CN103817113B - 一种金属表面污物激光清洗系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属表面污物激光清洗系统及方法。该金属表面污物激光清洗系统包括计算机控制系统、激光器系统以及光束调整系统，计算机控制系统控制激光器系统，使光束从激光器系统的激光器发出，并由光纤传输进入光束调整系统，同时计算机控制系统还控制光束调整系统，对光束的光斑直径做出调整，使调整后的光束规律地入射到金属清洗件表面对其上的污物进行清洗。
Description
技术领域
本发明属于激光清洗技术领域，具体地，涉及一种金属表面污物激光清洗系统及方法。
背景技术
金属基材作为工业清洗中常见的对象，如金属模具、焊缝表面、车身外壳、飞机蒙皮等。这些金属基材常用材料通常是不锈钢、碳钢和铝合金，在实际应用中容易产生油污、锈层，残留油漆，从而导致其表面粗糙度和力学性能变化，影响实际使用性能。因此，在使用一段时间后或在表面预处理前都需要对其表面进行清洗。而由于清洗对象、清洗污垢、清洗工艺和清洗要求的特殊性，决定了金属清洗有别于一般的化学清洗和软表面清洗。
传统的金属清洗方法虽然种类较多，应用范围较广，但是都存在自身的局限性：机械清洗方法无法满足高清洁度高效率的清洗要求，且容易损伤金属基底材料；湿化学清洗方法容易导致环境污染，清洗效率和清洁度也很有限；而超声波清洗方法对微米级的污物颗粒无能为力，清洗后工件的干燥也是一大难题。
激光清洗作为一种绿色、高效的清洗方法应运而生，并且迅速由试验阶段发展到实际应用当中。激光清洗技术是指采用高功率密度激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净化的目的。然而，目前的激光清洗方式几乎都是采用脉冲式激光清洗，而脉冲式激光清洗存在着以下几方面的不足：（1）清洗厚度较薄。早期激光清洗是针对电子产品中微米级的污物颗粒，即便至近几年，由于激光清洗处于实验室阶段，试验所用的污物厚度也都在0.1um-70um范围，污物层的结合力较小，容易清除。但是在实际生产应用中，金属基材表面污物层的厚度通常能高达500um左右，而且附着力和抗冲击性高。（2）清洗效率较低。即便增加清洗次数可能可以解决上述污物层厚结合力强的问题，但增加了清洗的时间，降低了清洗效率。另外，由于大多数清洗试验都是通过X-Y坐标平台的运动实现清洗速度，清洗速度一般都在20mm/s以下，清洗效率在0.5mm2/s-50mm2/s范围，导致清洗效率低，无法真正应用于实际生产应用领域。（3）清洗效果不好。脉冲式激光清洗主要通过热膨胀和热振动使污物层与基材表面分离，被污物吸收的能量较少，只有小部分污物是通过发生气化分解而被清除的。因此，如果污物层厚度较厚结合力较大，特别是车身漆，通常是防腐漆+富锌底漆+聚氨酯漆，其漆层较难通过热膨胀和热共振来去除，即便增加脉冲清洗次数也很难达到彻底清除污物层的效果。如果通过增加激光功率或降低光斑直径大小来增加能量输入使污物层气化分解，也会使清洗表面粗糙度增加，很难达到清洗表面光洁的效果。
因此，当前的激光清洗技术还未能真正广泛地普及于金属基材生产应用领域，业界一直在探寻研究一种可以真正投入产业化的高效率高质量金属表面污物激光清洗方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种金属表面污物激光清洗系统及方法，由此解决金属基材表面污物层高效率、高质量清洗问题，从而获得接近于基材原始表面粗糙度及金属亮泽的清洗表面，达到理想的清洗效果和清洗效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，本发明提供一种金属表面污物激光清洗系统，一种金属表面污物激光清洗系统，包括：计算机控制系统、激光器系统以及光束调整系统，计算机控制系统控制激光器系统，使光束从激光器系统的激光器发出，并由光纤传输进入光束调整系统，同时计算机控制系统还控制光束调整系统，对光束的光斑直径做出调整，使调整后的光束规律地入射到金属清洗件表面对其上的污物进行清洗。
优选地，激光器系统的激光器是光纤激光器。光纤激光器可以采用连续激光的出光方式或者截断激光的出光方式。优选地，光纤激光器为中功率光纤激光器，输出功率在100w～500w之间。
优选地，光束调整系统包括扩束镜、振镜系统以及聚焦镜，光束先经过扩束镜扩束后再进入振镜系统，再经聚焦镜聚焦成光斑直径极小的激光光束，直接作用于金属清洗件表面的污物上使污物直接燃烧气化分解。振镜系统优选包括反射镜和带动该反射镜规律摆动的反射镜电机。
本发明的金属表面污物激光清洗系统优选还包括侧吹气旁轴，该侧吹气旁轴与金属清洗件表面设置为保持30°～50°，侧吹气旁轴的气嘴末端与激光作用处保持10mm～30mm的距离。
优选地，本发明的金属表面污物激光清洗系统通过调节金属清洗件表面与聚焦镜焦点位置之间的离焦量来使激光光束对金属清洗件表面的污物进行清洗。
按照本发明另一个方面，本发明还提供一种金属表面污物激光清洗方法，包括步骤：
1）提供表面有污物的金属清洗件；
2）确定清洗区域的位置及尺寸，并设置清洗工艺参数；
3）由激光器发出激光光束，经过光纤传输进入光束调整系统；以及
4）由光束调整系统对光束的光斑直径做出调整，使调整后的光束规律地入射到金属清洗件表面对其上的污物进行清洗。
优选地，本发明所用的激光器是光纤激光器。光纤激光器可以采用连续激光的出光方式或者截断激光的出光方式。光纤激光器优选为中功率光纤激光器，输出功率在100w～500w之间。截断方式可以增加清洗系统的脉冲清洗功能，特别适合于清洗污物层较薄的或者工件容易受热变形的金属，从而扩大了该清洗方法的适用范围。
在本发明的金属表面污物激光清洗方法中，优选地，激光器发出的激光光束经过光纤传输后进入光束调整系统的扩束镜扩束，之后入射到光束调整系统中振镜系统的反射镜上，反射镜由电机带动进行高速规律摆动，光束经反射镜反射再通过光束调整系统的聚焦镜聚焦成光斑直径极小的激光光束，直接作用于金属清洗件表面的污物上使污物直接燃烧气化分解。
本发明的金属表面污物激光清洗方法，优选在金属清洗件一侧设置侧吹气旁轴，使其与金属清洗件表面保持30°～50°，其气嘴末端与激光作用处保持10mm～30mm的距离。在激光清洗的同时旁轴吹入惰性气体，一方面可以把清洗后的烟尘及时吹走，另一方面可以降低工件表面的热量，防止热量过高时工件产生应力或变形。
优选地，本发明的金属表面污物激光清洗方法调节金属清洗件表面与聚焦镜焦点位置之间的离焦量，使激光光束对金属清洗件表面的污物进行清洗。
本发明提出的金属表面污物激光清洗系统及方法，相对现有技术的激光清洗方法，通过连续或截断的激光对被清洗件表面的污物直接作用使其燃烧气化分解，具有以下诸多技术与经济方面的有益效果：
（1）成本低且清洗效果好。本发明的金属表面污物激光清洗系统及方法基于的是光纤激光器，光纤激光器产生的光束通过光束传输和调整系统，最终作用在被清洗金属表面的污物层，主要发生燃烧分解，直接高效地清除污物层。特别是，本发明的光纤激光器可以选择连续出光的方式，不仅能使金属表面的污物层燃烧分解，而且伴随的热膨胀和振动作用有助于提高清洗效果，减少能量的损失，从而能提高清洗效率且节约成本。
（2）可清洗更厚的污物。连续光纤激光器产生的光束通过光纤传输能量的损失很少，并且通过光束调整系统，光斑直径可以达到极小，可以达到0.06mm，提高了能量密度，从而可以清洗厚度更厚结合力更大的污物层。
（3）清洗效率高。本发明的金属表面污物激光清洗系统及方法用振镜系统替代了传统的X-Y移动平台，清洗速度最高可以达到8000mm/s，可以极大地提高清洗的速度和效率。
（4）操作简单。本发明的金属表面污物激光清洗系统及方法其清洗过程中的参数，包括清洗速度、激光功率、清洗区域等，可以通过人机界面设置，操作简单，进一步提高了清洗效率。
（5）适用性强。本发明的金属表面污物激光清洗系统及方法与传统的清洗方式相比，是一种非接触式的清洗方式，其激光的功率可以采用中功率，通过光束传输和调整系统，既能实现金属基材表面高清洁度和高功率的清洗要求，同时又可以不损伤基底材料。另外，相对于脉冲式激光清洗方法而言，本发明的金属表面污物激光清洗系统及方法通过提高激光的光斑直径来提高能量密度来直接气化分解污物，在金属模具、金属焊缝、汽车车身、飞机蒙皮以及金属塔架等各种大型金属结构的清洗中的适用性大大增强。
附图说明
图1示出的是本发明连续激光清洗系统的示意图；
图2示出的是本发明连续激光清洗系统详细装置的示意图；
图3示出的是本发明连续激光清洗系统中激光光束调整系统的示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或装置，其中：
图中，1-输出输入装置；2-计算机主机；3-控制柜；4-激光器；5-水冷机；6-光束调整系统；7-清洗件；8-工作台；9-侧吹气旁轴；10-可升降平台；11-工作台底座；12-手轮；13-升降丝杆；14-激光光束；15-聚焦镜；16-反射镜；17-反射镜电机；18-扩束镜；19-光纤通道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参看图1，依照本发明一个实施例的金属表面激光清洗系统主要包括计算机控制系统、激光器系统、光束调整系统以及工作台。计算机控制系统控制激光器系统，使光束从激光器系统的激光器发出，并由光纤传输进入光束调整系统。同时，计算机控制系统还控制光束调整系统，使光束直径达到极小，并规律地入射到工作台上的金属清洗件表面对金属清洗件表面的污物进行清洗。
具体地，参看图2和图3所示，计算机控制系统包括输出输入装置1、计算机主机2和控制柜3。激光器系统包括激光器4和水冷机5，该激光器4优选为光纤激光器，其输出功率优选为中功率，输出功率在100w～500w之间，更优选地其输出功率为500w。本发明特别采用光纤激光器，是因为本发明人发现，光纤激光器特别适合于清洗金属表面的污物，其能直接高效地清除污物层，显著提高污物清洗效率。光纤激光器发出的激光使得清洗金属表面的污物层发生燃烧分解，同时伴随的热膨胀和振动作用能极大提高清洗效果。
光束调整系统6包括扩束镜18、振镜系统以及聚焦镜15。本发明在光束调整系统中特别加入扩束镜18，光束经过扩束镜18后发散角减小，从而光束被聚焦的更小，从而能提高光束质量。而且，激光光束先通过扩束镜18再进入本发明的核心部件振镜系统，由此扩束镜18还可以起到保护振镜系统中振镜镜片16的作用。
激光器4和光束调整系统6都由水冷机中的冷却水通过水管及时冷却，该水管的直径可以为Φ8mm、Φ10mm、Φ12mm，优选为Φ12mm，选用Φ12mm进水量较大，对激光器4和振镜系统冷却效果相对较好。本发明的振镜系统包括两个反射镜16和带动该两个反射镜16规律摆动的两个对应的反射镜电机17，从而分别完成X轴和Y轴方向光斑的移动。本发明的激光清洗系统优选还包括辅助系统，该辅助系统主要包括侧吹气旁轴9。
其中，输出输入装置1与计算机主机2相连，用来输入和显示清洗工艺参数，控制清洗过程的开始、暂停和结束；计算机主机2与控制柜3相连，将可视化的参数转化为指令并发送给控制柜3；控制柜3与激光器4和光束调整系统6相连，实现直接同步控制两者同时工作；激光器4和光束调整系统6都由冷水机来及时冷却，防止因工作时间过长温度超过安全范围而损坏设备；侧吹气旁轴9即吹气装置，气体通过气流阀后直接由气管吹向清洗件7表面。
依照本发明其中一个实施例，本发明的金属表面污物激光清洗方法具体实施过程如下：
首先，将表面有污物的金属清洗件7平稳放置于工作台8上中央区域，并且接通计算机控制系统、激光器系统和光束调整系统的电源，使其都处于待工作的状态。打开冷水机，设定工作温度为20℃。由于冷水机开机前的冷却水温度与室温一致，一般与设定的工作温度（20℃-25℃）不会正好一样，所以要让其先开始工作，使冷却水温度达到设定值。
然后，通过计算机输出输入装置1确定清洗区域位置及大小尺寸，并通过输入装置设置清洗的工艺参数，包括激光功率的大小、清洗的速度等。单击输入装置操作界面上的“清洗”按钮，计算机主机2将通过控制柜3触发激光器4发射出激光光束，激光光束由光纤通道19进入光束调整系统6。在同一时刻，控制柜3触发光束调整系统6中振镜系统的反射镜电机17，反射镜电机17带动两个反射镜16高速规律的摆动，使光束能够在清洗件表面完成线或面的区域的行走轨迹，从而达到能清洗出一个平面区域的效果。振镜转动的速度和稳定性可以达到很高，线扫时可以达到8000mm/s，面扫是由一定的间距线扫组成的，激光光束走的是“Z”字形的轨迹。激光光束先通过光束调整系统6中的扩束镜18，再进入此时在高速规律运动的两个反射镜16，最后激光光束再通过聚焦镜15聚焦成光斑直径极小的激光光束14，并直接作用于金属清洗件7表面的污物上，使污物直接燃烧气化分解。光斑直径极小一般指的是在0.1mm以下，本发明清洗方法中的光斑直径能达到0.06-0.08mm。同时，将惰性气体由侧吹气旁轴9吹向激光作用处，及时地吹走气化分解的烟尘。侧吹气旁轴9与金属清洗件7表面保持30°～50°，气嘴末端与激光作用处保持10mm～30mm的距离。实践证明，将侧吹气旁轴9与金属清洗件7表面设置为30°～50°的角度和将气嘴末端与激光作用处设置在10mm～30mm，有助于实现气体保护清洗件表面的最佳保护效果。
清洗完成后，先关闭激光器4，然后分别关闭计算机主机2和水冷机5，最后关闭总电源。
在本发明中，激光器优选采用连续激光的出光方式，激光清洗机理通常为受热膨胀、共振破碎、燃烧气化。脉冲激光清洗是主要依靠前两者，而连续激光清洗三者都有，并主要依靠燃烧气化，能够清洗的污物层通常比脉冲激光清洗的厚1-2个数量级（例如除汽车喷漆，脉冲清洗方式通常只能清洗10-2mm数量级厚，而本发明中能清除5.0×10-1mm，见下面实例1）。
然而，需要注意的是，本发明的激光清洗方法中激光器出光还可以采用截断激光方式。连续激光方式与截断激光方式的不同在于连续方式是指在清洗的全过程中激光器一直都处于出光状态，即连续作用于清洗件表面的污物上，连续的激光方式适合于清洗厚度较厚或结合力较大的污物；截断方式则不同，即通过控制柜控制激光器在一个很小时间段内不出光，然后再在一个很小的时间段内出光，这样重复规律的出光／不出光完成清洗过程。截断方式类似于传统清洗的脉冲方式，相同的是出光不出光时间可以通过需要设置，不同的是截断方式峰值功率没有脉冲方式会达到很高的值，其峰值功率就是清洗时设定的激光功率。这种方式特别适合于清洗厚度较薄或结合力较小的污层，在保证足够清洗掉污物的同时也避免了因为热输入累积时间过长而导致损伤基材表面，一般适用于薄油污层或金属焊缝焊后产物的激光清洗（详细实例见下面的实例3）。
如图3所示，清洗过程中的离焦量可以由升降平台10来控制，离焦量是指清洗件7表面距离聚焦镜15焦点位置的垂直距离，其主要影响能否清除掉污物和是否会损伤基材表面。通过正反向转动手轮12，带动升降丝杆13的上升或下降，由此来调节升降平台10的高度位置，从而来调节离焦量。
下面，给出用本发明的金属表面污物清洗方法清洗的一些具体实例及显著的清洗效果。
实例1：铝合金车身表面金属漆的清洗
采用光纤激光器发出的连续激光
漆层厚度：0.50mm
激光功率：300w
清洗速度：500mm/s
光斑直径：0.07mm
气流量：3.5m3/h
显微观察下，≧95%面积的漆层被清除掉，清洗效率：115.4mm2/s，同比现有超声波清洗同样厚度金属漆层的效率一般只有40-50mm2/s；此外，清洗后基材没有损伤，且表面露出铝合金原有的亮白色色泽，达到清洗的理想效果。
实例2：45钢表面的锈层清洗
采用光纤激光器发出的连续激光
锈层厚度：0.45mm
激光功率：250w
清洗速度：500mm/s
光斑直径：0.07mm
气流量：3.0m3/h
显微观察下，≧95%面积的锈层被清除掉，清洗效率：89.8mm2/s。基材没有烧损，且露出碳钢的金属本色，达到清洗的理想效果。
实例3：不锈钢平板上油污层的清洗
采用截断式脉冲激光
油层厚度：0.05mm
激光功率：200w
清洗速度：500mm/s
光斑直径：0.07mm
气流量：1.0m3/h
显微观察下，≧95%面积的油层被清除掉，清洗效率：122.2mm2/s。不锈钢平板无损伤，且露出不锈钢基材原始的金属色泽，达到清洗的理想效果。
因此，本发明提出的基于光纤激光器的金属表面激光清洗方法，打破了早期只能通过增大功率来提高功率密度的限制，而是利用了光束直径较小质量稳定的光纤激光器，并通过光束调整系统，达到理想的光斑直径。在提高了功率密度的同时，不影响热输入的变化；另外，该方法通过振镜系统提高激光光束作用在工件表面的速度，减少激光作用在工件表面的时间，既可以控制热输入的增加，又可以提高激光清洗的效率，同时也提高了能量的利用率，降低了应用成本。简而言之，本发明是利用较小直径激光光束通过光束调整系统，达到理想光斑直径大小，来增加功率密度，保证了高能量密度和低热输入的关键条件，从而实现金属基材表面厚污物层高效率高质量清洗。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种金属表面污物激光清洗方法，包括步骤：
1)提供表面有污物的金属清洗件；
2)确定清洗区域的位置及尺寸，并设置清洗工艺参数；
3)由激光器发出激光光束，经过光纤传输进入光束调整系统；以及
4)由光束调整系统对光束的光斑直径做出调整，使调整后的光束规律地入射到金属清洗件表面对其上的污物进行清洗；
其中，激光器发出的激光光束经过光纤传输后进入光束调整系统的扩束镜扩束，之后入射到光束调整系统中振镜系统的反射镜上，反射镜由电机带动进行高速规律摆动，光束经反射镜反射再通过光束调整系统的聚焦镜聚焦成光斑直径极小的激光光束，直接作用于金属清洗件表面的污物上使污物直接燃烧气化分解。
2.如权利要求1所述的金属表面污物激光清洗方法，其特征在于，所述激光器是光纤激光器。
3.如权利要求2所述的金属表面污物激光清洗方法，其特征在于，所述光纤激光器可以采用连续激光的出光方式或者截断激光的出光方式。
4.如权利要求2或3所述的金属表面污物激光清洗方法，其特征在于，所述光纤激光器为中功率光纤激光器，输出功率在100w～500w之间。
5.如权利要求1至3中任一项所述的金属表面污物激光清洗方法，其特征在于，在金属清洗件一侧设置侧吹气旁轴，使其与金属清洗件表面保持30°～50°，其气嘴末端与激光作用处保持10mm～30mm的距离。
6.如权利要求1所述的金属表面污物激光清洗方法，其特征在于，调节金属清洗件表面与聚焦镜焦点位置之间的离焦量，使激光光束对金属清洗件表面的污物进行清洗。
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