CN109226098A - 一种激光清洗原位电沉积装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光清洗原位电沉积装置及方法，其装置包括：激光器模块、机械臂模块、光能传输模块、扫描清洗模块、电沉积模块、控制模块。所述机械臂模块为设备主体，调节加工头位置；扫描清洗模块设置加工头内，输出激光照射在工件上，实现对工件的清洗；电沉积模块包括溶液传递、电能供给、溶液回收等部分，在激光清洗后对工件进行电沉积。本发明的特点在于：采用激光清洗作为电沉积前处理工艺，能使清洗到电沉积快速对接，减少氧化和二次污染。根据激光参数的不同，低功率为激光清洗，高功率为激光毛化。

Description

一种激光清洗原位电沉积装置及方法
技术领域
本发明属于电沉积设备范围，具体涉及激光清洗原位电沉积装置及方法。
背景技术
激光被用于清洗污物的开创性试验，是上个世纪Asmus等人利用脉冲激光清洗大理石完成的。进入新世纪后，激光清洗逐渐成为清洗行业的绿色清洗创新方向，其无应力、无污染、便携等优点慢慢被传统清洁工业重视并实践。轮船外船体、桥梁钢架结构等长期受到水汽侵蚀，需要定期进行锈蚀清除和重新涂装，行业普遍采用湿式喷沙清洗和喷漆涂装的方式，湿式喷砂有大量用水、噪声污染、粉尘污染等缺点；喷漆涂装在结合强度、耐腐蚀耐高温性能等方面都不如电沉积，但由于船体较大，不方便使用传统电沉积技术。本专利采用激光清洗复合喷射电沉积的方式进行清洁基底和涂装；激光清洗是喷砂清洗的完美替代方案，喷射电沉积解除了电解液浸没镀件的尺寸限制，使大型件如轮船、桥梁、飞机等能够进行电沉积工艺。
目前的电沉积设备主要以电沉积槽浸没被沉积材料的方式进行电沉积，如专利CN102459714 A-“电沉积设备”、CN 105463556 A-“电沉积设备”。这些专利以电沉积中小型件为主，对于大型构件无能为力。而对于大型构件的电沉积，适当的预处理非常重要，以激光清洗代替喷砂清洗对表面附着的锈蚀进行清除，在自然氧化前进行电沉积。在此背景下，我们完成了本发明，研制出一种激光清洗复合喷射电沉积设备。
本发明涉及一种激光清洗原位电沉积装置及方法，其特征在于包括：激光器模块、机械臂模块、光能传输模块、扫描清洗模块、电沉积模块、控制模块。所述机械臂模块为设备主体，调节加工头位置；扫描清洗模块设置加工头内，输出激光照射在工件上，实现对工件的清洗；电沉积模块包括溶液传递、电能供给、溶液回收等部分，在激光清洗后对工件进行电沉积；本发明的特点在于：采用激光清洗作为电沉积前处理工艺，具有绿色高效的特点，加上光纤的柔性传输优势，可以有效整合为一体机，能使清洗到电沉积快速对接，减少氧化和二次污染。
发明内容
本发明目的是针对现有的清洗方法和电沉积设备难以加工的大型件，设计的一种一体化清洗复合电沉积加工的设备。
本发明提供的激光清洗原位电沉积装置及方法，装置运行过程如下：
机械臂调节至加工位置，通过激光器模块产生短脉冲激光，经过光能传输模块，输出激光束对工件进行清洗，利用激光热效应和热致应力效应清除工件表面锈层，漆层，结石等，作为电沉积的前处理工艺。根据激光功率的不同，分为激光清洗工艺(低功率)，只清除污染物，不对基底造成形变；激光毛化工艺(高功率)，清除污染物，并使基底形成规则的微观织构。之后关闭激光器，在原有位置利用电沉积模块对工件进行喷射电沉积工艺，使工件表面均匀附着一层金属或合金组织。再次调用机械臂模块，调整至下一个加工位置，进行定位→激光清洗→喷射电沉积→定位的循环过程，完成大型件的从清洗到电沉积的全过程工艺。
本发明的有益效果：
本发明提出的激光清洗作为电沉积前处理工艺方法，能有效减少传统方法的水资源浪费和环境污染，是一种绿色清洗方案。本发明的另一个优点在于，本发明提出的分块加工工艺，可以适应大型件如船舶、桥梁等。本发明的又一个优点在于，本发明提出的激光清洗原位电沉积工艺方法，可以有效减少清洗后的氧化程度，提高沉积层与基底的结合强度。
附图说明
图1为本发明提供的激光清洗原位电沉积设备的原理图。其中：1-激光器模块；2-机械臂模块；3-光能传输模块；4-扫描清洗模块；5-电沉积模块；6-控制模块；7-工件。
图2为机械臂的结构简图。其中：C1-底座；C2-水平旋转平台；C3-第一臂节；C4-第二臂节；C5-加工头。
图3为电沉积模块的结构简图。其中：B1-加热器；B2-储液腔；B3-液泵；B4-液阀；B8-集液器。
图4为本发明提供的加工头(C5)的装置图。其中：A1-光纤；A2-光纤头；A3-第二光束耦合透镜组；A4-振镜系统；A5-聚焦透镜组；A6-防尘盖；B5-导管；B6-阳极腔；B7-喷口。
具体实施方式
下面将结合附图对设备和工艺方法进行说明。使相关工程人员能够理解设备的运转方法和加工原理。虽然公开了设备的优选组成，但不能以此决定本发明的保护范围。以本发明的核心方法和加工原理为实质作的等效变换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
启动设备由控制模块6进行各部件自检，运行电沉积模块5的加热器B1进行溶液预热。
导入工件信息，进行路径分析，参数调节。
启动机械臂模块2，根据路径分析进行位置调节。
水平旋转平台C2相对底座C1进行绕z轴旋转，带动C3，C4，C5一起运动。然后第一臂节C3相对水平旋转平台C2进行绕y轴旋转，带动C4，C5一起运动。然后第二臂节C4相对第一臂节C3进行绕y轴旋转，带动C5一起运动。最后加工头C5相对第二臂节C4进行绕y轴旋转。最终使加工头位置和朝向达到设定位置。
由激光器模块1产生激光，激光通过光能传输模块3进行柔性传输，达到扫描清洗模块4，对工件进行线性扫描。不同的工艺参数会对工件造成不同的工艺效果，低能量密度时为激光清洗工艺，不对工件造成损伤；高能量密度时为激光织构工艺，对工件表面进行微熔重构。具体工艺参数包括：输出功率、扫描间距、扫描速度、入射角、离焦量、光斑直径。
所述扫描清洗模块4包括：振镜系统A4和聚焦透镜组A5；所述振镜系统A4接收通过第二光束耦合透镜组A3的激光，通过振镜角度的调节使激光按照控制系统的要求对工件7表面进行线性扫描，清除工件表面氧化皮、漆层、油污层；所述聚焦透镜组A5对激光束进行聚焦，配合振镜系统A4使焦点位于工件7表面，聚焦透镜组的焦距为30～150mm。
完成该区域激光清洗后，关闭激光器模块1，启动电沉积模块4。
由液泵B3加压使工作液经导管B6柔性传输，并由液阀B4调节流速，工作液在阳极腔B6进行金属离子补充，至喷口B7进行液流形状整形，喷射至工件7完成电沉积工艺，工作液由集液器B8进行收集，回流储液腔B2，完成工作液循环。
完成该区域电沉积后，关闭电沉积模块4。
启动机械臂模块2，位移到新的加工位置。完成若干次[0017]→[0022]的循环，对工件进行分块加工，最终完成工艺过程。

Claims (10)

1.一种激光清洗原位电沉积装置及方法，其特征在于，包括：激光器模块(1)、机械臂模块(2)、光能传输模块(3)、扫描清洗模块(4)、电沉积模块(5)、控制模块(6)、工件(7)；所述激光器模块(1)设置在设备底部用于产生激光光源；所述机械臂模块(2)为设备主体，用于支撑光能传输模块(3)、扫描清洗模块(4)、电沉积模块(5)，可实时调节加工头位置；所述光能传输模块(3)位于机械臂模块(2)内部，用于接收所述激光器模块(1)产生的激光，并对所述激光进行传输与整形；所述扫描清洗模块(4)设置在机械臂模块(2)前端，所述扫描清洗模块(4)用于将入射至所述扫描清洗模块(4)的激光进行扩束及聚焦，输出激光照射在工件(7)上，实现对工件(7)的清洗；所述电沉积模块(5)位于机械臂模块(2)内部和前端，包括溶液传递、电能供给、溶液回收等部分，所述电沉积模块(5)用于实现工件(7)表面的电化学沉积工艺；所述控制模块(6)，对整个设备进行控制。
2.根据权利要求1所述的激光清洗原位电沉积装置及方法，其特征在于，所述激光器模块(1)包括：激光器及散热系统；所述激光器模块(1)设置在设备底部用于产生激光光源，所述激光器发出的激光入射至所述光能传输模块；所述散热系统设置在所述激光器后方，用于对所述激光器进行散热。
3.根据权利要求1所述的激光清洗原位电沉积装置，其特征在于，所述机械臂模块(2)包括：动力机构、传动机构、保护外壳；所述动力机构采用伺服电机为传动机构提供动力来源；所述传动机构用于动能传输和加工位置的调节；所述保护外壳用于保护机械臂内的光能传输模块、电沉积模块等。
4.根据权利要求1所述的激光清洗原位电沉积装置及方法，其特征在于，所述光能传输模块(3)包括：第一光束耦合透镜组、光纤(A1)及第二光束耦合透镜组(A3)；所述第一光束耦合透镜组设置在所述激光器模块(1)的出光口处，接收所述激光器发出的激光，并对接收的所述激光进行耦合；所述第一光束耦合透镜组通过所述光纤(A1)与第二光束耦合透镜组(A3)连接，使激光通过所述第二光束耦合透镜组(A3)的激光进入扫描清洗模块(4)。
5.根据权利要求1所述的激光清洗原位电沉积装置及方法，其特征在于，所述扫描清洗模块(4)包括：振镜系统(A4)和聚焦透镜组(A5)；所述振镜系统(A4)接收通过第二光束耦合透镜组(A3)的激光，通过振镜角度的调节使激光按照控制系统的要求对工件(7)表面进行线性扫描，清除工件表面氧化皮、漆层、油污层；所述聚焦透镜组(A5)对激光束进行聚焦，配合振镜系统(A4)使焦点位于工件(7)表面，聚焦透镜组的焦距为30～150mm。
6.根据权利要求1所述的激光清洗原位电沉积装置及方法，其特征在于，所述电沉积模块(5)包括：加热器(B1)、储液腔(B2)、液泵(B3)、液阀(B4)、导管(B5)、阳极腔(B6)、喷口(B7)、集液器(B8)；所述阳极腔(B6)内装有金属球；电沉积采用喷射电沉积法，液泵(B3)产生高压，使高速液流喷出至工件(7)表面进行电沉积，并由集液器(B8)收集工作液回流储液腔(B2)进行循环工作。
7.根据权利要求1所述的激光清洗原位电沉积装置及方法，其特征在于，所述控制模块包括(6)：镀液循环控制系统、电机控制系统、光路控制系统；所述镀液循环控制系统可调控液流速度，液流速度100～500L/h；所述电机控制系统可调节机械臂加工头距离工件距离和角度，距离0～30mm；所述光路控制系统可以调节振镜与聚焦透镜组进行光斑扫描和焦距调节，控制激光器通断等。
8.根据权利要求2所述的激光器模块(1)，其特征在于，所述激光器为固体脉冲激光器，其核心结构是单块晶体谐振腔结构，激光波长900nm～1200nm，输出功率0-300W，脉宽1ns～100ns，频率1kHz～100kHz。
9.根据权利要求4所述的光能传输模块(3)，其特征在于，所述光束准直透镜组的扩束倍率为2～6。
10.根据权利要求6所述的激光清洗原位电沉积装置及方法，其特征在于，所述电沉积模块(5)电源拥有恒流和恒压两种输出形式，输出电流为0～5A，输出电压为0～100V。
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