CN107626689B - 超声辅助激光表面清洗系统及其清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声辅助激光表面清洗系统及其清洗方法，清洗系统包括激光工作机构，其用于发出激光并对清洗样品表面进行清洗；超声振动机构，其用于产生超声振动并与激光一起同时作用于清洗样品；控制器，其包括用于控制激光工作机构激光控制单元，以及用于控制超声振动机构的超声控制单元；工作台，用于放置并固定清洗样品，其清洗方法主要采用清洗系统进行清洗，通过将激光和超声振动同时作用到清洗样品表面，形成复合清洗技术，可有效防止激光清洗时产生热量在样品表面积累，防止表面过热，同时有助于均化激光光斑作用在样品表面的能量分布，改善激光清洗表面质量的均一性，对于激光清洗领域发展具有极大的开拓意义。

Description

超声辅助激光表面清洗系统及其清洗方法

技术领域

本发明涉及激光清洗技术领域，具体涉及一种超声辅助激光表面清洗系统及其清洗方法。

背景技术

在工业生产和日常生活中，各类设备和产品表面会不可避免的附着来自环境的或自身运行产生的各类污染物。这些污染物会对设备和产品的表面美观和功能性能产生严重影响。此外，在船舶和飞机的日常维护中，由于船舶常年处在高盐分潮湿的环境中，船舶的各处非常容易锈蚀。飞机的定期维保过程需要对表面漆层进行彻底的去除。因此，需要采用一系列物理或者化学的清洁手段来去除这些污染物，传统的或常规的清洁技术和方法存在环境污染、效率低下、劳动强度大、易损物件等缺点。如手工/机械打磨法存在费时费力、容易损伤基底、工作环境差等缺点；化学清洗法存在清洗选择性强、化学药剂的回收和排放处理很难、环境污染严重等问题；喷丸清洗法存在成本较高、劳动强度大、对操作者危害大等缺点。

现有常用激光进行清洗，激光清洗利用高能量密度的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，从而达到洁净化的工艺过程。激光辐照待清洗物体表面至少可以产生三个方面的作用：1)热膨胀效应，即利用基底与表面污染物对某一波长激光能量吸收系数的差别，使基底物质与表面污物吸收能量产生热膨胀，从而克服基底对污染物的吸附力而脱落；2)分子的光分解或相变，即在瞬间使污垢分子或使人为涂上的辅助液膜汽化、分解、蒸发或爆沸，使表面污垢松散并随此作用脱离基底表面；3)激光脉冲的冲击振动效应，利用高频率的脉冲激光辐照待清洗表面，使光束转变为声波产生共振使污垢层或凝结物振动碎裂。

现有典型的激光清洗机尽管在激光器类型、激光参数、操作方法上存在差异，但其工作原理都是差不多的，主要都是利用脉冲或者连续激光作为单一能量场作用于对象表面，例如：2011年，中国工程物理研究院激光聚变研究中心公开号为CN102327885A，名称为《一种用于石质文物的便携式激光清洗机》的专利申请；2012年10月，长春理工大学研制的一种背带式18W全固态1064nm/532nm双波长激光清洗设备等，上述设备均主要针对表面油漆涂层和铁锈进行了清洗试验。，这就导致清洗效果和效率受到一定局限，同时清洗对象吸收激光能量产生的热效应后产生残余应力，可能会对清洗对象的相关性能造成影响，特别是当应力不均时，对性能影响较厉害。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种超声辅助激光表面清洗系统及其清洗方法，可以提高激光清洗效率，同时均话激光能量在清洗对象上的能量分布，降低对清洗对象的性能影响，保证其均一性。

其技术方案如下：

一种超声辅助激光表面清洗系统，其关键在于，激光工作机构，其用于发出激光并对清洗样品表面进行清洗；

超声振动机构，其用于产生超声振动并与激光一起同时作用于清洗样品；

控制器，其包括用于控制激光工作机构激光控制单元，以及用于控制超声振动机构的超声控制单元；

工作台，用于放置并固定清洗样品。

采用以上结构，使超声振动与激光同时作用到清洗样品上，对清洗样品实现共同清洗，并具有如下效果1)因为超声振动于机械波的一种，相当于对样品表面周围的空气产生强烈的搅拌作用，增加激光清洗区域的空气对流系数，降低样品表面的热量积累，防止样品表面过热；

2)超声振动与激光致冲击波相互作用产生干涉和谐振效应，提高了机械冲击作用，可增强清洗样品表面污染物颗粒的脱离过程，并避免污染物颗粒再次附着在清洗样品表面，进一步提高清洗效果；

3)超声振动可以减小或消除激光清洗过程中产生的基材内部应力，降低对清洗样品的力学性能的影响；

4)超声的振动作用等效于均化激光光斑作用在样品表面的能量分布，改善激光清洗样品表面质量的均一性；

5)超声波振动头与清洗样品直接接触并且保持有一定压力，相当于对样品表面起到了局部压紧的作用，可以保证激光清洗过程中光束始终处于最佳的作用距离，进一步提高了激光清洗的质量和均匀性；

且因为采用控制器对激光工作机构和超声振动机构集成控制，结构简化，有利于清洗操作；

作为优选：所述激光工作机构包括激光清洗主机和激光输出头，激光清洗主机与激光控制单元连接，激光清洗主机产生的激光经光纤传入激光输出头内，通过激光输出头作用于清洗样品的表面；

所述超声振动机构包括超声波激发器，以及与所述超声波激发器连接的超声波振动头，超声波激发器与超声控制单元连接，所述激光输出头与超声波振动头均竖向设置于工作台上方。

采用以上结构，最后相当于通过激光输出头与超声波振动头实现对清洗样品的作用，简化系统结构，降低占用空间。

作为优选：还包括夹持装置，所述夹持装置为机械手结构或位移模组结构，所述控制器还包括用于控制夹持装置的移动控制单元，所述激光输出头与超声波振动头竖直设置在所述夹持装置上。采用以上方案，通过夹持装置实现对激光输出头和超声波振动头的同步三向移动，即使超声振动头紧随激光的移动的路径垂直的对清洗样品表面施加超声波振动，且激光输出头与超声波振动头之间的相对距离，以及二者与清洗样品之间的距离始终保持相对一致，从而提高清洗质量的稳定均匀性。

作为优选：所述振动端子内设有接触式压力传感器，该接触式压力传感器用于感应监测振动端子作用于清洗样品上的压力，并反馈至移动控制单元。通过接触式压力传感器可以更好的接触振动段子作用到清洗样品上的压力，再通过反馈来实现实时调节，有利于保证清洗质量，且确保振动不会对清洗样品质量造成影响，提高系统可靠性。

作为优选：所述超声波振动头包括依次连接的换能器、变幅杆和振动端子，所述振动端子的末端装有滚珠，换能器与超声波激发器连接。采用以上方案，使振动段子与清洗样品之间近于点接触，更方便超声波振动头在样品表面的移动以及超声振动的传递，即通过滚珠可以提高超声能量的利用率。

作为优选：所述激光输出头包括呈中空结构的本体，该本体下方具有敞口的出射窗口；所述本体的上方一侧竖直设有准直镜单元，所述光纤的出射端与该准直镜单元连接，本体内在准直镜单元的出射光路上设有反射镜，本体内在反射镜的反射光路上设有振镜镜片，本体上设有驱动振镜镜片摆动的振镜电机，所述出射窗口与振镜镜片之间设有聚焦透镜单元。采用以上结构，可使光纤输出的具有较大发散角的激光束转变成线状光斑，再经聚焦透镜单元聚焦后再作用到清洗样品表面，简化了激光光路传递结构，使系统方便制造安装。

作为优选：本清洗系统还包括用于吸收清洗产生粉尘的吸尘装置，以及为清洗样品提供气体保护的保护气供应装置。通过吸尘装置可即使吸走清洗产生的粉尘，避免粉尘污染以及在样品表面的堆积，而保护气供应装置则可对需要进行保护的清洗样品表面实现气体保护，减少激光能量对清洗样品性能影响。

一种超声辅助激光表面清洗方法，其关键在于：采用上述超声辅助激光表面清洗系统，并按如下步骤进行：

S1:将清洗样品固定在工作台上；

S2：操纵移动控制单元，控制夹持装置使滚珠与清洗样品表面接触；

S3：操纵超声控制单元，使超声振动机构工作，并调整超声振动参数；

S4：操纵激光控制单元，使激光工作机构工作，并设置激光参数；

S5：通过移动控制单元设置移动参数，控制夹持装置按预设参数进行移动，对清洗样品开始表面清洗。

采用以上步骤对样品进行清洗，可提高清洗质量，同时防止热量在样品表面的积累，起到过热保护，同时可弱化激光对样品内部力学性能的影响，改善清洗样品表面的均一性。

为避免清洗过程中，滚珠对清洗样品的压力过小导致清洗样品自身振幅较大，其位置不稳定，或压力过大导致对清洗样品表面造成力学影响，所述步骤S2中滚珠与清洗样品的接触压力为0.05MPa-0.5MPa。

为了进一步提高清洗质量，所述步骤S4中，激光工作机构工作同时，启动吸尘装置，并使吸尘装置的吸嘴处于激光清洗表面的附近，可以有效防止清洗脱落的粉尘继续堆积在样品表面，或者粉尘扬起造成清洗现场污染。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上技术方案的超声辅助激光表面清洗系统及其清洗方法，通过将激光和超声振动同时作用到清洗样品表面，形成复合清洗技术，可有效防止激光清洗时产生热量在样品表面积累，防止表面过热，同时通过超声振动与激光致冲击波相互作用产生干涉和谐振效应，提高了机械冲击作用，从而提高清洗质量，超声振动有助于均化激光光斑作用在样品表面的能量分布，改善激光清洗表面质量的均一性，同时通过夹持装置可有效控制移动参数以超声振动头作用到样品表面的压力，进一步提高清洗质量和均匀性，对于激光清洗领域发展具有极大的开拓意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为激光输出头结构示意图；

图3为超声波振动头结构示意图；

图4为夹持装置结构示意图；

图5为清洗方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参考图1至图4所示的超声辅助激光表面清洗系统，主要包括激光工作机构、超声振动机构、夹持装置5，以及控制这三者的控制器8，和用于放置清洗样品A的工作台9，工作台9上配有固定夹具，可对清洗样品A同时进行夹持固定。

参考图1和图2，激光工作机构包括激光清洗主机1和激光输出头2，其中激光清洗主机为准连续或脉冲激光器，如Nd:YAG固体激光器、TEA CO2激光器、光纤激光器或半导体激光器等，激光输出最大功率为200W，激光频率范围为4-10kHz，输出光斑长度范围为2-5cm，清洗时参数可根据需要调节。

参考图1和图3，超声振动机构包括超声波激发器3和超声波振动头4，其中超声波振动头4包括依次组装的换能器40、变幅杆41和振动端子42，换能器40通过信号线缆与超声波激发器3连接，本实施例中，为了减少振动端子42与清洗样品的接触面，在振动端子42的末端通过轴承安装有滚珠43，并且可方便其移动，振动端子42内设有接触式压力传感器，其与滚珠43接触，能监控滚珠43所传递的压力并反馈。

换能器40是一种能量转换器件，可以实现电能、机械能或声能从一种形式的能量转换为另一种形式的能量。换能器40是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能，本发明中需要将电能转换为声能，所以实验选用工艺成熟、性能可靠的压电换能器，利用压电效应将电信号转化为机械振动，这种换能器电声转换效率高，制作方便、成本低，也不容易老化。

参考图1和图4，本实施例中，夹持装置5为可进行三向移动的位移模组结构，其包括立臂50，立臂50竖直设置于工作台9的一侧，且工作台9一侧对应立臂50的位置设有滑轨52，以及驱动立臂50沿滑轨52滑动的第一电机53，滑轨52与工作台9的长度方向平行，且立臂50的滑动行程覆盖整个工作台9的长度范围；

立臂50上活动设有横臂51，横臂51与立臂50呈90°夹角向外水平延伸，且横臂51位于工作台9的上方，并覆盖工作台9的宽度范围，立臂50上设有驱动横臂51沿立臂50高度方向竖直升降移动的第二电机54，其驱动结构，可以采用如立臂50与滑轨52之间的滑动配合结构，也可以采用电机驱动丝杆的结构完成；

横臂51上活动设有向外水平延伸的安装板55，安装板55位于工作台9的正上方，横臂51还设有驱动安装板55沿横臂51的长度方向移动的第三电机56，其移动范围覆盖工作台9宽度范围。

本发明中，激光输出头2和超声波振动头4均竖直安装在安装板55上，其中超声波振动头4的下端面低于激光输出头2的下端面，即当控制横臂51下降时，振动端子42的末端首先与清洗样品A接触，且夹持装置5移动范围可使激光输出头2出射的激光能清洗到清洗样品A的所有表面区域，同时超声波振动头4又不会与清洗样品A分离。

参考图1和图2，激光输出头2包括竖直设置呈中空柱状结构的本体20，本体20的顶部封闭，其底部开设有圆形出射窗口21，其顶部一侧设有准直镜单元22，准直镜单元22通过光纤10与激光清洗主机1连接；

本体20内在准直镜单元22的正下方(即其出射光路下方)设有反射镜23，本体20内在反射镜23的反射光路上设有振镜镜片24，本体20内设有驱动振镜镜片24摆动的振镜电机25，且振镜镜片24的振镜反射光路通过出射窗口21，同时在振镜镜片24与反射窗口21之间还设有聚焦透镜单元26；

激光清洗主机1内产生的激光耦合进入光纤10，将具有较大发散角的激光束传入准直镜单元22中，经过其准直作用变为平行激光束，平行激光束经过反射镜23的反射后到达振镜镜片24，振镜镜片24在振镜电机25的驱动下摆动，从而使振镜镜片24的反射光由圆形光斑变为线状光斑27，线状光斑27再经过聚集透镜单元26的聚焦之后经出射窗口21射出，作用到清洗样品A的表面。

为了方便使用者操作以及同时控制，本实施例之后控制器8内设有激光控制单元、超声控制单元以及移动控制单元，分别用于控制激光工作机构、超声振动机构和夹持装置5，通过各自对应的控制单元可以设置分别运行时的所需参数，即是将三者的控制部分集成安装到一个控制箱内，方便操作的同时还减少占用空间。

本系统还配置有吸尘装置6、保护气供应装置7以及水冷单元，当开始工作的时候，可将吸尘装置6的吸嘴60置于清洗位置附近，即可将清洗产生的粉尘迅速吸走，有利于观察清洗情况以及提高清洗质量。

本实施例中，保护气供应装置7的出气管直接接入激光输出头2内，因为本体20的顶部封闭，气体只能跟出射激光一起从出射窗口21处喷出，作用于清洗位置附近，这样能更好地在清洗样品A的表面形成气体保护，从而减弱激光对清洗样品A的性能影响，同时还可在出射窗口21附近形成正压，保证出射窗口21的洁净；水冷单元则主要用于对激光清洗主机1、光线10等外部进行水冷降温，避免工作温度过高而缩短使用寿命。

参考图1至图5，采用超声辅助激光表面清洗系统进行清洗的清洗方法主要有如下几个步骤，第一步，将清洗样品A固定在工作台9上，并对其进行夹持固定，确保其即使在外力作用下也不会发生长度方向和宽度方向的位移。

第二步，通过控制器8上的移动控制单元，控制夹持装置5，使滚珠43与清洗样品A接触，且最好处于边角位置，方便后续清洗，当滚珠43与清洗样品接触时，通过移动控制单元观察接触式压力传感器反馈的压力参数，确保压力参数值在0.05MPa-0.5MPa范围之内，通过第二电机54调整横臂51的高度，即可改变压力值。

第三步，启动超声控制单元，并根据清洗样品A的材质调整超声振动参数，如振动功率、频率和时间等，其频率最好在20-50kHz范围内，设置完成后即可使超声振动机构按参数开始工作，产生超声振动作用到清洗样品A上。

第四步，启动激光控制单元，并预设激光参数，主要有激光输出功率、激光频率和光斑长度等，设置完成之后，使激光工作机构开始工作，出射激光作用到清洗样品A时。

第五步，确保超声振动机构和激光工作机构均已经工作后，再次通过移动控制单元设置夹持装置5的移动参数，主要有移动速度和范围等。

在清洗同时，打开水冷单元，对各部件进行外部水冷，启动吸尘装置6，并将其吸嘴60置于清洗表面附近进行粉尘吸收清理，对需要进行气体保护的的样品，则启动保护气供应装置7。

本实施例中，以清洗样品A为6000系列铝合金(6061)，待去除涂层为厚度50-100um的黑色油漆层，则在设置参数时可参照如下参数：激光输出功率为150W，激光频率为10kHz，输出光斑长度为3cm，输出镜焦距为75mm。安装板55的移动速度为5cm/s，立臂50的移动速度为2cm/s，不使用保护气体，超声振动头4的作用压力为0.2MPa，超声振动频率为28kHz，超声波发生器输出功率为400W。

激光清洗流程结束后，先通过控制器8关闭超声振动机构和激光工作机构，在观察清洗样品A表面附近基本无粉尘之后，再关闭吸尘装置6。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超声辅助激光表面清洗方法，采用超声辅助激光表面清洗系统，其特征在于，超声辅助激光表面清洗系统包括：

激光工作机构，其用于发出激光并对清洗样品表面进行清洗；

超声振动机构，其用于产生超声振动并与激光一起同时作用于清洗样品；

控制器（8），其包括用于控制激光工作机构激光控制单元，以及用于控制超声振动机构的超声控制单元；

工作台（9），用于放置并固定清洗样品；

所述激光工作机构包括激光清洗主机（1）和激光输出头（2），激光清洗主机（1）与激光控制单元连接，激光清洗主机（1）产生的激光经光纤（10）传入激光输出头（2）内，通过激光输出头（2）作用于清洗样品的表面；

所述超声振动机构包括超声波激发器（3），以及与所述超声波激发器（3）连接的超声波振动头（4），超声波激发器（3）与超声控制单元连接，所述激光输出头（2）与超声波振动头（4）均竖向设置于工作台（9）上方；

还包括夹持装置（5），所述控制器（8）还包括用于控制夹持装置（5）的移动控制单元，所述激光输出头（2）与超声波振动头（4）竖直设置在所述夹持装置（5）上；

所述激光清洗主机（1）为准连续或脉冲激光器，激光输出最大功率为200W，激光频率范围为4-10kHz，输出光斑长度范围为2-5cm；所述夹持装置（5）为位移模组结构，其包括立臂（50），立臂（50）竖直设置于工作台（9）的一侧，且工作台（9）一侧对应立臂（50）的位置设有滑轨（52），以及驱动立臂（50）沿滑轨（52）滑动的第一电机（53），滑轨（52）与工作台（9）的长度方向平行，且立臂（50）的滑动行程覆盖整个工作台（9）的长度范围；

所述立臂（50）上活动设有横臂（51），横臂（51）与立臂（50）呈90°夹角向外水平延伸，且横臂（51）位于工作台（9）的上方，并覆盖工作台（9）的宽度范围，立臂（50）上设有驱动横臂（51）沿立臂（50）高度方向竖直升降移动的第二电机（54）； 所述横臂（51）上活动设有向外水平延伸的安装板（55），安装板（55）位于工作台（9）的正上方，横臂（51）还设有驱动安装板（55）沿横臂（51）的长度方向移动的第三电机（56），其移动范围覆盖工作台（9）宽度范围；

所述超声波振动头（4）包括依次连接的换能器（40）、变幅杆（41）和振动端子（42），所述振动端子（42）的末端装有滚珠（43），换能器（40）与超声波激发器（3）连接；所述振动端子（42）内设有接触式压力传感器，该接触式压力传感器用于感应监测振动端子（42）作用于清洗样品上的压力，并反馈至移动控制单元；

所述激光输出头（2）和超声波振动头（4）均竖直安装在安装板（55）上，其中超声波振动头（4）的下端面低于激光输出头（2）的下端面，即当控制横臂（51）下降时，振动端子（42）的末端首先与清洗样品接触，且夹持装置（5）移动范围能够使激光输出头（2）出射的激光能清洗到清洗样品的所有表面区域，同时超声波振动头（4）又不会与清洗样品分离； 激光输出头（2）包括竖直设置呈中空柱状结构的本体（20），本体（20）的顶部封闭，其底部开设有圆形出射窗口（21），其顶部一侧设有准直镜单元（22），准直镜单元（22）通过光纤（10）与激光清洗主机（1）连接；

本体（20）内在准直镜单元（22）的正下方设有反射镜（23），本体（20）内在反射镜（23）的反射光路上设有振镜镜片（24），本体（20）内设有驱动振镜镜片（24）摆动的振镜电机（25），且振镜镜片（24）的振镜反射光路通过出射窗口（21），同时在振镜镜片（24）与反射窗口（21）之间还设有聚焦透镜单元26；

还包括用于吸收清洗产生粉尘的吸尘装置（6），以及为清洗样品提供气体保护的保护气供应装置（7），保护气供应装置（7）的出气管直接接入激光输出头（2）内；

并按如下步骤进行：

S1:将清洗样品固定在工作台（9）上；

S2：操纵移动控制单元，控制夹持装置（5）使滚珠（43）与清洗样品表面接触；

S3：操纵超声控制单元，使超声振动机构工作，并调整超声振动参数；操纵激光控制单元，使激光工作机构工作，并设置激光参数，使超声振动与激光同时作用到清洗样品上，对清洗样品实现共同清洗；

S4：通过移动控制单元设置移动参数，控制夹持装置（5）按预设参数进行移动，对清洗样品开始表面清洗。

2.根据权利要求1所述的超声辅助激光表面清洗方法，其特征在于：所述步骤S2中滚珠（43）与清洗样品的接触压力为0.05MPa-0.5MPa。

3.根据权利要求2所述的超声辅助激光表面清洗方法，其特征在于：所述步骤S3中，激光工作机构工作同时，启动吸尘装置（6），并使吸尘装置（6）的吸嘴（60）处于激光清洗表面的附近。