激光清洗汉白玉石材表面污物层的研究

作     者：杨毅然 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李隆

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 0803[工学-光学工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：激光清洗 有限元模拟 汉白玉 LIPS法 图像法 

摘      要：激光清洗技术因其具有高效、环保、安全等优点,成为了国内外石材清洗领域的研究热点。由于激光光斑能量呈高斯分布,激光脉冲宽度、工作功率、光斑搭接率的变化将导致清洗过程中石材表面瞬时温度场的急剧变化;同时激光清洗次数的增加也会导致清洗过程中石材表面持续热积累和温度场的变化,这些变化最终会影响激光清洗石材表面的清洗效果,导致清洗后石材表面出现氧化或清洗度低等问题。因此,本文基于有限元分析法、激光诱导等离子体辐射法（LIPS法）和图像处理法,开展了激光脉冲宽度、工作功率、光斑搭接率及激光清洗次数对汉白玉石材表面金色油漆层（厚度:38.76μm）、银色油漆层（厚度:30.24μm）和烟渍层（厚度:45.91μm）的激光清洗质量影响规律研究。首先,根据传热学理论建立了移动脉冲激光热源。应用有限元理论构建了汉白玉及表面污物层模型,在100 k Hz脉冲重复频率1064 nm近红外激光作用下,数值模拟了不同的激光脉冲宽度、激光工作功率和激光光斑搭接率下汉白玉表面温升曲线和表面烧蚀形貌。探索了汉白玉表面激光除漆/除烟渍的热效应影响规律分析,确定200 ns为激光清洗汉白玉石质材料的最佳脉冲宽度。模拟结果表明激光工作功率和激光光斑搭接率过低无法清除表面污物层,过高则损伤汉白玉基底的研究结论。其次,在200 ns最佳激光脉冲宽度的前提下,开展了不同的激光工作功率、不同光斑搭接率和不同清洗次数下的激光清洗白玉表面油漆层和烟渍层的实验研究。基于面积外推法,实验研究了激光清洗金色油漆层、银色油漆层后产生的烧斑焦状物占比随激光功率的变化规律。基于LIPS法,实验研究了激光清洗烟渍层时汉白玉特征元素Ca、Al、Mg的峰值随着激光功率的变化规律。在不损伤汉白玉基材表面前提下,确定出汉白玉的最小激光烧蚀功率为67 W。激光清洗汉白玉表面金色油漆层、银色油漆层和烟渍层的最佳激光功率分别为40 W、40 W和60 W。在此基础上,基于图像处理法,开展了激光清洗同批次汉白玉表面金色油漆层、银色油漆层和烟渍层的清洗度、清洗速度分别随激光光斑搭接率、激光清洗次数的变化规律研究。在已确定的最佳激光脉冲宽度和最佳激光工作功率条件下,确定出激光清洗汉白玉表面金色油漆层、银色油漆层和烟渍层的最佳激光光斑搭接率分别为10%、30%和40%,最少激光清洗次数分别为5次、4次和4次,对应最大激光清洗度分别高达95.93%、93.89%和92.92%。最后,在最佳激光参数条件下,采用LIPS法与粗糙度测试法相结合的方式,对激光清洗效果进行了评估。开展了金色油漆层、银色油漆层和烟渍层的实时LIPS光谱与汉白玉基材的LIPS光谱相对比分析。结合皮尔逊相关性系数量化评估结果,获得了金色油漆层、银色油漆层和烟渍层表面的LIPS光谱与参考光谱的相关性分别高达0.95645、0.98014和0.96032。结合SEM、EDS、粗糙度探测,开展了激光清洗前后三种污物层的表面随机点平均粗糙度与汉白玉样品表面随机点平均粗糙度进行对比分析。粗糙度分别为0.0025μm、0.0027μm和0.0026μm,与汉白玉基材表面的随机点粗糙度0.0025μm十分接近。评估结果表明在最佳激光参数下被污染的汉白玉经激光清洗后,表面微观形貌和元素成分接近未被污染的汉白玉石材。按照“有限元法确定最佳激光脉冲宽度、LIPS法和图像处理法确定最佳激光工作功率、图像处理法确定最佳激光光斑搭接率和最佳激光清洗次数研究体系。根据石材表面污物层的物质成分和厚度动态调整激光参数,从而在有效避免损失石材表面的前提下大幅提升包括汉白玉在内的石质材料表面污物层的激光清洗效率和质量。