CN109226095A - 一种基于应力叠加作用的高效激光清洗装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于应力叠加作用的高效激光清洗装置及方法，包括脉冲激光发生装置、振动台和控制集成系统；所述振动台上放置工件，所述脉冲激光发生装置输出纳秒激光束，且纳秒激光束射入所述工件表面；所述控制集成系统连接振动台和脉冲激光发生装置。所述脉冲激光发生装置包括纳秒脉冲激光器、反光镜Ⅰ、反光镜Ⅱ、反光镜Ⅲ、和高速振镜；所述控制集成系统控制纳秒脉冲激光器输出纳秒激光束，所述纳秒激光束依次经过反光镜Ⅰ、反光镜Ⅱ、反光镜Ⅲ和高速振镜后射入所述工件表面。本发明可以通过热影响区内的热应力与振动应力叠加，促进热影响区内裂纹的快速萌生与扩展进而迅速剥落，有效增加了激光清洗效率。

Description

一种基于应力叠加作用的高效激光清洗装置及方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种基于应力叠加作用的高效激光清洗装置及方法。
背景技术
相对手工打磨、化学清洗等传统表面清洗方法，激光清洗技术在清洗速度、清洗质量、清洗成本以及环保程度等方面具有显著优势，在航空、轮船、汽车、轨道交通等领域特殊零件表面的锈蚀、颗粒、油漆去除方面表现出广阔的应用前景。
传统激光清洗技术主要利用激光产生的热效应去除材料。例如：专利公开号为CN108212947A的专利申请提出了一种激光清洗工艺，采用脉冲激光器，在离焦平面位置进行激光扫描，在不损伤贴装板基底材料的同时清除焊接加热过程中残留的焊料球，阻焊剂等杂物，该专利具有无接触加工、避免机械变形、对非激光照射部位没有或者影响极小、质量稳定可靠等优点；专利公开号为CN 107121398A的专利申请，公开了一种激光清洗能量的确定方法及装置、激光清洗方法及系统，根据清洗过程中待清洗层元素特征谱线的的强度和失真度信息确定激光清洗能量，该发明能够高效地自动选择合适的激光清洗能量可靠地进行清洗；专利公开号为CN 106493122A的专利申请，公开了一种零件的激光精密清洗装置及方法，以三维动态聚焦扫描系统获得的精细加工层数据对零件的特定区域进行精细化清洗，该方法可以提高清洗效率，可以获得良好的清洗效果，并能够对特殊结构零件进行仿形清洗；专利公开号为CN107321720A的专利申请提供了一种高效率激光清洗技术：首先通过将水相的分散剂和油相的其他助剂充分结合后制得的热膨胀微胶囊，然后加入预处理过的清洗物件表面的混合液膜，经激光照射后，微胶囊的外壳受热软化，发泡剂逸出，迅速产生爆炸性的气化，使得基底表面的污染物松散而脱离物件表面，从而显著提高了激光清洗的效率。但是，上述激光清洗方法主要利用激光单一能场产生的热效应去除表面材料或者污物，清洗效率受激光功率极限以及材料热力学参数的限制，难以满足航空器以及船舶表面大面积、快速清洗的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了基于应力叠加作用的高效激光清洗装置及方法，通过热影响区内的热应力与振动应力叠加，促进热影响区内裂纹的快速萌生与扩展进而迅速剥落，有效增加了激光清洗效率。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于应力叠加作用的高效激光清洗装置，包括脉冲激光发生装置、振动台和控制集成系统；所述振动台上放置工件，所述脉冲激光发生装置输出纳秒激光束，且纳秒激光束射入所述工件表面；所述控制集成系统连接振动台和脉冲激光发生装置。
进一步，所述脉冲激光发生装置包括纳秒脉冲激光器、反光镜Ⅰ、反光镜Ⅱ、反光镜Ⅲ、和高速振镜；所述控制集成系统控制纳秒脉冲激光器输出纳秒激光束，所述纳秒激光束依次经过反光镜Ⅰ、反光镜Ⅱ、反光镜Ⅲ和高速振镜后射入所述工件表面。
进一步，所述反光镜Ⅰ、反光镜Ⅲ和高速振镜分别设有移动装置，所述控制集成系统控制移动装置，用于纳秒激光束在所述工件表面移动。
进一步，所述振动台上分别设有加速度传感器和光强检测传感器，所述加速度传感器用于检测机械振动的振幅与频率；所述光强检测传感器用于测试激光的出光频率。
进一步，所述控制集成系统分别接收加速度传感器和光强检测传感器输出的信号，所述控制集成系统通过闭合控制所述振动台，使所述振动台的振动频率和所述纳秒激光束的出光频率相同。
进一步，所述控制集成系统包括运动控制模块、振动台控制模块、信号同步检测模块和激光器控制模块；所述振动台控制模块用于控制所述振动台产生的振动位移与频率大小；所述运动控制模块用于控制移动装置运动；所述激光器控制模块用于控制纳秒脉冲激光器输出纳秒激光束；所述信号同步检测模块接收加速度传感器和光强检测传感器输出的信号，所述信号同步检测模块、振动台控制模块和加速度传感器形成闭环控制，使所述振动台的振动频率和所述纳秒激光束的出光频率相同。
一种基于应力叠加作用的高效激光清洗装置的方法，包括如下步骤：
纳秒激光束的射入：所述激光器控制模块控制纳秒脉冲激光器输出纳秒激光束，所述运动控制模块控制反光镜Ⅰ和反光镜Ⅲ运动，使纳秒激光束在所述工件表面移动，使表面迅速升温，激光热量在工件表面不断累积形成热影响区，且热影响区内温度变化周期与激光加载周期一致；
施加机械振动：所述振动台控制模块控制所述振动台对所述工件施加振动，使热影响区内的热应力与振动应力叠加。
进一步，所述纳秒激光束参数为脉冲宽度10～100ns，出光频率5K～100KHz，激光功率10～500W。
进一步，所述纳秒激光束的出光频率与所述振动台的振动频率相同；所述振动台的振动幅值为0.05～50μm。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗装置，通过热影响区内的热应力与振动应力叠加，促进热影响区内裂纹的快速萌生与扩展进而迅速剥落，有效增加了激光清洗效率。
2.本发明所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗方法，可以显著提高激光清洗效率，同时激光参数与振动参数可实现高精度控制，自动化程度高、加工成本低。
3.本发明所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗装置及方法，操作简单，加工成本低，加工过程绿色环保。
4.本发明所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗装置，现有技术中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。首先，现有技术中超声振动主要用于防止激光清洗时产生的热量积累，而本发明则是利用机械振动导致的应力与激光导致的热应力叠加促进热影响区材料快速剥落，因此本发明与现有技术在技术原理上有本质区别。其次，现有技术中超声振动的频率无需与激光出光频率相同，而本发明必须要求机械振动频率与激光出光频率相同，因此本发明与现有技术在技术方法与技术条件上有显著不同。再次，现有技术通过将激光和超声振动结合实现表面清洗质量的增加，但无法保证清洗效率的增加；而本发明通过促进热影响区材料快速剥落可以实现清洗效率的增加，因此本发明与现有技术在技术效果上也存在显著差异。
附图说明
图1为本发明所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗装置示意图。
图2为本发明所述的激光清洗的蚀除层区域。
图3为本发明所述的激光热应力与机械振动应力叠加前后的材料内应力曲线。
图4为本发明所述的应力叠加作用下热影响区剥落示意图。
图5为本发明所述的施加振动后蚀除层增加。
图中：
1-纳秒脉冲激光器；2-运动控制模块；3-反光镜Ⅰ；4-反光镜Ⅱ；5-反光镜Ⅲ；6-高速振镜；7-加速度传感器；8-工件；9-光强检测传感器；10-振动台；11-振动台控制模块；12-信号同步检测模块；13-激光器控制模块；14-计算机；15-控制集成系统。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗装置，包括脉冲激光发生装置、振动台10和控制集成系统15；所述振动台10上放置工件8，所述脉冲激光发生装置包括纳秒脉冲激光器1、反光镜Ⅰ3、反光镜Ⅱ4、反光镜Ⅲ5、和高速振镜6；所述控制集成系统15控制纳秒脉冲激光器1输出纳秒激光束，所述纳秒激光束依次经过反光镜Ⅰ3、反光镜Ⅱ4、反光镜Ⅲ5和高速振镜6后射入所述工件8表面。所述振动台10上分别设有加速度传感器7和光强检测传感器9，所述加速度传感器7用于检测机械振动的振幅与频率；所述光强检测传感器9用于测试激光的出光频率。所述控制集成系统15分别接收加速度传感器7和光强检测传感器9输出的信号，所述控制集成系统15通过闭合控制所述振动台10，使所述振动台10的振动频率和所述纳秒激光束的出光频率相同。
反光镜Ⅰ3、反光镜Ⅲ5和高速振镜6分别设有移动导轨，所述控制集成系统15控制导轨，用于使纳秒激光束在所述工件8表面移动。反光镜Ⅰ3与反光镜Ⅲ5通过移动导轨可以实现水平Y方向的同步移动，反光镜Ⅲ5通过移动导轨可以实现水平X方向移动，高速振镜6通过移动导轨可以实现纳秒激光束在扫描区域内沿X、Y方向快速扫描。
所述控制集成系统15包括运动控制模块2、振动台控制模块11、信号同步检测模块12和激光器控制模块13；所述振动台控制模块11用于控制所述振动台10产生的振动频率大小；所述运动控制模块2用于控制移动装置运动；所述激光器控制模块13用于控制纳秒脉冲激光器1输出纳秒激光束；所述信号同步检测模块12接收加速度传感器7和光强检测传感器9输出的信号，所述信号同步检测模块12、振动台控制模块11和加速度传感器7形成闭环控制，通过信号同步检测模块12对比分析振动频率与激光出光频率是否相同，当振动频率与激光出光频率不相同时，所述振动台控制模块11调整所述振动台10的振动频率大小，使所述振动台10的振动频率和所述纳秒激光束的出光频率相同。所述控制集成系统15可以连接计算机14或者连接工控机，用于实现远程操控。
如图2-图5所示，本发明所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗方法，以45#钢的表面除锈为例，使用固定频率的纳秒激光束辐照45#钢表面，使其迅速升温，激光热量在45#钢表面不断累积形成热影响区，且热影响区内温度变化周期与激光加载周期一致，图2中为激光清洗的蚀除层区域。在使用激光束辐照的同时，对材料施加机械振动，如图4所示，使热影响区内的热应力与振动应力叠加，促进热影响区内裂纹的快速萌生与扩展进而迅速剥落，有效增加了激光清洗效率。图5可以看出施加振动后，激光清洗的蚀除层区域较施加振动前大幅增加。其中，纳秒激光束参数为脉冲宽度100ns，出光频率80KHz，激光功率100W。激光出光频率与振动频率相同，以保证热影响区内的热应力与振动应力叠加，振动幅值为0.1μm。
根据材料不同和清洗的材质不同，所述纳秒激光束参数为脉冲宽度10～100ns，出光频率5K～100KHz，激光功率10～500W。所述纳秒激光束的出光频率与所述振动台10的振动频率相同；所述振动台10的振动幅值为0.05～50μm。
相同激光参数下，传统激光清洗技术单道扫描后材料的去除深度约为0.020mm，本发明方法单道激光清洗后的材料去除深度约为0.051mm，说明本发明方法有效提高了激光清洗效率。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于应力叠加作用的高效激光清洗装置，其特征在于，包括脉冲激光发生装置、振动台(10)和控制集成系统(15)；所述振动台(10)上放置工件(8)，所述脉冲激光发生装置输出纳秒激光束，且纳秒激光束射入所述工件(8)表面；所述控制集成系统(15)连接振动台(10)和脉冲激光发生装置。
2.根据权利要求1所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗装置，其特征在于，所述脉冲激光发生装置包括纳秒脉冲激光器(1)、反光镜Ⅰ(3)、反光镜Ⅱ(4)、反光镜Ⅲ(5)、和高速振镜(6)；所述控制集成系统(15)控制纳秒脉冲激光器(1)输出纳秒激光束，所述纳秒激光束依次经过反光镜Ⅰ(3)、反光镜Ⅱ(4)、反光镜Ⅲ(5)和高速振镜(6)后射入所述工件(8)表面。
3.根据权利要求2所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗装置，其特征在于，所述反光镜Ⅰ(3)、反光镜Ⅲ(5)和高速振镜(6)分别设有移动装置，所述控制集成系统(15)控制移动装置，用于纳秒激光束在所述工件(8)表面移动。
4.根据权利要求1所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗装置，其特征在于，所述振动台(10)上分别设有加速度传感器(7)和光强检测传感器(9)，所述加速度传感器(7)用于检测机械振动的振幅与频率；所述光强检测传感器(9)用于测试激光的出光频率。
5.根据权利要求4所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗装置，其特征在于，所述控制集成系统(15)分别接收加速度传感器(7)和光强检测传感器(9)输出的信号，所述控制集成系统(15)通过闭合控制所述振动台(10)，使所述振动台(10)的振动频率和所述纳秒激光束的出光频率相同。
6.根据权利要求5所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗装置，其特征在于，所述控制集成系统(15)包括运动控制模块(2)、振动台控制模块(11)、信号同步检测模块(12)和激光器控制模块(13)；所述振动台控制模块(11)用于控制所述振动台(10)产生的振动位移与频率大小；所述运动控制模块(2)用于控制移动装置运动；所述激光器控制模块(13)用于控制纳秒脉冲激光器(1)输出纳秒激光束；所述信号同步检测模块(12)接收加速度传感器(7)和光强检测传感器(9)输出的信号，所述信号同步检测模块(12)、振动台控制模块(11)和加速度传感器(7)形成闭环控制，使所述振动台(10)的振动频率和所述纳秒激光束的出光频率相同。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
纳秒激光束的射入：所述激光器控制模块(13)控制纳秒脉冲激光器(1)输出纳秒激光束，所述运动控制模块(2)控制反光镜Ⅰ(3)和反光镜Ⅲ(5)运动，使纳秒激光束在所述工件(8)表面移动，使表面迅速升温，激光热量在工件(8)表面不断累积形成热影响区，且热影响区内温度变化周期与激光加载周期一致；
施加机械振动：所述振动台控制模块(11)控制所述振动台(10)对所述工件(8)施加振动，使热影响区内的热应力与振动应力叠加。
8.根据权利要求7所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗方法，其特征在于，所述纳秒激光束参数为脉冲宽度10～100ns，出光频率5K～100KHz，激光功率10～500W。
9.根据权利要求7所述的基于应力叠加作用的高效激光清洗方法，其特征在于，所述纳秒激光束的出光频率与所述振动台(10)的振动频率相同；所述振动台(10)的振动幅值为0.05～50μm。
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Meng Xiankai

Inventor after: Guo Weicheng

Inventor after: Zhou Jianzhong

Inventor after: Wu Zhongjun

Inventor after: Sun Qi

Inventor after: Huang Shu

Inventor after: Su Chun

Inventor after: Xu Jiale

Inventor after: Li Jing

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GR01 Patent grant
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