CN103357621A - 一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的方法和装置，包括以下步骤：在金属工件表面喷射一层去离子水膜，调节激光器使激光束聚焦于去离子水膜内，利用激光冲击波对覆盖在金属工件表面的去离子水诱导产生急剧膨胀的等离子体，产生的等离子体冲击波直接作用于金属工件表面颗粒，使颗粒在冲击波和高压水流的作用下与金属表面分离。采用本发明的方法和装置，可以无损有效清洗金属表面微小颗粒，并能够提高金属工件表面的机械性能，可应用于金属工件表面微颗粒的清洗。

Description

一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的方法和装置
技术领域
本发明属于激光清洗技术领域，特指一种利用激光冲击波对覆盖在金属工件表面的去离子水诱导产生急剧膨胀的等离子体，产生的等离子体冲击波直接作用于金属工件表面颗粒，使颗粒在冲击波和高压水流的作用下与金属表面分离的方法和装置。
背景技术
在工业生产、文化保护以及牙科疾病的治疗中，常需要用到清洗技术。如工业制品在电镀、磷化、喷涂、焊接、包装以及集成线路的装配时，为保证工件质量，必须除去产品表面附着的油脂、灰尘、锈垢或残留的溶剂、粘结剂等污物。在城市道路、电线杆、车站牌以及建筑的外墙贴有大量的“小广告”，对其清洁是环卫部门的难题。为恢复文物和艺术品旧貌，需对文物表面的污垢及锈迹进行清洗。在轮胎制作过程中，多次成型使模具花纹内部残留部分橡胶，再成型会降低轮胎成品率，需要定期对模具进行清洗。
传统的清洗方法包括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法，机械清洗法清洁度较低，易损伤被清洗基体的表面；化学清洗方法容易导致环境污染，且清洁度有限；超声波清洗法对亚微米级污粒的清洗无能为力。
现有技术中，颗粒清除方法中存在的容易损坏及污染基体的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的方法和装置，无损有效清洗金属表面微小颗粒，并提高金属工件表面的机械性能。
为了解决以上技术问题，本发明在金属工件表面喷射一层去离子水膜，调节激光器使激光束聚焦于去离子水膜内，利用激光冲击波对覆盖在金属工件表面的去离子水诱导产生急剧膨胀的等离子体，产生的等离子体冲击波直接作用于金属工件表面颗粒，使颗粒在冲击波和高压水流的作用下与金属表面分离，具体技术方案如下：
一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的装置，其特征在于，所述激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的装置包括包括清洗室(1)、水管窗口(3)、激光窗口(4)、排水口(2)、计算机控制模块(20)、脉冲激光器(5)、电动控制平台(19)、卡盘(18)、监控模块(17)、水箱(14)、钢性水管(13)、扁平喷嘴(15)、水流控制模块(16)、金属工件表面(11)、金属工件(12)；
在清洗室(1)内，电动控制平台(19)固定在清洗室(1)内底面中间位置，卡盘(18)的底面和电动控制平台(19)的上表面上的凸台的顶面固结在一起，金属工件(12)水平固定在卡盘(18)上；
排水口(2)开设于清洗室(1)的底面与电动控制平台(19)相错开的位置，水管窗口(3)开设于清洗室(1)远离排水口(2)的侧壁上；钢性水管(13)的一端从水管窗口(3)伸出清洗室(1)外面与水箱(14)相连，钢性水管(13)的另一端安装有扁平喷嘴(15)，扁平喷嘴(15)位于金属工件表面(11)上方，钢性水管(13)与金属工件表面(11)水平方向夹角成10-150；水流控制模块(16)安装在钢水管(13)与扁平喷嘴(15)的相连接处，用于控制水流压力值范围为0.1-0.3MPa；
激光窗口(4)位于清洗室(1)的顶面与金属工件表面(11) 待清洗处垂直相对应的位置，位于清洗室(1)外的激光器(5)的发射激光束(6)垂直穿过激光窗口(4)聚焦于距金属工件表面(11)待清洗处垂直距离为1.5 mm的位置上；监控模块(17)与计算机控制模块(20)的输入端相连，监测模块(17)测得数据反馈至计算机控制模块(20)；激光器(5)、水流控制模块(16)、电动控制平台(19)与计算机控制模块(20)输出端相连接，根据计算机控制模块(20)相应的控制指令控制激光器(5)、水流控制模块(16)、电动控制平台(19)按一定指令工作。
所述的钢性水管包括不锈钢钢管、碳钢钢管和合金钢钢管，并且水箱与钢性水管、钢性水管与扁平喷嘴之间的连接是通过管螺纹连接。
所述的扁平喷嘴横截面尺寸为3 mm                                                
Figure 2013102928000100002DEST_PATH_IMAGE002
 20 mm。
一种运用所述的激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的装置的激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，将需进行清洗的金属工件利用卡盘水平固定在电动控制平台上；
步骤二，调节电动控制平台，使金属工件表面待清洗点位于激光窗口正下方；
步骤三，开始喷水步骤：计算机控制模块通过控制水流控制模块将高压去离子水从扁平喷嘴口喷射到金属工件表面上，使高压去离子水覆盖在金属工件表面上并在金属工件表面上形成稳定的厚度为2.5-3 mm的均匀水膜；
步骤四，发射激光束使激光束聚焦于距金属工件上表面垂直距离为1.5 mm位置处的高压去离子水中，使高压去离子水在激光冲击波诱导下产生急剧膨胀的等离子体，产生的等离子体冲击波直接作用于金属工件表面颗粒，使颗粒在冲击波和高压水流作用下与金属工件表面分离；
步骤五，调节电动控制平台向后平行移动半个光斑直径的距离，继续清洗金属工件表面微颗粒；
步骤六，根据计算机控制模块设定的进给步骤程序控制电动平台的进给运动，继续清洗金属工件表面，直至整个金属工件清洗完成。从开始清洗到清洗完成的整个过程中，监测模块和喷水步骤一直工作。
所述进给步骤为：当电动控制平台夹带着金属工件向后平行移动使监测模块监测到激光束聚焦点到达金属工件前边界正上方时，监测模块将数据反馈给计算机控制模块，相应计算机控制模块会发出指令控制激器，使激光暂时不发射；电动控制平台带动金属工件左移半个光斑直径的距离，并根据指令使金属工件向前移动，监测模块继续工作，直至激光束聚焦点位于金属工件后边界正上方时，计算机控制模块发出指令控制电动控制平台带动金属工件后移半个光斑直径的距离后重新开启激光开始新一行的清洗工作；重复上述过程逐行清洗，当清洗完最后一个点，进给系统根据程序带动金属工件继续左移半个光斑直径的距离，然后向前移动，监测系统没有监测到金属工件；进给系统根据程序带动金属工件继续左移，然后向前移动，监测系统仍没有监测到金属工件；计算机控制模块根据上述监测到的数据来断定整个清洗任务的完成，计算机控制模块控制相应系统停止工作；
所述扁平喷嘴喷出的高压去离子水流与金属工件水平上表面的夹角成10-15o。
所述覆盖在金属工件表面稳定、均匀的高压去离子水膜在激光冲击波清洗过程中有多种作用，距金属工件表面距离为0.5-1 mm区间的高压去离子水既对金属工件表面有保护的作用，又可以将与金属工件分离的颗粒带走，防止再次沉淀造成的二次污染；距金属工件表面距离为1-2 mm区间(即激光束聚焦点周围)的高压去离子水在激光冲击波诱导下产生急剧膨胀的等离子体；距金属工件表面距离为2 mm以上区间的高压去离子水对等离子体起到了约束作用，形成了约束层。
所述激光束为Nd：YAG脉冲激光，脉宽为1064 nm，脉冲能量为2-15 J，重复频率为10 Hz，脉冲宽度为5-30 ns，光斑直径为1-3 mm。
所述的需要激光冲击波清洗的金属工件表面微颗粒大小为10-50 μm。
本发明利用激光冲击波对覆盖在金属工件表面的去离子水诱导产生急剧膨胀的等离子体，产生的等离子体冲击波直接作用于金属工件表面颗粒，使颗粒在冲击波和高压水流的作用下与金属表面分离，从而达到清洗金属工件表面微颗粒的目的；利用本该方法可以无损有效清洗金属表面微小颗粒，并能够提高金属工件表面的机械性能。
所述水流控制模块在计算机控制模块的控制下，调节水流的流速、流量以及压力等参数，控制水流压力值范围为0.1-0.3MPa，使覆盖在金属工件表面稳定、均匀的去离子水膜的厚度为2.5-3 mm。
本发明的工作过程如下：
通过卡盘(18)将待清洗金属工件(12)水平固定在电动控制平台(19)上，调节电动控制平台(19)使金属工件表面(11)待清洗点位于激光窗口(4)正下方；通过计算机控制模块(20)控制水流控制模块(16)调节从钢性水管(13)流向扁平喷嘴(15)的水流的流速、流量以及压力等参数，使高压去离子水(9)从扁平喷嘴(15)口喷射到位于激光窗口(4)正下方的金属工件表面(11)上，扁平喷嘴(15)喷出的高压去离子水流与金属工件(12)水平上表面的夹角成10-15o，高压去离子水(9)覆盖在金属工件表面(11)上并形成稳定的厚度为2.5-3 mm的均匀水膜；
计算机控制模块(20)控制脉冲激光器(5)发射激光束(6)，激光束(6)通过激光窗口(3)进入清洗室(1)内并聚焦于距金属工件(12)上表面垂直距离为1.5mm位置处的高压去离子水(9)中，使高压去离子水(9)在激光冲击波诱导下产生急剧膨胀的等离子体(8)，使颗粒(10)在冲击波和高压水流作用下与金属工件表面(11)分离，与金属工件表面(11)分离的颗粒(10)在高压水流的作用下从排水口(2)排出清洗室(1)。
同时监测模块(17)监测金属工件表面(11)颗粒(10)的大小、金属工件(12)上表面与等离子体(8)的相对位置、金属工件(12)上表面与激光束(6)焦点的垂直距离、等离子体急剧膨胀形成的强冲击波阵面到金属工件表面(11)的压力值、高压去离子水(9)形成的水膜的厚度，作为用来控制电动控制平台(19)、水流控制模块(16)和脉冲激光器(5)的工艺参数的数据，监测模块(17)测得数据反馈至计算机控制模块(20)。
通过计算机控制模块(20)控制电动控制平台(19)，使卡盘(18)带动金属工件(12)作进给运动，来完成整个金属工件(12)的清洗。
本发明具有有益效果。
(1)本发明基于激光冲击波对覆盖在金属工件表面的去离子水诱导产生急剧膨胀的等离子体效应，通过等离子体冲击波和高压水流的作用来清洗金属工件表面上的微颗粒，避免了常规操作对金属工件造成的损伤、腐蚀及污染问题，并能够提高金属工件表面的机械性能。
(2)由于本发明激光束聚焦于去离子水膜中并产生等离子体，等离子体中心(焦点)距金属工件表面仍有1.5 mm，激光不会直接照射到金属工件表面且产生的高温不会影响到金属工件，避免对金属工件产生烧灼。
(3)本发明涉及的覆盖在金属工件表面稳定、均匀的高压去离子水膜在激光冲击波清洗过程中有多种作用，距金属工件上表面距离为0.5-1 mm区间的高压去离子水既对金属工件表面有保护的作用，又可以将与金属工件分离的颗粒带走，防止再次沉淀造成的二次污染；距金属工件表面距离为1-2mm区间(即激光束聚焦点周围)的去离子水在激光冲击波诱导下产生急剧膨胀的等离子体；距金属工件表面距离为2 mm以上区间的去离子水对等离子体起到了约束作用，形成了约束层。
(4)本发明涉及的扁平喷嘴横截面尺寸为3 mm 
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
 20 mm，在水流控制模块的作用下，使从扁平喷嘴口喷出的高压去离子水在金属工件的表面形成稳定的厚度为2.5-3 mm的均匀水膜。
综上所述，本发明把激光冲击波对覆盖在金属工件表面的去离子水诱导产生急剧膨胀的等离子体效应用于颗粒的清除，可避免清除过程对金属工件的污染、腐蚀及损伤，同时可实现颗粒的快速清除，清除过程的作用力便于调节，在激光清洗领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒装置图；
图2为扁平喷嘴喷射高压去离子水清除与金属工件分离的颗粒的示意图；
图3为高压去离子水膜中激光冲击诱导等离子体的示意图。
图中：1激光清洗室、2排水口、3水管窗口、4激光窗口、5脉冲激光器、6激光束、8等离子体、9高压去离子水、10颗粒、11金属工件表面、12金属工件、13钢性水管、14水箱、15扁平喷嘴、16水流控制模块、17监测模块、18卡盘、19电动控制平台、20计算机控制模块。
具体实施方式
为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图对本发明的一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒装置和工作方式进行详细说明。
图1显示的是激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的装置，包括清洗室1、水管窗口3、激光窗口4、排水口2、计算机控制模块20、脉冲激光器5、卡盘18、电动控制平台19、监控模块17、金属工件表面11、金属工件12、水箱14、不锈钢管13、扁平喷嘴15、水流控制模块16；
在清洗室1内，电动控制平台19上的卡盘18用于将金属工件12水平固定在电动控制平台19上，清洗室1内底面的排水口2用于排出污水；水管窗口3开设于清洗室1远离排水口2的侧壁上，用于将不锈钢管13的一端从清洗室1外伸入在清洗室1内；不锈钢管13与扁平喷嘴15、水箱14相连，在水流控制模块16的控制下将高压去离子水9从扁平喷嘴15口喷射到位于激光窗口4正下方的金属工件表面11上，扁平喷嘴15喷出的高压去离子水流与金属工件12水平上表面的夹角成12o；激光窗口4位于清洗室1的顶面与金属工件表面11 待清洗处垂直相对应的位置，位于清洗室1外的激光器5发射激光束6垂直穿过激光窗口4聚焦于距金属工件12上表面垂直距离为1.5mm位置处；
监控模块17与计算机控制模块20的输入端相连，监测金属工件表面11颗粒10的大小、金属工件12上表面与等离子体8的相对位置、基体12上表面与激光束6焦点的垂直距离、等离子体8急剧膨胀形成的强冲击波阵面到金属工件表面11的压力值、高压去离子水9形成的水膜的厚度，作为用来控制电动控制平台19、水流控制模块16和脉冲激光器5的工艺参数的数据，监测模块17测得数据反馈至计算机控制装置20；激光器5、水流控制模块16、电动控制平台19与计算机控制模块20输出端相连接，根据计算机控制模块20相应的控制指令控制激光器5、水流控制模块16、电动控制平台19按一定指令工作；通过计算机控制模块20控制电动控制平台19，使卡盘18带动金属工件12作进给运动，来完成整个金属工件12的清洗。
先将需要清洗的金属工件12用卡盘18水平固定在电动控制平台19上，通过计算机控制模块20控制电动平台19垂直上下微动，使金属工件表面11待清洗点位于激光窗口4正下方；通过计算机控制模块20控制水流控制模块16调节从不锈钢管13流向扁平喷嘴15的水流的流速、流量以及压力等参数，使水流压力值为0.2MPa，将高压去离子水9从扁平喷嘴15口喷射到位于激光窗口4正下方的金属工件表面11上，扁平喷嘴15喷出的高压去离子水流与金属工件12水平上表面的夹角成12o，高压去离子水9覆盖在金属工件表面11上并形成稳定的厚度为2.8mm的均匀水膜；
计算机控制模块20控制脉冲激光器5发射波长为1064 nm，能量为13 J，重复频率为10 Hz，脉冲宽度为5 ns，光斑直径为2 mm的激光束6，激光束6垂直穿过激光窗口4聚焦于距金属工件12上表面垂直距离为1.5mm位置处的高压去离子水9中，使高压去离子水9在激光冲击波诱导下产生急剧膨胀的等离子体8，使颗粒10在冲击波和高压水流作用下与金属工件表面11分离，与金属工件表面11分离的颗粒10在高压水流的作用下从排水口2排出清洗室1，如图2所示。
调节电动控制平台19向后平行移动1mm，继续清洗金属工件表面11颗粒10；在激光冲击波清洗金属工件表面11颗粒10的同时，监控模块17监测金属工件表面11颗粒10的大小、金属工件12上表面与等离子体8的相对位置、基体12上表面与激光束6焦点的垂直距离、等离子体8急剧膨胀形成的强冲击波阵面到金属工件表面11的压力值、高压去离子水9形成的水膜的厚度，作为用来控制电动控制平台19、水流控制模块16和脉冲激光器5的工艺参数的数据，监测模块17测得数据反馈至计算机控制装置20；在计算机控制模块设定的进给步骤程序控制下，电动控制平台19带动金属工件12作进给运动完成整个金属工件12清洗。
试验结果表明金属工件的微颗粒被有效的清洗，金属工件表面洁净无污渍且无损伤。
图3显示的是激光在去离子水膜中产生等离子体的示意图。覆盖在金属工件表面11上稳定、均匀的高压去离子水膜在激光冲击波清洗过程中有多种作用，距金属工件12上表面距离为0.5-1 mm区间的高压去离子水9既对金属工件表面11有保护的作用，又可以将与金属工件12分离的颗粒10带走，防止再次沉淀造成的二次污染；距金属工件12上表面距离为1-2 mm区间(即激光束6聚焦点周围)的高压去离子水9在激光冲击波诱导下产生急剧膨胀的等离子体8；距金属工件12上表面距离为2 mm以上区间的高压去离子水对等离子体8起到了约束作用，形成了约束层。

Claims (9)

1.一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的装置，其特征在于，所述激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的装置包括清洗室(1)、水管窗口(3)、激光窗口(4)、排水口(2)、计算机控制模块(20)、脉冲激光器(5)、电动控制平台(19)、卡盘(18)、监控模块(17)、水箱(14)、钢性水管(13)、扁平喷嘴(15)、水流控制模块(16)、金属工件表面(11)、金属工件(12)；
在清洗室(1)内，电动控制平台(19)固定在清洗室(1)内底面中间位置，卡盘(18)的底面和电动控制平台(19)上表面上的凸台的顶面固结在一起，金属工件(12)水平固定在卡盘(18)上；
排水口(2)开设于清洗室(1)的底面与电动控制平台(19)相错开的位置，水管窗口(3)开设于清洗室(1)远离排水口(2)的侧壁上；钢性水管(13)的一端从水管窗口(3)伸出清洗室(1)外面与水箱(14)相连，钢性水管(13)的另一端安装有扁平喷嘴(15)，扁平喷嘴(15)位于金属工件表面(11)上方，钢性水管(13)与金属工件表面(11)水平方向夹角成10-150；水流控制模块(16)安装在钢水管(13)与扁平喷嘴(15)的连接处，用于控制水流压力值范围为0.1-0.3 MPa；
激光窗口(4)位于清洗室(1)的顶面与金属工件表面(11) 待清洗处垂直相对应的位置，位于清洗室(1)外的激光器(5)的发射激光束(6)垂直穿过激光窗口(4)聚焦于距金属工件表面(11)待清洗处垂直距离为1.5 mm的位置上；监控模块(17)与计算机控制模块(20)的输入端相连，监测模块(17)测得数据反馈至计算机控制模块(20)；激光器(5)、水流控制模块(16)、电动控制平台(19)与计算机控制模块(20)输出端相连接，根据计算机控制模块(20)相应的控制指令控制激光器(5)、水流控制模块(16)、电动控制平台(19)按一定指令工作。
2.如权利要求1所述的一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的装置，其特征在于：所述的钢性水管包括不锈钢钢管、碳钢钢管和合金钢钢管，并且水箱与钢性水管、钢性水管与扁平喷嘴之间的连接是通过管螺纹连接。
3.如权利要求1所述的一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的装置，其特征在于：所述的扁平喷嘴横截面尺寸为3 mm                                                
Figure 2013102928000100001DEST_PATH_IMAGE002
 20 mm。
4. 一种运用如权利要求1所述的激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的装置的激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，将需进行清洗的金属工件利用卡盘水平固定在电动控制平台上；
步骤二，调节电动控制平台，使金属工件表面待清洗点位于激光窗口正下方；
步骤三，开始喷水步骤：计算机控制模块通过控制水流控制模块将高压去离子水从扁平喷嘴口喷射到金属工件表面上，使高压去离子水覆盖在金属工件表面上并在金属工件表面上形成稳定的厚度为2.5-3 mm的均匀水膜；
步骤四，发射激光束使激光束聚焦于距金属工件上表面垂直距离为1.5 mm位置处的高压去离子水中，使高压去离子水在激光冲击波诱导下产生急剧膨胀的等离子体，产生的等离子体冲击波直接作用于金属工件表面颗粒，使颗粒在冲击波和高压水流作用下与金属工件表面分离；
步骤五，调节电动控制平台向后平行移动半个光斑直径的距离，继续清洗金属工件表面微颗粒；
步骤六，根据计算机控制模块设定的进给步骤程序控制电动平台的进给运动，继续清洗金属工件表面，直至整个金属工件清洗完成。
5.从开始清洗到清洗完成的整个过程中，监测模块和喷水步骤一直工作。
6.如权利要求4所述的一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的方法，其特征在于，所述进给步骤为：当电动控制平台夹带着金属工件向后平行移动使监测模块监测到激光束聚焦点到达金属工件前边界正上方时，监测模块将数据反馈给计算机控制模块，相应计算机控制模块会发出指令控制激器，使激光暂时不发射；电动控制平台带动金属工件左移半个光斑直径的距离，并根据指令使金属工件向前移动，监测模块继续工作，直至激光束聚焦点位于金属工件后边界正上方时，计算机控制模块发出指令控制电动控制平台带动金属工件后移半个光斑直径的距离后重新开启激光开始新一行的清洗工作；重复上述过程逐行清洗，当清洗完最后一个点，进给系统根据程序带动金属工件继续左移半个光斑直径的距离，然后向前移动，监测系统没有监测到金属工件；进给系统根据程序带动金属工件继续左移，然后向前移动，监测系统仍没有监测到金属工件；计算机控制模块根据上述监测到的数据来断定整个清洗任务的完成，计算机控制模块控制相应系统停止工作；
如权利要求4所述的一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的方法，其特征在于：所述扁平喷嘴喷出的高压去离子水流与金属工件水平上表面的夹角成10-15o。
7.如权利要求4所述的一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的方法，其特征在于：所述覆盖在金属工件表面稳定、均匀的高压去离子水膜在激光冲击波清洗过程中有多种作用，距金属工件表面距离为0.5-1 mm区间的高压去离子水既对金属工件表面有保护的作用，又可以将与金属工件分离的颗粒带走，防止再次沉淀造成的二次污染；距金属工件表面距离为1-2 mm区间(即激光束聚焦点周围)的高压去离子水在激光冲击波诱导下产生急剧膨胀的等离子体；距金属工件表面距离为2 mm以上区间的高压去离子水对等离子体起到了约束作用，形成了约束层。
8.如权利要求4所述的一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的方法，其特征在于：所述激光束为Nd：YAG脉冲激光，脉宽为1064 nm，脉冲能量为2-15 J，重复频率为10 Hz，脉冲宽度为5-30 ns，光斑直径为1-3 mm。
9.如权利要求4所述的一种激光冲击波清洗金属工件表面微颗粒的方法，其特征在于：所述的需要激光冲击波清洗的金属工件表面微颗粒大小为10-50 μm。
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