CN106624367B - 一种激光焊前材料表面的预处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种激光焊前材料表面的预处理方法及系统。所述方法包括首先通过皮秒脉冲激光对样品表面进行清洗，在通过皮秒脉冲激光对样品表面进行清洗的同时，图像采集设备实时采集样品的表面形态，并根据样品表面形态判断样品表面是否清洗干净：如未清洗干净，继续通过皮秒脉冲激光对样品表面进行清洗；如清洗干净，关闭皮秒脉冲激光，通过飞秒激光对样品表面进行黑化处理；在黑化处理的同时，图像采集设备实时监测样品表面的黑化情况，当样品表面完全黑化之后，关闭飞秒激光，即完成焊前材料表面的预处理。本方法可以使样品对光的强反射作用消失，在表面形成微纳结构，大大提高了激光焊接过程中材料对激光的吸收效率，有效地提高了激光焊接效率和质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光焊前材料表面的预处理方法及系统，具体涉及一种在激光焊之前材料表面的飞秒/皮秒脉冲激光复合预处理方法及预处理系统。
背景技术
在航天、高铁等产品中需要应用大量的高强合金零件，其焊接方式是航天、高铁研究中的一个重要方向。激光焊接具有无机械接触，焊接速度快，生产效率高等优点，得到了越来越多的关注。激光焊接前对焊接材料的处理又是影响激光焊接效果的一个关键因素。合金表面的油污、氧化膜等附着物会影响焊接质量和效率。焊前去除合金材料的附着物是防止产生气孔、夹渣的重要步骤。
目前，焊前对材料的预处理方式主要是指对材料的清洗。传统的清洗方式主要包括化学清洗和手工打磨。化学清洗一般是指酸洗，该过程能够有效清除基材表面的氧化膜和油污，但是该方法对环境污染严重。而手工打磨的方法工作效率低、成本高、工作环境恶劣、容易损伤基底材料表面、不能满足大批量生产的要求。除此之外，还可以采用激光清洗的方式。激光清洗是将高能激光投射到物理表面，使材料表面的附着物瞬时蒸发、烧蚀或剥离，是一种新型的表面处理技术。相比于传统的清洗方式，激光清洗更加高效环保。目前激光清洗一般都是采用基于调Q技术的纳秒脉冲清洗。但是不论采用哪一种清洗方式，对材料的处理都是单一的，清洗后获得的材料基材对激光反射率较高、激光吸收率较低，将影响激光焊接效率。
发明内容
本发明的第一发明目的是提供一种激光焊前材料表面的预处理方法。该方法可通过对焊前材料表面的预处理提高激光焊接质量和效率。
本发明实现其第一发明目的所采取的技术方案是：一种激光焊前材料表面的预处理方法，包括首先通过皮秒脉冲激光对材料样品表面进行清洗，其特征在于：在通过皮秒脉冲激光对样品表面进行清洗的同时，图像采集设备实时采集样品的表面形态，并根据样品表面形态判断样品表面是否清洗干净：如未清洗干净，继续通过皮秒脉冲激光对样品表面进行清洗；如清洗干净，关闭皮秒脉冲激光，通过飞秒激光对样品表面进行黑化处理；在通过飞秒激光对样品表面进行黑化处理的同时，图像采集设备实时监测样品表面的黑化情况，当样品表面完全黑化之后，关闭飞秒激光，即完成焊前材料表面的预处理。
与现有技术相比，本发明方法的有益效果是：本发明方法首先通过皮秒脉冲激光对样品表面进行清洗；去除样品表面会影响焊接质量和效率的油污、氧化膜等附着物，然后进一步通过飞秒激光对样品表面进行黑化处理，黑化处理不仅可以使样品表面对光的强反射作用消失，提高激光焊接的效率和质量；同时黑化处理又可以在样品表面形成微纳结构，增大表面积，使金属材料散热性更好，进一步提高激光焊接质量。总之，利用皮秒脉冲激光清洗和飞秒激光黑化对焊前材料表面复合预处理，大大提高激光焊接过程中材料对激光的吸收效率，有效地提高了激光焊接效率和质量。
进一步，本发明方法所述根据样品表面形态判断样品表面是否清洗干净是通过计算机软件智能判断。
进一步，本发明方法所述图像采集设备实时监测样品表面的黑化情况，判断是否完全黑化是通过计算机软件智能判断。
这样，直接通过计算机软件智能判断样品表面清洗情况和黑化情况，整个过程中无需人工干预，大大提高了工作效率，降低了预处理成本。
本发明的第二发明目的是提供一种可实现上述预处理方法的激光焊前材料表面的预处理系统。该预处理系统不仅可以对材料表面进行激光清洗，而且同时可在清洗之后通过对材料表面进行黑化处理，以达到材料表面的复合处理，提高激光焊接质量和效率。
本发明实现其第二发明目的所采取的技术方案是：一种激光焊前材料表面的预处理系统，包括激光处理模块，其结构特点是：所述激光处理模块包括对样品表面进行清洗的激光清洗子模块和对样品表面进行黑化的激光黑化子模块；激光清洗子模块和激光黑化子模块之间通过智能控制模块控制切换，所述智能控制模块包括图像采集子模块、智能判断子模块和控制子模块；所述图像采集子模块用于采集样品表面形态并传输给智能判断子模块；所述智能判断子模块用于根据样品表面形态判断样品表面是否清洗干净；所述控制子模块根据智能判断子模块判断的结果控制激光清洗子模块和激光黑化子模块之间的控制切换。
本发明系统的工作方法是：首先打开激光处理模块的激光清洗子模块，对样品表面进行清洗；在清洗的同时，智能控制模块的图像采集子模块实时采集样品表面形态并传输给智能判断子模块；智能判断子模块根据样品表面形态判断样品表面是否清洗干净；如果清洗干净了，智能控制模块的控制子模块关闭激光清洗子模块，打开激光处理模块的激光黑化子模块，对样品表面进行黑化处理；如果未清洗干净，智能控制模块的控制子模块不动作，激光清洗子模块继续对样品表面进行清洗，直至清洗干净，再切换至激光黑化子模块。
激光黑化子模块在对样品表面进行黑化处理的同时，智能控制模块的图像采集子模块实时采集样品表面形态并传输给智能判断子模块；智能判断子模块根据样品表面形态判断样品表面是完全黑化；如果完全黑化了，智能控制模块的控制子模块关闭激光黑化子模块，完成激光焊前材料表面的预处理；如果未完全黑化，智能控制模块的控制子模块不动作，激光黑化子模块继续对样品表面进行黑化处理，直至样品表面完全黑化，再关闭激光黑化子模块。
与现有技术相比，本技术方案的有益效果是：
本技术方案将通过激光对材料表面进行清洗和黑化复合化，首先通过激光对材料表面进行清洗，去除材料表面会影响焊接质量和效率的油污、氧化膜等附着物，然后进一步通过激光对样品表面进行黑化处理，黑化处理不仅可以使样品对光的强反射作用消失，提高激光焊接的效率和质量；同时黑化处理又可以在样品表面形成微纳结构，使金属材料散热性更好，进一步提高激光焊接质量。总之，利用激光清洗和激光黑化对焊前材料表面复合预处理，大大提高激光焊接过程中材料对激光的吸收效率，有效地提高了激光焊接效率和质量。
本技术方案利用智能控制模块的图像采集子模块实时采集样品表面形态并传输给智能判断子模块，然后通过智能判断子模块判断样品表面的清洗情况和黑化情况，从而通过控制子模块控制激光清洗子模块和激光黑化子模块的切换和开闭，整个过程中无需人工干预，大大提高了工作效率，降低了预处理成本。
进一步，本发明系统所述激光清洗子模块提供皮秒脉冲激光对样品表面进行清洗，所述激光黑化子模块提供飞秒脉冲激光对样品表面进行黑化。
相比于纳秒脉冲，皮秒脉冲激光的脉冲宽度更窄，可获得更高的峰值功率。因此本发明系统激光清洗子模块采用皮秒脉冲激光用于清洗样品表面，相比于纳秒脉冲激光，所需要的激光能量更低。另外，本发明系统采用飞秒脉冲激光对样品表面进行黑化处理，飞秒激光的脉冲宽度很短，即激光与物质的相互作用时间短，对材料的热影响小；这样材料本身的温度不会因为飞秒激光的作用而升高，避免了材料在受热情况下再次形成氧化膜，破坏清洗的效果。
进一步，本发明系统所述激光清洗子模块包括皮秒脉冲激光器，激光黑化子模块包括飞秒脉冲激光器，所述激光清洗子模块和激光黑化子模块均包括激光输出光纤、将激光输出光纤输出的激光进行准直的准直透镜，控制激光光束作用于样品表面上的位置和扫描速度的扫描振镜和将激光聚焦入射到样品上的汇聚透镜。
这样，皮秒脉冲激光器和飞秒脉冲激光器输出的激光依次通过激光输出光纤、准直透镜、扫描振镜和汇聚透镜；利用准直透镜可以减小光纤输出的激光的发散角，获得准直激光输出，应用扫描振镜可以通过扫描振镜自动精准地控制激光预处理作用于样品表面的位置，应用汇聚透镜可以控制激光作用于样品表面的光斑大小，以减小所需的激光脉冲的能量，最终获得适用于清洗和黑化的脉冲激光。
进一步，本发明系统所述智能控制模块的图像采集子模块包括对准样品表面的照明光源和采集样品表面形态的成像仪器。
这样，使用照明光源可以通过两个方面提高图像采集子模块的工作准确性，1.使得成像仪器看得更清楚判断更准确，2.通过成像仪器接受的光强度，可以判断黑化的效果，当光强度明显增强，即黑化较好；即可以通过两个方面判断黑化效果：1样品表面是否颜色改变，2成像仪器接受到的照明光强是否变低。
进一步，本发明系统所述激光处理模块的激光清洗子模块和激光黑化子模块整合为皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光模块，所述皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光模块包括皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器、激光输出光纤、将激光输出光纤输出的激光进行准直的准直透镜，控制激光光束作用于样品表面上的位置和扫描速度的扫描振镜和将激光聚焦入射到样品上的汇聚透镜。
更进一步，本发明系统所述皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器包括飞秒激光振荡器，飞秒激光振荡器输出的脉冲激光依次通过飞秒展宽器、啁啾脉冲放大器和控制激光光路方向的声光开关，所述声光开关由智能控制模块的控制子模块控制；当声光开关加射频信号时，脉冲激光通过声光开关后光路方向发生偏折，脉冲激光依次通过偏转反射镜、可改变激光偏振方向的半波片，第一偏振分束立方体反射后入射至第二偏振分束立方体，经第二偏振分束立方体反射后获得皮秒脉冲激光输出，皮秒脉冲激光通过汇聚透镜系统入射到激光输出光纤中，用于后续对样品表面进行清洗处理；当声光开关不加射频信号时，脉冲激光通过声光开关后光路方向不发生偏折，脉冲激光依次通过脉宽压缩器入射至第二偏振分束立方体，经第二偏振分束立方体透射后获得飞秒脉冲激光输出，飞秒脉冲激光通过汇聚透镜系统入射到激光输出光纤中，用于后续对样品表面进行黑化处理。
上述皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器的工作原理是：通过飞秒激光振荡器获得低能量的飞秒激光脉冲输出，该脉冲通过飞秒展宽器(可以是光栅对，也可以是布拉格体光栅)可将飞秒脉冲激光展宽成几百皮秒宽的皮秒脉冲激光。该皮秒脉冲激光的具体脉冲宽度可由光栅对或是布拉格光栅的参数决定。该低能量的皮秒脉冲激光通过啁啾脉冲放大器获得高能量的皮秒脉冲激光。该高能量的皮秒脉激光冲入射到控制激光脉冲光路方向声光开关上。
当声光开关加射频信号时，该皮秒脉冲激光通过声光开关后光路方向发生偏折，脉冲激光依次通过偏转反射镜(作用是改变激光光路方向，使激光垂直入射至半波片)、可改变激光偏振方向的半波片(改变激光的偏振方向，使其可被第一偏振分束立方体反射)，第一偏振分束立方体反射(作用是改变激光光路方向，使激光垂直入射至第二偏振分束立方体)后入射至第二偏振分束立方体，经第二偏振分束立方体反射(作用是改变激光光路方向，使激光垂直入射至汇聚透镜)后通过汇聚透镜系统(作用是改变激光的发散角和焦点处的光斑大小，使其可以高耦合效率地耦合至激光输出光纤中)入射到激光输出光纤中。
当声光开关不加射频信号时，该皮秒脉冲激光通过声光开关后光路方向不发生偏折，脉冲激光依次通过脉宽压缩器(可以是光栅对，也可以是布拉格体光栅，作用是压缩皮秒脉冲激光获得飞秒激光输出)后获得飞秒脉冲激光，该飞秒脉冲激光入射至第二偏振分束立方体，透射通过第二偏振分束立方体后通过汇聚透镜系统入射到激光输出光纤中。
整合成皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光模块避免了使用两个激光器分别提供皮秒/飞秒脉冲，大大降低了成本。并且该模块可以通过声光开关是否加射频信号来控制选择输出脉冲激光的模式，即可以通过智能控制模块的控制子模块实时控制，转变时间快。并且该模块确保了飞秒脉冲激光输出与皮秒脉冲激光输出是采用同一激光器模块，即其输出激光的光束质量(光斑的空间模式分布)是一致的，这样飞秒脉冲激光输出与皮秒脉冲激光输出可以共用一套光纤耦合装置系统，以同时获得高效的光纤耦合效率。
附图说明
图1为本发明实施例一方法流程示意图。
图2为本发明实施例二系统整体结构示意图。
图3为本发明实施例二激光清洗子模块工作时系统整体结构示意图。
图4为本发明实施例二激光黑化子模块工作时系统整体结构示意图。
图5为本发明实施例三系统整体结构示意图。
图6为本发明实施例三工作时系统整体结构示意图。
图7为本发明实施例三皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器的整体结构示意图。
具体实施方式
实施例一
图1示出，本发明方法的一种具体实施方式是：一种激光焊前材料表面的预处理方法，包括首先通过皮秒脉冲激光对材料样品表面进行清洗，其特征在于：在通过皮秒脉冲激光对样品表面进行清洗的同时，图像采集设备实时采集样品的表面形态，并根据样品表面形态判断样品表面是否清洗干净：如未清洗干净，继续通过皮秒脉冲激光对样品表面进行清洗；如清洗干净，关闭皮秒脉冲激光，通过飞秒激光对样品表面进行黑化处理；在通过飞秒激光对样品表面进行黑化处理的同时，图像采集设备实时监测样品表面的黑化情况，当样品表面完全黑化之后，关闭飞秒激光，即完成焊前材料表面的预处理。
本例中所述根据样品表面形态判断样品表面是否清洗干净是通过计算机软件智能判断。
本例中所述图像采集设备实时监测样品表面的黑化情况，判断是否完全黑化是通过计算机软件智能判断。
实施例二
图2示出，本发明系统的一种具体实施方式是：一种激光焊前材料表面的预处理系统，包括激光处理模块，其特征在于：所述激光处理模块包括对样品500表面进行清洗的激光清洗子模块100和对样品500表面进行黑化的激光黑化子模块200；激光清洗子模块100和激光黑化子模块200之间通过智能控制模块300控制切换，所述智能控制模块300包括图像采集子模块310、智能判断子模块320和控制子模块330；所述图像采集子模块310用于采集样品500表面形态并传输给智能判断子模块320；所述智能判断子模块320用于根据样品500表面形态判断样品500表面是否清洗干净；所述控制子模块330根据智能判断子模块320判断的结果控制激光清洗子模块100和激光黑化子模块200之间的控制切换。
本例中所述激光清洗子模块100提供皮秒脉冲激光对样品500表面进行清洗，所述激光黑化子模块200提供飞秒脉冲激光对样品500表面进行黑化。所述激光清洗子模块100包括皮秒脉冲激光器110，激光黑化子模块200包括飞秒脉冲激光器210，所述激光清洗子模块100和激光黑化子模块200均包括激光输出光纤102、将激光输出光纤102输出的激光进行准直的准直透镜103，控制激光光束作用于样品500表面上的位置和扫描速度的扫描振镜104和将激光聚焦入射到样品500上的汇聚透镜105。
本例中所述智能控制模块300的图像采集子模块310包括对准样品500表面的照明光源311和采集样品500表面形态的成像仪器312。
图3为本例中激光清洗子模块100工作时系统整体结构示意图。
图4为本例中激光黑化子模块200工作时系统整体结构示意图。
实施例三
图5示出，本发明系统的另一种具体实施方式是：一种激光焊前材料表面的预处理系统，包括激光处理模块，其特征在于：所述激光处理模块包括对样品500表面进行清洗的激光清洗子模块100和对样品500表面进行黑化的激光黑化子模块200；激光清洗子模块100和激光黑化子模块200之间通过智能控制模块300控制切换，所述智能控制模块300包括图像采集子模块310、智能判断子模块320和控制子模块330；所述图像采集子模块310用于采集样品500表面形态并传输给智能判断子模块320；所述智能判断子模块320用于根据样品500表面形态判断样品500表面是否清洗干净；所述控制子模块330根据智能判断子模块320判断的结果控制激光清洗子模块100和激光黑化子模块200之间的控制切换。
本例中所述激光清洗子模块100提供皮秒脉冲激光对样品500表面进行清洗，所述激光黑化子模块200提供飞秒脉冲激光对样品500表面进行黑化。如图5所示，所述激光处理模块的激光清洗子模块100和激光黑化子模块200整合为皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光模块400，如图6所示，所述皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光模块400包括皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器410、激光输出光纤420、将激光输出光纤420输出的激光进行准直的准直透镜430，控制激光光束作用于样品500表面上的位置和扫描速度的扫描振镜440和将激光聚焦入射到样品500上的汇聚透镜450。
图7示出，本例中所述皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器410包括飞秒激光振荡器411，飞秒激光振荡器411输出的脉冲激光依次通过飞秒展宽器412、啁啾脉冲放大器413和控制激光光路方向的声光开关414，所述声光开关414由智能控制模块300的控制子模块330控制；当声光开关414加射频信号时，脉冲激光通过声光开关414后光路方向发生偏折，脉冲激光依次通过偏转反射镜415、可改变激光偏振方向的半波片416，第一偏振分束立方体417a反射后入射至第二偏振分束立方体417b，经第二偏振分束立方体417b反射后获得皮秒脉冲激光输出，皮秒脉冲激光通过汇聚透镜系统419入射到激光输出光纤420中，用于后续对样品500表面进行清洗处理；当声光开关414不加射频信号时，脉冲激光通过声光开关414后光路方向不发生偏折，脉冲激光依次通过脉宽压缩器418入射至第二偏振分束立方体417b，经第二偏振分束立方体417b透射后获得飞秒脉冲激光输出，飞秒脉冲激光通过汇聚透镜系统419入射到激光输出光纤420中，用于后续对样品500表面进行黑化处理。
Claims (6)
1.一种激光焊前材料表面的预处理系统，包括激光处理模块，其特征在于：所述激光处理模块包括对材料的样品(500)表面进行清洗的激光清洗子模块(100)和对样品(500)表面进行黑化的激光黑化子模块(200)；激光清洗子模块(100)和激光黑化子模块(200)之间通过智能控制模块(300)控制切换，所述智能控制模块(300)包括图像采集子模块(310)、智能判断子模块(320)和控制子模块(330)；所述图像采集子模块(310)用于采集样品(500)表面形态并传输给智能判断子模块(320)；所述智能判断子模块(320)用于根据样品(500)表面形态判断样品(500)表面是否清洗干净；所述控制子模块(330)根据智能判断子模块(320)判断的结果控制激光清洗子模块(100)和激光黑化子模块(200)之间的控制切换。
2.根据权利要求1所述的一种激光焊前材料表面的预处理系统，其特征在于：所述激光清洗子模块(100)提供皮秒脉冲激光对样品(500)表面进行清洗，所述激光黑化子模块(200)提供飞秒脉冲激光对样品(500)表面进行黑化。
3.根据权利要求2所述的一种激光焊前材料表面的预处理系统，其特征在于：所述激光清洗子模块(100)包括皮秒脉冲激光器(110)，激光黑化子模块(200)包括飞秒脉冲激光器(210)，所述激光清洗子模块(100)和激光黑化子模块(200)均包括激光输出光纤(102)、将激光输出光纤(102)输出的激光进行准直的准直透镜(103)，控制激光光束作用于样品(500)表面上的位置和扫描速度的扫描振镜(104)和将激光聚焦入射到样品(500)上的汇聚透镜(105)。
4.根据权利要求1所述的一种激光焊前材料表面的预处理系统，其特征在于：所述激光处理模块的激光清洗子模块(100)和激光黑化子模块(200)整合为皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光模块(400)，所述皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光模块(400)包括皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器(410)、激光输出光纤(420)、将激光输出光纤(420)输出的激光进行准直的准直透镜(430)，控制激光光束作用于样品(500)表面上的位置和扫描速度的扫描振镜(440)和将激光聚焦入射到样品(500)上的汇聚透镜(450)。
5.根据权利要求4所述的一种激光焊前材料表面的预处理系统，其特征在于：所述皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器(410)包括飞秒激光振荡器(411)，飞秒激光振荡器(411)输出的脉冲激光依次通过飞秒展宽器(412)、啁啾脉冲放大器(413)和控制激光光路方向的声光开关(414)，所述声光开关(414)由智能控制模块(300)的控制子模块(330)控制；当声光开关(414)加射频信号时，脉冲激光通过声光开关(414)后光路方向发生偏折，脉冲激光依次通过偏转反射镜(415)、可改变激光偏振方向的半波片(416)，第一偏振分束立方体(417a)反射后入射至第二偏振分束立方体(417b)，经第二偏振分束立方体(417b)反射后获得皮秒脉冲激光输出，皮秒脉冲激光通过汇聚透镜系统(419)入射到激光输出光纤(420)中，用于后续对样品(500)表面进行清洗处理；当声光开关(414)不加射频信号时，脉冲激光通过声光开关(414)后光路方向不发生偏折，脉冲激光依次通过脉宽压缩器(418)入射至第二偏振分束立方体(417b)，经第二偏振分束立方体(417b)透射后获得飞秒脉冲激光输出，飞秒脉冲激光通过汇聚透镜系统(419)入射到激光输出光纤(420)中，用于后续对样品(500)表面进行黑化处理。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种激光焊前材料表面的预处理系统，其特征在于：所述智能控制模块(300)的图像采集子模块(310)包括对准样品(500)表面的照明光源(311)和采集样品(500)表面形态的成像仪器(312)。
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