплава медленно снижается с увеличением скорости очистки. Впоследствии была проведена очистка оксидной пленки алюминиевого сплава 2024 наносекундным импульсным лазером для изучения влияния мощности лазера, частоты импульсов и скорости очистки на морфологию поверхности до и после очистки. Результаты исследования показывают, что при мощности лазера 400 Вт, частоте лазера 4.5 кГц и скорости очистки 5 мм/с поверхностная оксидная пленка может быть полностью удалена без повреждения подложки из алюминиевого сплава; при этом параметре лазерной очистки микроструктура подложки из алюминиевого сплава после очистки остается неповрежденной, а массовая доля кислорода составляет 10.03%.

В последние годы изменения и прогресс науки и техники способствовали исследованию и освоению человеком применения аэрокосмической техники, а стандарты использования конструкционных материалов из алюминиевого сплава становятся все более строгими. Материалы из алюминиевого сплава 2024 широко используются в аэрокосмической и других промышленных областях, таких как конструкционные детали самолетов, конструкционные детали ракет и оболочки космических аппаратов, таких как серия Long March, и конструкционные детали ракет. Хотя алюминиевый сплав 2024 имеет много преимуществ, у него также есть такие проблемы, как низкая твердость поверхности и плохая износостойкость. В суровых условиях эксплуатации компоненты из алюминиевого сплава, заклепанные и закрепленные на фюзеляже самолета, подвержены износу и ослаблению, что, в свою очередь, приводит к несчастным случаям, поэтому необходимо удалить этот слой оксидной пленки с поверхности.

Традиционные методы очистки и удаления оксидной пленки (механическая шлифовка, химическая очистка и дробеструйная обработка и т. д.) занимают много времени, а качество поверхности алюминиевого сплава после очистки трудно контролировать, эффективность очистки низкая, и это может даже вызвать определенный диапазон повреждений матрицы алюминиевого сплава. Технология лазерной очистки оксидной пленки имеет преимущества высокой эффективности очистки, хорошей управляемости и отсутствия повреждений матрицы алюминиевого сплава. Применение лазерной очистки во многих промышленных областях увеличивается. Принцип очистки в основном заключается в следующем: посредством высокоэнергетического лазерного излучения на поверхности подложки поверхностная оксидная пленка разрушается и распадается за очень короткое время, достигая эффекта удаления поверхностного оксида.

Параметры процесса, выбранные для лазерная очистка напрямую влияют на эффект лазерной очистки. Разумная конфигурация параметров является важной гарантией того, что лазер полностью удалит оксидную пленку и улучшит качество поверхности после очистки. Meja et al. исследовали лазерное удаление оксидного слоя алюминиевого сплава при различных длинах волн лазера, чтобы получить порог лазерной очистки. Jasim et al. использовали импульсный лазер 250 нс для удаления прозрачного полимера толщиной 20 мкм с поверхности алюминиевого сплава 5005A и исследовали влияние мощности и частоты лазера на эффект очистки. Dimogerontakis et al. использовали наносекундные импульсы для выполнения Nd:Чистка лазером YAG на анодированных алюминиево-магниевых сплавах, и обнаружили, что механизм абляции представляет собой механизм термического окисления, и определили порог очистки лазерная очистка поверхностных оксидов алюминиевых сплавов.

Программное обеспечение для моделирования методом конечных элементов используется для создания модели лазерной очистки наносекундным импульсом поверхностной оксидной пленки алюминиевого сплава 2024, а модель используется для анализа температурного поля. Впоследствии оборудование для лазерной очистки использовалось для проведения экспериментов по лазерной очистке наносекундным импульсом анодной оксидной пленки на поверхности алюминиевого сплава 2024 для изучения влияния частоты лазерного импульса, мощности лазера и скорости лазерной очистки на лазерное удаление оксидной пленки.

1 Численное моделирование лазерной очистки

1.1 Создание конечно-элементной модели
Конечно-элементная модель лазерной очистки оксидной пленки алюминиевого сплава 2024 представлена ​​на рисунке 1. Размер модели составляет 100 мм × 10 мм × 10 мм, подложка из алюминиевого сплава 2024 и толщина оксидной пленки 0.1 мм.

1.2 Влияние плотности энергии на распределение температуры
На рисунке 2 ясно видно, что большая плотность энергии приводит к тому, что максимальная температура поверхности оксидной пленки непрерывно растет. При q=30.85 Дж/см2 максимальная температура поверхности оксидной пленки достигает почти 950 ℃. С течением времени максимальная температура поверхности оксидной пленки имеет тенденцию к стабилизации. Это явление показывает, что плотность энергии положительно коррелирует со степенью нагрева оксидной пленки.

1.3 Влияние скорости лазерной очистки на распределение температуры
На рисунке 3 показано распределение температуры поверхности оксидной пленки алюминиевого сплава при различных скоростях очистки. Из рисунка 3 хорошо видно, что температура поверхности оксидной пленки уменьшается с увеличением скорости очистки. В процессе увеличения скорости очистки от v=5 мм/с до v=8 мм/с общая температура оксидной пленки на поверхности алюминиевого сплава медленно уменьшается с увеличением скорости очистки.

2 Экспериментальные материалы
В качестве подложки использовалась пластина из алюминиевого сплава 2 толщиной 2024 мм. После анодирования поверхности подложки на поверхности подложки образуется слой пленки оксида алюминия. На поверхности анодированного образца появляется множество мелких микропор.

3 Анализ эффекта очистки при различных сочетаниях параметров
После проведения ортогональных испытаний трех ключевых параметров лазерного процесса, таких как мощность лазера, частота лазерных импульсов и скорость очистки, был найден набор экспериментальных параметров, которые могут полностью удалить оксидную пленку алюминиевого сплава 2024. Мощность лазера, частота импульсов и скорость очистки этого набора лазерных параметров составляют 400 Вт, 4.5 кГц и 5 мм/с соответственно. Двумерная морфология оксидной пленки алюминиевого сплава 2024 после лазерной очистки показана на рисунке 5. Хорошо видно, что морфология поверхности после очистки с различными комбинированными параметрами отличается. На рисунке 5 (а) имеется множество поверхностных ямок и большое количество трещин и сломанных следов. Яркая оксидная пленка алюминиевого сплава 2024 распределена неравномерно, но верхняя оксидная пленка значительно меньше нижней оксидной пленки. На рисунке 5 (б) в поверхностных ямках имеется больше трещин и сломанных следов. По сравнению с рисунком 5 (а) можно заметить, что большое количество ярко-белых оксидных пленок удалено, и эффект разрушения более очевиден. На рисунке 5 (с) есть несколько ярких фрагментов оксидной пленки, а большая область темного цвета основана на алюминиевом сплаве. В это время оксидная пленка в основном полностью удалена.

4 Выводы

Создав модель конечных элементов лазерная очистка оксидной пленки алюминиевого сплава 2024 и численной модели источника лазерного излучения получен закон изменения температуры поверхности алюминиевого сплава в процессе лазерной очистки оксидной пленки. Проектирование
Был проведен эксперимент по лазерной очистке оксидной пленки алюминиевого сплава 2024. После эксперимента наблюдалась двумерная морфология поверхности алюминиевого сплава при различных параметрах процесса очистки. Были сделаны следующие выводы: 1) Во время движения прямоугольного источника лазерного света его диапазон действия составляет только часть оксидной пленки на поверхности алюминиевого сплава 2024. Плотность теплового потока на подложке из алюминиевого сплава крайне мала. Поскольку прямоугольное пятно лазера продолжает двигаться, диапазон влияния плотности теплового потока также перемещается. Часть с наибольшим диапазоном влияния является частью центральной линии прямоугольного пятна лазера. По сравнению с другими частями появляется больший градиент температуры; 2) В процессе увеличения скорости лазерной очистки от v=5 мм/с до v=8 мм/с общая температура оксидной пленки алюминиевого сплава медленно снижается с увеличением скорости очистки. Более высокая скорость лазерной очистки не соответствует таким параметрам, как мощность лазера и частота импульсов, что приводит к плохому эффекту очистки; 3) В ходе эксперимента по лазерной очистке оксидной пленки на поверхности алюминиевого сплава 2024 получен набор параметров лазерной очистки с относительно идеальным эффектом очистки: мощность лазера 400 Вт, частота импульсов 4.5 кГц и скорость очистки 5 мм/с.