CN108031687A - 一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法及装置，包括步骤S1、准备待清洗材料，待清洗材料表面有膜层厚度为d0的氧化膜；步骤S2、将待清洗材料置于三维移动平台上，聚焦透镜的焦平面；步骤S3、调节激光光束方向，使其平行于待清洗材料表面的法线方向；步骤S4、设置激光参数，包括设置激光能量和确定激光搭接率；步骤S5、激光清洗待清洗材料：脉冲激光器发射脉冲激光，扫描待清洗材料表面，激光器发射的光束通过聚焦透镜后，被待清洗材料表面上的氧化膜所吸收，氧化膜的物质转化为急剧膨胀的等离子体，远离表面并被去除，同时产生冲击波，冲击波使氧化膜变成碎片后清除。实现铝合金氧化膜高效且有效的去除。

Description

一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法及装置
技术领域
本发明属于一种激光加工技术领域，尤其涉及一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗方法及装置。
背景技术
激光清洗技术是一种新型高效绿色清洗方法。我国存在着大量的清洗行业，清洗需求也与日俱增。传统清洗行业多是运用化学试剂或机械的方法对材料进行清洗。随着国家环保执法力度的加大，上述清洗方式的劣势逐渐暴露出来，而激光清洗所具有的污染小，材料损伤率低等优势是以上两种方法无法比拟的。
目前激光清洗技术逐渐在铝合金焊前准备阶段发挥了重要作用。现有公开专利中，CN 105772447 A提供了一种铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，根据待清洗表面的氧化膜的厚度，设定激光束的平均功率和清洗速度，达到焊前准备的要求。为了提高清洗效率，实现高效精密去除，目前激光清洗主要采用脉冲式激光器。由于不是连续出光，需要在清洗过程中考虑光斑间距即搭接率对清洗效果的影响：搭接率过高，易造成待清洗材料的二次氧化，反而达不到焊前准备要求；搭接率过低，清洗速度慢，而且氧化膜可能未完全清洗干净，上述激光清洗中出现的变量因素在现有专利中未有提及。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法及装置，该方法由于清洗过程中考虑搭接率对清洗效果的影响，通过选择合适的搭接率实现铝合金氧化膜高效且有效的去除，完成焊前准备要求。
本发明是通过一下技术手段实现上述技术目的的。
一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，包括以下步骤：
步骤S1、准备待清洗材料，待清洗材料为铝合金，待清洗材料表面有膜层厚度为d0的氧化膜；
步骤S2、将待清洗材料置于三维移动平台上，聚焦透镜的焦平面；
步骤S3、调节激光光束方向，使其平行于待清洗材料表面的法线方向；
步骤S4、设置激光参数，包括设置激光能量和确定激光搭接率：
①设置激光能量：根据氧化膜的膜厚度d0，选取待清洗材料的激光清洗功率J，此时J＝J0+ΔJ，J0为单次去除干净材料表面氧化层的激光清洗阈值功率，ΔJ为设置的激光清洗功率与激光清洗阈值功率的差值；根据激光与铝合金相互作用的理论分析和实验结果，要求0≤ΔJ<50×104W/cm2；
②确定激光搭接率：通过激光控制板设置激光的扫描速度ν和重复频率f，从而确定扫描激光搭接率D是激光光斑直径，d为相邻激光光斑中心之间的距离，
当ΔJ取值满足0≤ΔJ<50×104W/cm2条件时，激光搭接率η与ΔJ的关系可由下式表示，即η＝△J×10-7，激光清洗功率与激光清洗阈值功率的差值ΔJ的单位为W/cm2；
步骤S5、激光清洗待清洗材料：脉冲激光器发射脉冲激光，扫描待清洗材料表面，激光器发射的光束通过聚焦透镜后，能量更为集中，被待清洗材料表面上的氧化膜所吸收，氧化膜的物质转化为急剧膨胀的等离子体，远离表面并被去除，同时产生冲击波，冲击波使氧化膜变成碎片后清除。
优选地，所述待清洗材料选为目前轨道车辆常用的铝合金，即2xxx系列铝合金、5xxx系列铝合金、6xxx系列铝合金或7xxx系列铝合金等系列。
优选地，所述激光能量J＝J0，清洗效果最好。
优选地，所述扫描激光搭接率η＝0，减少清洗区域重复清洗，降低二次氧化几率。
优选地，所述激光光斑直径D范围为20μm≤D≤1000μm。
进一步的，所述激光光斑直径D＝50μm，能够有效集中能量，提高清洗质量。
优选地，所述激光重复频率2kHz≤f≤100kHz。
优选地，所述激光扫描速度1000mm/s＜v＜8000mm/s。
优选地，激光脉宽≤100ns。
本发明还提供一种实现所述高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗方法的装置，包括计算机、激光控制板、脉冲激光器、扫描振镜、聚焦透镜、氧化膜、待清洗材料、三维移动平台、三维移动平台控制板；所述扫描振镜、聚焦透镜位于所述脉冲激光器的光路上，所述待清洗材料为铝合金，所述氧化膜镀于待清洗材料上表面，所述待清洗材料置于三维移动平台上，所述激光控制板、三维移动平台控制板均与计算机相连；所述三维移动平台与三维移动平台控制板相连；所述激光控制板与脉冲激光器相连。
与现有技术相比，本发明所述一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗方法由于清洗过程中考虑搭接率对清洗效果的影响，通过公式选择合适的搭接率，具有：
①高质量：激光器发射的光束被铝合金表面上的氧化膜所吸收，考虑等离子体和冲击波综合作用去除表面氧化膜，选择合适的搭接率，氧化膜有效去除且未造成二次氧化，清洗后的铝合金表面质量高，易于焊接。
②高效率：搭接率与扫描速度有函数关系，而且清洗同样面积区域，扫描速度越快，清洗效率越高。选择合适的搭接率，不仅能够形成高质量的清洗表面，而且清洗效率更高，缩短作业时间。
附图说明
图1为本发明所述高效去氧化膜焊前激光清洗装置示意图；
图2为本发明所述氧化膜清除示意图；
图3为本发明所述搭接率的计算示意图，其中(a)中的d为相邻激光光斑中心之间的距离d，(b)中的D为光斑直径，(c)中的d-D为搭接部分纵向间距；
图4为本发明所述η＝0激光清洗氧化膜SEM图；
图5为本发明所述清洗材料在不同激光能量密度下材料表面时间-温度曲线；
图6为本发明所述η＝-5％不同激光能量铝合金表面氧含量测试示意图；
图7为本发明所述η＝-5％不同激光能量铝合金表面氧含量曲线图；
图8为本发明所述η＝5％激光清洗氧化膜表面显微形貌图。
图中：1-计算机；2-激光控制板；3-脉冲激光器；4-扫描振镜；5-聚焦透镜；6-氧化膜；7-待清洗材料；8-三维移动平台；9-三维移动平台控制板；10-激光光斑；11-脉冲光束。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示为本发明技术方案实施的激光清洗装置，包含计算机1、激光控制板2、脉冲激光器3、扫描振镜4、聚焦透镜5、氧化膜6、待清洗材料7、三维移动平台8、三维移动平台控制板9。所述扫描振镜4、聚焦透镜5位于所述脉冲激光器3的光路上，所述激光控制板2与脉冲激光器3相连，控制和调节脉冲激光器3的光束输出，所述待清洗材料7为铝合金，所述氧化膜6镀于待清洗材料7上表面，所述待清洗材料7置于三维移动平台8上，所述三维移动平台8与三维移动平台控制板9相连，所述待清洗材料7的位置参数由三维移动平台控制板9设置，所述激光控制板2、三维移动平台控制板9均与计算机1相连，计算机1用于控制和操作激光控制板2、三维移动平台控制板9。
本发明所述高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，所述脉冲激光器3发射出脉冲激光，经过扫描振镜4控制传输光束的扫描速度，然后经过聚焦透镜5，将脉冲激光会聚于上表面镀有氧化膜6的待清洗材料7上，如图2所示为本发明所述氧化膜清除示意图，待清洗材料7表面上的氧化膜6所大量吸收脉冲光束11的能量后，氧化膜6的物质转化为急剧膨胀的等离子体，远离待清洗材料7表面并被去除，同时产生冲击波，冲击波使激光光斑相邻的激光未作用区域的氧化膜6变成碎片后清除。
具体的，本发明所述高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，包括以下步骤：
步骤S1、准备表面有氧化膜6的待清洗材料7，氧化膜6的膜层厚度为d0；
步骤S2、将已有氧化膜6的待清洗材料7置于三维移动平台8上，通过计算机1控制三维移动平台控制板9，使待清洗材料7位于聚焦透镜5的焦距处，脉冲光束会聚于待清洗材料7的上表面；
步骤S3、通过扫描振镜4，调节激光光束方向，垂直于待清洗材料7的清洗表面；
步骤S4、设置激光参数：
①设置激光能量：根据氧化膜6膜厚度d0，选取待清洗材料7的激光清洗功率J，此时J＝J0+ΔJ，J0为单次去除干净材料表面氧化层的激光清洗阈值功率，ΔJ为设置的激光清洗功率与激光清洗阈值功率的差值；
激光清洗功率与激光清洗阈值功率的差值ΔJ主要作用于铝合金基体表面；ΔJ越高，铝合金表面的粗糙度越大，形成的凹坑深度越深，有利于焊接过程激光能量的吸收；实验发现当激光能量增大到一定程度时，表面的凹坑底部平坦，氧含量迅速增加，表明此时铝合金融化，形成新的氧化膜；为计算ΔJ值，根据材料表面温升模型公式：
其中，T(z,t)-材料表面温度；T0-初始温度；K-材料的导热系数；S-材料的截面积；z-热扩散深度；R-反射系数；P-脉冲功率；ierfc-高斯补误差函数的一次积分；αt-温升系数；tp-脉冲宽度；
取0≤ΔJ≤50×104W/cm2，材料属性选择为铝合金，计算并得出如图5所示的温升曲线，经查阅文献铝合金的熔点为660℃，当ΔJ＝50×104W/cm2时，铝合金表面已熔化，凹坑将会变得平坦，会有新的氧化膜产生。
因此，根据激光与铝合金相互作用的理论分析和实验结果，要求0≤△J<50×104W/cm2。
②确定激光搭接率：通过激光控制板2设置激光的扫描速度ν、重复频率f计算出扫描激光搭接率D是激光光斑直径，d为相邻激光光斑中心之间的距离。如图3为激光搭接率η、光斑直径D、相邻激光光斑中心之间的距离d之间的关系示意图，其中图3(a)中的d为相邻激光光斑中心之间的距离d，图3(b)中的D为光斑直径，图3(c)中的d-D为搭接部分纵向间距。
当0≤ΔJ<50×104W/cm2时，激光搭接率η＝△J×10-7，激光清洗功率与激光清洗阈值功率的差值ΔJ的单位为W/cm2。
步骤S5、激光清洗待清洗材料：脉冲激光器发射脉冲激光，扫描待清洗材料7表面，激光器发射的光束通过聚焦透镜5后，能量更为集中，被待清洗材料7表面上的氧化膜6所吸收，氧化膜6的物质转化为急剧膨胀的等离子体，远离表面并被去除，同时产生冲击波，冲击波使氧化膜6变成碎片后清除。
实施例1
选择待清洗材料7为6061铝合金，采用阳极氧化法中的硫酸阳极氧化，在铝合金表面镀上一层膜层厚度为d0＝4μm的氧化膜6，氧化膜6为Al2O3，将待清洗材料7置于三维移动平台8上，聚焦透镜5焦距处。通过扫描振镜4调节激光光束方向，使其平行于待清洗材料7铝合金上表面的法线方向。
根据氧化膜6膜层厚度，测得激光清洗阈值功率为J0＝15W，通过激光控制板设置激光清洗功率为J0，取△J＝0，由η＝△J×10-7计算得η＝0，由于D＝50μm，f＝100kHz，根据设置出扫描速度ν＝5000mm/s。
如图2所示，脉冲激光器3发射脉冲激光，扫描铝合金上表面，脉冲激光器3发射的光束通过聚焦透镜5，被铝合金表面上的氧化膜6所吸收，大能量的吸收形成急剧膨胀的等离子体，产生冲击波使氧化膜6变成碎片并被清除。
如图4所示η＝0激光清洗铝氧化膜SEM图，从图中发现激光光斑大小相同，说明在清洗过程中，光束质量高，未受到清洗环境的影响；激光作用区域，氧含量为0说明氧化膜已彻底清除，且未生成新的氧化层，达到焊前准备要求。
实施例2
上述准备待清洗材料7过程不变，待清洗材料7仍选择6061铝合金，膜层厚度为d0＝4μm。通过激光控制板2设置激光能量J＝15W、20W、25W分别作用于铝合金表面，f＝100kHz，η＝-5％，由于D＝50μm，根据因此扫描速度ν＝4750mm/s。
清洗完后，采用如图6所示η＝-5％不同激光能量铝合金表面氧含量测试示意图，A点是激光光斑的中心，B点是相邻光斑中心，测试方向是从A点至B点。结果如图7所示η＝-5％不同激光能量铝合金表面氧含量曲线图，由图可知，当J＝15W时，在光斑搭接处，氧含量高于两侧，而且随着激光能量的增加，搭接处的氧含量逐渐升高，二次氧化程度逐渐加深，清洗效果差。
实施例3
材料与上两个实施例相同。通过激光控制板2设置激光能量J＝25W作用于铝合金表面，f＝100kHz，取△J＝50×104W/cm2，由η＝△J×10-7计算得η＝5％，由于D＝50μm，根据因此扫描速度ν＝5250mm/s。如图8所示为本发明所述η＝5％激光清洗氧化膜表面显微形貌图。从图中发现激光作用区域，氧含量为0说明氧化膜已彻底清除，且未生成新的氧化层；相邻两激光光斑未作用区域的氧含量也为0，说明氧化膜也被清除，同样达到焊前准备要求。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、准备待清洗材料(7)，待清洗材料(7)为铝合金，待清洗材料(7)表面有膜层厚度为d0的氧化膜(6)；
步骤S2、将待清洗材料(7)置于三维移动平台(8)上，聚焦透镜的焦平面；
步骤S3、调节激光光束方向，使激光光束平行于待清洗材料(7)表面的法线方向；
步骤S4、设置激光参数，包括设置激光能量和确定激光搭接率，其中设置激光能量：根据氧化膜(6)的膜层厚度d0，选取待清洗材料(7)的激光清洗功率J，此时J＝J0+ΔJ，J0为单次去除干净材料表面氧化层的激光清洗阈值功率，ΔJ为设置的激光清洗功率与激光清洗阈值功率的差值，且0≤ΔJ<50×104W/cm2；
确定激光搭接率：通过激光控制板(2)设置激光的扫描速度ν和重复频率f，确定扫描激光搭接率D是激光光斑直径，d为相邻激光光斑中心之间的距离；
当ΔJ取值满足条件0≤ΔJ<50×104W/cm2时，激光搭接率η与ΔJ的关系为:η＝△J×10-7；
步骤S5、激光清洗待清洗材料：脉冲激光器(3)发射脉冲激光扫描待清洗材料(7)表面，脉冲激光器(3)发射的光束通过聚焦透镜(5)后，被待清洗材料(7)表面上的氧化膜(6)所吸收，氧化膜(6)的物质转化为急剧膨胀的等离子体，远离表面并被去除，同时产生冲击波，冲击波使氧化膜(6)变成碎片后清除。
2.根据权利要求1所述的一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，其特征在于，所述待清洗材料(7)为2xxx系列铝合金、5xxx系列铝合金、6xxx系列铝合金或7xxx系列铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，其特征在于，所述激光能量J＝J0。
4.根据权利要求3所述的一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，其特征在于，所述扫描激光搭接率η＝0。
5.根据权利要求4所述的一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，其特征在于，所述激光光斑直径D范围为20μm≤D≤1000μm。
6.根据权利要求5所述的一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，其特征在于，所述激光光斑直径D＝50μm。
7.根据权利要求1所述的一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，其特征在于，所述激光重复频率2kHz≤f≤100kHz。
8.根据权利要求1所述的一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，其特征在于，所述激光扫描速度1000mm/s＜v＜8000mm/s。
9.根据权利要求1所述的一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，其特征在于，激光脉宽≤100ns。
10.一种实现权利要求1所述高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗方法的装置，其特征在于，包括计算机(1)、激光控制板(2)、脉冲激光器(3)、扫描振镜(4)、聚焦透镜(5)、氧化膜(6)、待清洗材料(7)、三维移动平台(8)和三维移动平台控制板(9)；
所述扫描振镜(4)、聚焦透镜(5)位于所述脉冲激光器(3)的光路上，所述氧化膜(6)镀于待清洗材料(7)上表面，所述待清洗材料(7)置于三维移动平台(8)上，所述激光控制板(2)、三维移动平台控制板(9)分别与计算机(1)相连；所述三维移动平台(8)与三维移动平台控制板(9)相连；所述激光控制板(2)与脉冲激光器(3)相连。
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