激光去除輪對(duì)表面銹蝕的工藝參數(shù)分析

鄭傳啟，汪世益,2，尚明明，王 恒，張 超

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.宣城市安工大工程研究院，安徽 宣城 242000)

0 引言

在鐵路列車的檢修工作中比較重要的是定期對(duì)輪對(duì)進(jìn)行探傷檢測(cè)，以檢查輪對(duì)存在的缺陷。在進(jìn)行探傷檢測(cè)前需要先進(jìn)行輪對(duì)的清污除銹。輪對(duì)表面的銹蝕會(huì)對(duì)探傷數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，銹蝕程度越深，探傷數(shù)據(jù)越不準(zhǔn)確，為確保探傷數(shù)據(jù)的正確性和準(zhǔn)確性，需要將輪對(duì)表面的銹蝕進(jìn)行完全徹底的清除[1]。

目前輪對(duì)的除銹方式分為機(jī)械除銹和化學(xué)除銹。機(jī)械除銹包括人工除銹、鋼絲刷除銹、拋丸除銹等方式。這些方式都能在一定程度上去除輪對(duì)上的銹蝕，但缺點(diǎn)也都很明顯，例如工作量大、粉塵污染嚴(yán)重、存在死角無(wú)法清除等[2]。化學(xué)除銹通常為堿煮式除銹，除銹效率高，但是會(huì)造成輪對(duì)的二次腐蝕，且廢水產(chǎn)生量大，污染環(huán)境。

近年來(lái)，激光清洗技術(shù)在去除金屬表面銹蝕領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。邱兆飚等[3]研究了激光除銹對(duì)船用鋼板的影響，結(jié)果表明激光除銹后船用鋼板的抗腐蝕性能有顯著提升；陸思遠(yuǎn)[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證激光除銹效果，得到了激光清洗閾值、清洗效率等參數(shù)；潘煜等[5]研究了激光頻率和掃描次數(shù)等參數(shù)對(duì)HT200表面除銹效果的影響。

本文利用ANSYS Workbench軟件對(duì)激光去除輪對(duì)表面銹蝕進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真分析，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)實(shí)現(xiàn)激光熱源的加載和移動(dòng)，研究不同激光工藝參數(shù)對(duì)輪對(duì)清洗深度的影響，為實(shí)際激光去除火車輪對(duì)表面銹蝕過(guò)程中激光工藝參數(shù)的選擇提供參考。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

在SolidWorks軟件中建立如圖1所示的銹層-基底雙層模型。在不影響輪對(duì)表面溫度場(chǎng)分析的情況下，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，取尺寸為2 mm×2 mm×0.6 mm的長(zhǎng)方體模型來(lái)代替原本工件。將銹層-基底雙層模型導(dǎo)入到Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為使計(jì)算結(jié)果更加精確，將激光掃描路徑上的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理。

圖1 銹層-基底雙層模型

1.2 材料熱物性

銹蝕的主要成分為Fe2O3，其密度為5 240 kg/m3，比熱容為670 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為55 W/(m·K)，氣化溫度T1=3 687.15 K，熔化溫度T2=1 838.15 K。基底材料為60鋼，對(duì)于60鋼，其密度與溫度的變化關(guān)系不是很大，按常數(shù)處理，查手冊(cè)得其密度為7 835 kg/m3，熔化溫度為1 573.15 K～1 673.15 K，氣化溫度為3 023.15 K。在激光燒蝕過(guò)程中，60鋼的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)會(huì)隨溫度發(fā)生較大變化，其具體數(shù)值如表1所示。

表1 60鋼的熱物性數(shù)據(jù)

1.3 傳熱及邊界條件

根據(jù)傳熱學(xué)理論，激光除銹過(guò)程分析屬于非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題[6],其三維導(dǎo)熱微分方程為：

(1)

其中：ρ為密度，kg/m3；c為材料比熱容，J/(kg·K)；T為瞬時(shí)溫度，K；t為熱傳導(dǎo)時(shí)間，s；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；Q為熱源項(xiàng)，因不考慮體熱源，故Q=0。

假設(shè)模型整體具有一致的初始溫度，其初始條件為：

T(x,y,z)|t=0=T0=298.15 K.

(2)

在激光除銹過(guò)程中，模型的上表面不僅存在著激光熱源與銹層的熱傳導(dǎo)，還存在著空氣自然對(duì)流換熱和輻射換熱[7]，其邊界條件為：

(3)

其中：n為邊界的法向量；h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ta為上表面溫度，K；T0為初始溫度，K；σ為Stafan-Biltzmann常數(shù)；ε為銹層材料的輻射率。

對(duì)于銹層和基底的側(cè)面，主要考慮材料的熱對(duì)流和熱輻射,其邊界條件為：

(4)

對(duì)于模型的底面，因熱量在基底的底面損失，可視基底底面為絕熱狀態(tài)，其邊界條件為：

(5)

1.4 熱源模型及加載

對(duì)于激光熱源模型的建立，本文選擇近高斯分布的面熱源模型[8]。高速移動(dòng)的脈沖激光以熱流密度的形式加載到模型的上表面，熱源模型表達(dá)式為：

(6)

其中：q為功率密度，W/m2；P為平均功率，W；μ為吸收率，查文獻(xiàn)其值取0.8；R為光斑半徑，m。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 正交試驗(yàn)?zāi)M參數(shù)

為了研究激光參數(shù)對(duì)清洗深度的影響，采用正交試驗(yàn)對(duì)激光功率、掃描速度和光斑直徑這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行分組，分組結(jié)果如表2所示，其中A1～A4表示光斑直徑分別為100 μm、150 μm、200 μm、250 μm，B1～B4表示掃描速度分別為100 mm/s、400 mm/s、800 mm/s、1 200 mm/s，C1～C5表示激光功率分別為100 W、200 W、300 W、400 W、500 W，1～80表示試驗(yàn)組號(hào)。

表2 正交試驗(yàn)參數(shù)

2.2 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

圖2為激光功率為300 W、掃描速度為100 mm/s、光斑直徑為150 μm、t=0.01 s時(shí)輪對(duì)上表面及橫截面的溫度場(chǎng)分布。從圖2(a)中可以看出，隨著激光熱源以一定速度加載到輪對(duì)表面，輪對(duì)表面的溫度場(chǎng)呈現(xiàn)為一種帶著尾巴的彗星狀。同時(shí)激光熱源前進(jìn)方向前端的溫度梯度較大，后端的溫度梯度較小，這是由于激光熱源的快速移動(dòng)所造成的。從圖2(b)可以看出，輪對(duì)橫截面的溫度場(chǎng)分布情況與上表面類似，隨著深度加深溫度逐漸降低，這與厚度方向上的熱傳導(dǎo)有關(guān)。

圖2 t=0.01 s時(shí)輪對(duì)的溫度場(chǎng)分布

2.3 激光參數(shù)對(duì)清洗深度的影響

根據(jù)氧化鐵的氣化溫度T1=3 687.15 K，將高于T1的溫度假設(shè)為氧化鐵銹層被去除。圖3～圖6分別反映了光斑直徑D為100 μm、150 μm、200 μm和250 μm時(shí)不同激光功率和掃描速度下的清洗深度。

從圖3中可以看出：當(dāng)掃描速度一定時(shí)，隨著激光功率的增大，清洗深度逐漸加深，這是因?yàn)榧す夤β首兓瘯r(shí)，激光熱源作用在輪對(duì)表面的時(shí)間相同，隨著激光功率的增大，相同時(shí)間內(nèi)輸入的能量增大，材料吸收的能量增多；當(dāng)激光功率一定時(shí)，隨著掃描速度的增大，清洗深度逐漸變淺，這是因?yàn)閽呙杷俣茸兛欤す鉄嵩醋饔迷谳唽?duì)表面的時(shí)間減少，材料吸收的能量減少。

圖3 光斑直徑100 μm時(shí)不同激光功率和掃描速度下的清洗深度

從圖3～圖6可以看出，當(dāng)激光功率為500 W、掃描速度為100 mm/s時(shí)，隨著光斑直徑的增大，清洗深度逐漸減小，這是由于光斑直徑改變時(shí)，激光熱源作用在輪對(duì)表面的時(shí)間相同，能量輸入大小相同，光斑直徑變大，激光熱源輻射的范圍變大，材料吸收熱量的范圍變大，熱積累減少，清洗深度變淺。

圖4 光斑直徑150 μm時(shí)不同激光功率和掃描速度下的清洗深度

圖5 光斑直徑200 μm時(shí)不同激光功率和掃描速度下的清洗深度

從圖3～圖6可以看出，當(dāng)激光功率為400 W、掃描速度為100 mm/s、光斑直徑為200 μm時(shí)，清洗深度為102 μm，氧化鐵銹層被完全去除，基底被輕微燒蝕2 μm，清洗效果較為良好。

圖6 光斑直徑250 μm時(shí)不同激光功率和掃描速度下的清洗深度

3 結(jié)論

本文利用ANSYS Workbench軟件對(duì)激光去除火車輪對(duì)表面銹蝕進(jìn)行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

(1) 溫度場(chǎng)結(jié)果表明，激光輻射區(qū)的溫度場(chǎng)呈拖尾狀的彗星分布，激光掃描路徑前端的溫度梯度較大，后端的溫度梯度較小。在激光其他工藝參數(shù)一定的情況下，激光功率越大，清洗深度越深；掃描速度越大，清洗深度越淺；光斑直徑越大，清洗深度越淺。

(2) 在激光功率為400 W、掃描速度為100 mm/s、光斑直徑為200 μm時(shí)，清洗深度為102 μm，銹層被完全去除，基底被燒蝕深度為2 μm，清洗效果較為良好。