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激光除油:安全、高效的表面處理新選擇 發(fā)布時間:2024-11-08 10:38:28

在工業(yè)生產(chǎn)制造中為減少機械零件在工作時的摩擦和磨損,會對機械設備的零件表面涂覆潤滑油,以提高機械設備的使用壽命,降低能源消耗。潤滑油可以填充機械零件表面的微小凸起和凹陷,形成一層薄膜,以降低零件之間的接觸面積,減少摩擦和磨損,同時還可以起到冷卻和減震的作用,避免零件因過熱而發(fā)生變形或損壞。


為了避免零部件受損,定期對設備零件進行保養(yǎng)是確保設備正常運轉(zhuǎn)、延長設備使用壽命的重要措施。傳統(tǒng)的除油方式存在除油效率低、容易對零件造成損傷、污染環(huán)境等方面的不足,亟需一種高效、清洗程度可控、環(huán)境友好和易于操作的新型除油技術(shù)。激光除油作為一種非接觸、“綠色”的清洗方式,能適配不同規(guī)格尺寸零部件的清洗,對使用場地和環(huán)境無限制,因此在除油應用領(lǐng)域具有很大的應用前景。


  激光除油機理:

激光除油主要分為燒蝕機理、振動剝離機理和爆破機理。


燒蝕機理是基材吸收激光的能量后,材料溫度急速升高到其熔點和沸點之上,隨后材料通過氣化、分解,脫離基底表面。當激光束輻照到工件表面時,大部分激光能量可被油污吸收,油污溫度瞬間升高,達到汽化點或燃燒點,使其燃燒掉,最終達到清洗的目的。

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振動剝離機制是指在激光的作用下,油污與表面金屬對熱膨脹的響應不同,在受熱膨脹后迅速冷卻過程中,油污與基體間產(chǎn)生應力差,應力的積聚與釋放會傳播為振動波,從而在清洗物與基底接觸界面形成強大的脫離應力,使被清洗物能夠克服其與基底表面的結(jié)合力而脫離基底。

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爆破機制是指基底吸收激光束能量后,溫度迅速升高,達到界面處油污汽化溫度或基底汽化溫度,由此產(chǎn)生的蒸汽等氣體瞬間膨脹,高速膨脹壓力波將油污噴射出基底表面,達到清洗的效果。

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激光除油相關(guān)研究:

目前激光除油的應用場景比較復雜,材料與油污各不相同,由于不同基材與不同油污對激光的吸收率均有差異,因此實際應用時,需要提前確定不同材料的清洗閾值與損傷閾值,這對于激光工藝的確定具有至關(guān)重要的作用。相關(guān)實驗結(jié)果表明,對于碳鋼其清洗閾值為(160±10)mJ/cm2 損傷閾值為(410±120)mJ/cm2,對于不銹鋼其清洗閾值為(130±10)mJ/cm2 損傷閾值為(420±20)mJ/cm2,對于銅因其對1064nm 的激光的反射率(R=0.85)相較碳鋼(R=0.47)和不銹鋼(R=0.68)要高的多,所以其清洗閾值和損傷閾值要遠高于碳鋼和不銹鋼。

利用 COMSOL Multiphysics 有限元分析軟件建立了爆破機制的激光除油模型,分析了單脈沖能量對基底表面溫度以及基底表面蒸發(fā)遷移率的影響,并對不同單脈沖能量下的不同厚度油污的清洗效果進行了模擬。通過模擬仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),基底表面上升溫度最大值與單脈沖能量成正相關(guān),隨單脈沖能量的增加,基底上升溫度的最大值越大?;妆砻娴恼舭l(fā)遷移率受溫度影響,單脈沖能量越大,基底溫度越高,有效蒸發(fā)面積越大。對于不同單脈沖能量下的不同厚度油污的清洗效果,當單脈沖能量為 1.1 mJ 時,有效清除最大油污厚度在 70 μm~100 μm,當單脈沖能量為 2.0 mJ 時,有效清除最大油污厚度在 200 μm~250 μm。

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