圆筒网涂层激光清除的扫描覆盖模型研究

李红军,石雅婷,张 弛,江 维,陈 伟,3

(1.工业雷管智能装配湖北省工程研究中心,湖北 武汉 430073;2.武汉纺织大学机械工程与自动化学院,湖北 武汉 430073;3.湖北省数字化纺织装备重点实验室,湖北 武汉 430073)

1 引 言

印花网作为印染重要部件,由稀有镍金属电镀制作成圆筒状一体式网面,中国镍资源贫乏,研究镍网清洗以实现循环利用具有重大意义。目前印花镍网上聚合物涂层清洗,常见的清洗方式仍为强力喷淋、化学溶解和超声波清洗等[1-2]。印花网回收利用的情况并不乐观,由于回收、处理过程相对繁琐,使用过的镍网废弃现象较为普遍[3]。随着激光技术的发展,激光清洗[4]作为一种绿色环保、无接触清洗方式走入人们的视野,已有微电子器件清洗、除锈脱漆[5]、器件表层橡胶去除[6]、文物和墙面清洗[7]等相关应用研究。2017年,李倩等人提出了激光清洗印花金属网表面感光胶涂层的可行性[3]。2021年,Kim Ji-Eon等人[8]通过配比激光扫描速度与能量密度并进行清洗实验,得到了去除造船用钢材表面的底漆和氧化层的最佳清洗工艺参数。2021年,薛少兵等人针对激光清洗印花网进行研究并设计机械装置[9]。

上述研究并非针对圆筒网表面聚合物涂层激光清洗展开研究,或是对激光叠覆相关研究甚少。而激光清洗主要工艺参数包括扫描速度和能量密度,不同的靶材、不同应用环境下所需参数会有所不同。

激光清洗中作用区域和激光功率参数是非常重要的两个参数指标,提高覆盖范围内的光强均度有助于清洗覆盖均匀的靶材。基于提高圆网清洗中激光覆盖率及光强分布均匀性的目的,对圆网机构的激光扫描覆盖策略展开研究,提出一种线式扫描轨迹光强叠覆优化模型,使在优化参数下清洗区域覆盖率达到100 %,光强分布均匀。利用10.6 μm的CO2激光器对圆筒表层的高分子涂层进行清洗,观察激光辐照后的样本表面形貌,并对清洗后的样本多处进行红外光谱测试,结果较好验证了优化参数下的光强分布均匀性。本研究为激光清除圆筒机构表层涂层的相关应用及其最优参数研究提供理论依据,对于实验和工业应用都具有一定参考价值。

2 激光圆筒扫描轨迹及光强叠覆模型

2.1 圆筒机构单点扫描轨迹模型

圆筒机构激光扫描示意图如图1所示,假定清洗过程中激光扫描速率VPX、激光器沿X轴正方向移动速度Vx及圆筒转速不改变。激光器沿X轴正方向移动的速度为Vx(mm/s),圆筒表面周长为Lc(mm)当圆筒旋转时转速为W(rpm),对于圆筒表面光斑点即以Vy(mm/s)速度沿Y轴正方向移动,有:

图1 圆筒机构激光扫描示意图Fig.1 Cylinder mechanism laser scanning schematic

(1)

单点扫描覆盖策略下的光斑轨迹模型为f(Vx,Vy)。若在Δt秒内求得X轴、Y轴方向的位移变化值,则可求对应方向的分速度；设光斑点沿X轴、Y轴上的位移变化分别为ΔSx、ΔSy,运动时间为Δt,则有:

(2)

清洗区域光斑覆盖率是圆筒机构激光扫描效果的重要参考指标之一,计算公式为:

(3)

其中,S表示选定的区域面积;Scover表示选定区域被光斑覆盖的区域面积,单位mm2。为分析圆网转速即Vy对清洗区域激光覆盖率的影响规律,模拟点式扫描覆盖策略下光斑轨迹,取参数Vx=1 mm/s,Lc=647 mm,脉冲频率20 kHz,取Vy∈[500,6000,单位mm/s。覆盖率变化如图2所示。

图2 单点扫描轨迹下不同圆筒转速下的清洗区域激光覆盖率变化Fig.2 Variation of laser coverage of cleaning area under different cylinder speed with single point scanning trajectory

分析轨迹图发现光斑呈规则斜纹分布,当圆筒转速一定时,Vy越大清洗区域光斑Y向间距越大；在Vy<3000 mm/s时圆筒转速越快,覆盖率越高,近似线性增长；Vy>3000 mm/s时覆盖率普遍大于90 %,速度为3500 mm/s、4500 mm/s、6000 mm/s可实现全覆盖。

2.2 线式扫描轨迹模型与光斑叠覆

单点扫描策略的基础上,增加X向振镜扫描速度,构建线式扫描策略轨迹模型g(Vx,Vy,Vpx),即在增加了振镜扫描速度VPx,控制振镜来回直线扫描。设光斑点沿X轴、Y轴上的位移变化分别为ΔSx、ΔSy,运动时间为Δt,则在lx1轨迹段,即VPx与Vx方向一致时,有:

(4)

在lx1轨迹段,即VPx与Vx方向一致时,有:

(5)

图3 单次振镜扫描光斑轨迹示意图Fig.3 Schematic diagram of single vibrating mirror scanning spot trajectory

激光直线轨迹实际由多个标刻点构成[10],标刻点的直径与激光器光斑直径和场镜聚焦效果相关。将轨迹作X和Y轴方向分别讨论,即圆心距linterval在X方向表示为投影到X轴的长度lx,Y方向表示为投影到Y轴的长度ly,如图4中(a)(b)所示。轨迹图如图4(c)所示时,光斑圆心距linterval轨迹段上的光斑重叠率计算公式为:

图4 Y方向光斑重叠示意图、X方向光斑重叠示意图及轨迹光斑重叠示意图Fig.4 Y-direction light spot overlap schematic,X-direction light spot overlap schematic and Schematic diagram of track spot overlap

(6)

其中,r0表示光斑直径；linterval_x表示轨迹直线上光斑圆心间距投影到X轴的长度,linterval_y表示轨迹直线上光斑圆心间距投影到Y轴的长度。当1≥koverlap>0时,光斑与光斑有重叠；koverlap=1时,两斑完全重叠；两光斑无重叠时,有koverlap>1。

为分析Vx对清洗区域激光覆盖率的影响规律,令参数Vy=3235 mm/s,VPx=2500 mm/s,Lc=647 mm,脉冲频率20 kHz,取Vx∈[0.1,2,单位mm/s,代入模型进行计算,结果如图5所示。

图5 激光平移速度与覆盖率及光强均度关系图Fig.5 Plot of laser translation speed versus coverage and light intensity uniformity

分析轨迹图发现线式扫描轨迹纹理大多较为凌乱,且分析图5数据发现清洗区域光强平均值与光强标准差相关度较低。随着激光平移速度增加,区域光强平均值逐渐减小,覆盖率呈减小趋势但并非线性关系。即转速一定时,平移速度越小,越容易实现光斑全覆盖。

2.3 线式扫描光强分布均度优化

不同激光扫描覆盖策略会影响激光辐照能量分布,对清洗效果具有直接影响[11]。在实际激光辐照过程中,由于高斯激光能量并非平均分布于光斑区域,在叠加、长时间作用过程中,能量积聚易导致清洗区域出现局部能量过高从而穿透薄质基材,或因能量密度过低导致部分区域靶材大量残余。因此,光强分布均匀性对于激光清洗效果是重要的影响因素之一,由此将线式扫描轨迹模型与光斑光强分布拟合,并优化扫描参数以提高光强分布均匀性,建构线式扫描光强叠覆模型如下:

(7)

其中,I表示光强分布;g表示光斑点坐标轨迹;P表示经过t秒后的光强分布。通常情形下,激光谐振腔发出的基模辐射场的横截面的振幅分布遵守高斯函数,故称高斯光束。柱坐标下对Helmholtz方程求解,在缓变振幅近似下得到高斯光束基模解。高斯光束的聚焦光斑直径定义为光强1/e2处的直径范围,光斑直径范围内光强占,因此仅考虑小于聚焦光斑直径范围内光强。假设激光到靶材距离等于焦距,则对于靶材表面单次光斑辐照的激光光强分布为:

(8)

(9)

其中,T表示圆筒旋转一周时间；Lc代表圆筒周长。对于功率一定情况下,单点激光的持续时间决定了射出的激光能量,设单点位置处激光振镜停留的时间为tinterval,则此参数限制了清洗激光能量值的上限。设旋转一周轨迹尖峰个数为N,单次扫描直线上有n个光斑点,边界条件下可得关系式:

(10)

其中,N和n均为正整数,可由此求得N、n解集。根据公式6可得扫描轨迹长度L0计算公式为:

L0=(1-k0)r0·n+k0·r0

(11)

取Vx=1 mm/s,据公式9求得速度配比Vy/Vx=3235,分析覆盖率可知在此参数下两种策略均可达到光斑全覆盖。基于点式扫描策略轨迹模型和线式扫描光强叠覆优化策略模型分别对光强分布进行拟合,区域光强分布如图6所示。发现相同速度参数下,相较单点扫描策略,基于线式扫描光强叠覆优化策略的光强分布更均匀。

图6 基于激光扫描轨迹的高斯光强叠覆图Fig.6 Gaussian light intensity overlay map based on laser scan trajectory

3 实验与分析

3.1 圆筒转速对激光覆盖率分析

由于圆筒机构激光扫描覆盖特性,在单独任一种扫描覆盖策略下,被清洗区域的起始片区和终点区域均不能被光斑完全覆盖,为便于比较扫描参数对被扫描区域的覆盖率影响,将圆筒形靶材看作宽度等于圆筒周长Lc、长度为L的矩形清洗区域,并划分为3个片区。如图7中矩形区域所示,被清洗区域S=Sa+Sc+Sb,起始区域Sa是从起点处光斑X向点位置至扫描圆筒一周后的光斑X向点位置为宽度的区域,中间部分Sc区域称为中间区域,本文仅对中间区域清洗效果进行分析讨论。

图7 清洗区域示意图Fig.7 Diagram of the cleaning area

取固定参数值如表1所示,间隔取Lx值,由公式9计算得到不同速度配比,在中间区域采样,求得覆盖率变化如图8所示。发现当速度配比在[2156,5391]区间时,线式扫描光强叠覆优化策略下覆盖率普遍更高。当Vx一定时,速度配比更小意味着Vy速度更小,即所需转速更小。在实际应用中,更小的转速能够降低振动[8]、减少轴承磨损、延长设备使用寿命。因此从降低速参数方面考虑,本文线式扫描光强叠覆优化策略优于点式扫描轨迹叠覆策略。

图8 点式及线式扫描在不同速度配比下的覆盖率Fig.8 Coverage of Point Scan and Line Scan at different speed ratios

3.2 扫描线长度对光强分布均匀性影响

扫描线长度作为本文模型中必要参数之一,探讨扫描线长度对光强分布均匀性影响是必要的。在参数可实现全覆盖前提下,取速度Vy=3235 mm/s,Vx=1 mm/s(可激光全覆盖),代入参数激光扫描速度2500 mm/s,据文中公式10求解可得到不同光斑个数n值解集,根据公式(11)可计算扫描直线长度。基于基模高斯光强分布模型对清洗区域的光强分布进行拟合,并计算区域光强的方差及平均值,得到直线长度与区域光强方差及平均值关系如图9所示。

图9 线式扫描中直线长度对光强分布均匀度影响Fig.9 Effect of linear length on the uniformity of light intensity distribution in line scan

发现当扫描直线长度大于2.75 mm(n=21)时,光强分布均匀性变化趋于平稳。方差越小,即代表光强分布越均匀。当直线长度在2.75 mm附近时清洗区域光强平均值波动较小,数值接近。发现在直线长度2.25 mm与2.75 mm时,光强分布均匀性接近。从提高激光能量密度角度考虑,取轨迹长度2.25 mm时光强平均值更高。

相同速度参数下,将点式扫描轨迹与线式扫描优化轨迹参数进行对比,数据如表1所示,其中线式扫描优化策略中kx、ky为lx1轨迹段上,即VPxVpx与Vx同向时的光斑重叠率。取表1中线式轨迹参数,使用100 W额定功率的CO2激光器,对印花圆网表面感光树脂交联硬化涂层进行辐照,印染业中印花圆网呈圆筒形,表面为多孔目金属网,取其上33 mm×33 mm大小样本,样本局部表征如图10所示。

表1 相同速度参数下不同扫描策略参数对比Tab.1 Comparison of different scanning strategy parameters with the same speed parameters

图10 激光辐照前后样本表征Fig.10 Characterization of samples before and after laser irradiation

图10中(a)为激光辐照前的原样,在激光辐照后样本上任意4处取样并进行红外能谱测试,取样位置如图(b)所示,图(c)为多倍电镜下取样位置2处表征放大图。观察激光作用后的靶材表征,发现激光辐照后涂层颜色略变深,表面有规则性纹理；与激光强度分布进行比对,发现纹理与模型中光强分布纹理一致。观察多倍电镜下激光清洗后样本表征,发现圆网表层涂层有残余,圆孔边缘处多有金属基材裸漏。

在同一物质的红外能谱测试中,吸光度作为该物质量的测试参考指标,物质量越大吸光度越大。在样本上取任意4处进行红外能谱测试,结果如图11所示。对比多个样本测试结果发现,在波数1230的主峰处吸光度差值最大,吸光度差值为2.7 %在仪器允许误差范围以内(该型号设备允许误差3 %),符合预期。对比分析多处能谱测试结果,发现图谱数值曲线趋势一致且波峰值近似,表明清洗后样本涂层较为均匀,验证了光强分布均匀性。认为在优化参数下,对于圆筒机构的激光扫描能达到全覆盖且辐照均匀。

图11 激光辐照后样本红外能谱测试波峰局部放大图Fig.11 Local magnification of the peaks of the infrared energy spectrum of the sample after laser irradiation

4 结 论

基于本文提出的线式扫描光强叠覆优化策略模型,可求得实现筒式机构激光扫描光斑全覆盖及光强均匀分布的速度优化参数,并实验验证。(1)通过10.6 μm CO2激光器对镍网表面聚合物涂层清洗实验,利用电子倍镜观察清洗后的样本表面,发现清洗后表面纹理与基于本文模型得到的高斯分布光强分布纹理一致,验证了本文模型。(2)观察靶材清洗后表征,发现适当增加清洗次数可提高清洗效果。(3)实验表明,在Vy=3235 mm/s,Vx=1 mm/s,Vpx=2500 mm/s下100 W激光器虽可实现光强均匀叠覆,但仍有涂层残余,认为若适当提高激光能量可清除涂层。(4)对于V字形轨迹的清洗方式,起点清洗区域和终点清洗区域总是无法达到激光完全覆盖,因此应此种清洗方式不适用于筒长度较短的情况。