CN109877118A - 一种激光金属表面除污或抗腐防锈装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料抗腐防锈技术领域，具体公开了一种激光金属金属表面除污或抗腐防锈装置及方法，其中的装置包括激光发射组件、扫描聚焦组件(5)及两维工作台(9)，其中，激光发射组件用于发射激光束，激光束经过扫描聚焦组件(5)聚焦到待处理金属工件(10)上，并进行激光扫描，使该待处理金属工件局部升温以去除待处理金属工件表面的油污和金属锈层，或者产生氧化物层，从而实现对待处理金属工件的金属表面除污或抗腐防锈处理。本发明通过对装置的各个细节组件的构成等进行改进，通过高能量激光束辐射到金属材料表面，可以去除金属表面油污和锈层，并在金属表面氧化生成致密氧化膜，可有效地保护金属内部不受氧化，起到抗腐防锈功能。
Description
技术领域
本发明属于金属材料抗腐防锈应用技术领域，更具体地，涉及一种激光金属表面除污或抗腐防锈装置及方法，该装置与激光清洗抗腐防锈方法对应，即通过高能量激光束辐射到金属材料表面，去除金属表面油污和金属锈层，并在金属表面氧化生成致密氧化膜，从而有效地保护金属内部不受氧化，起到抗腐防锈功能，延长使用寿命。
背景技术
为了提高金属材料抗腐防锈能力，通常需要对这些金属材料表面进行抗腐防锈处理。传统的方法是采用化学发蓝黑化工艺在金属表面氧化生成致密氧化膜，保护钢件内部不受氧化。具体的工艺流程是首选化学去油污，再使用盐酸溶液清洗，然后采用强的化学氧化剂在金属表面上进行发蓝黑化处理，对金属表面氧化生成致密的氧化膜、最后进行清洗去除残余的化学液体成分。例如，对钢铁材料表面发蓝黑化处理的强的化学氧化剂是由氢氧化钠、亚硝酸钠、磷酸三钠组成，在高温下(约550℃)氧化成的四氧化三铁呈天蓝色，称为发蓝处理，常用与兵器制造中；在低温下(约350℃)形成的四氧化三铁呈暗黑色，称为发黑处理，常用于工业生产中。由于目前采用盐酸溶液清洗和化学强氧化剂进行发蓝黑化处理工艺，不但工艺程序多，流程长，而且由于钢材的品种、产品的规格和生产的规模各不相同，从而造成了在生产装备和生产环境方面有着很大差别，例如酸洗和强的化学氧化剂体槽的密封、对生产设备的腐蚀、酸洗和发蓝黑化车间的通风排风、酸雾和强的化学氧化气味的排出处理以及废酸污水排放处理等方面问题，都必须一一加以处理和解决。这不但需要较大的投资来建设相应的回收和处理设备，增加了工艺成本，而且一旦生产设备的腐蚀而泄露或发生直接排放发生，会造成工作环境恶劣，产生强烈刺激气味损害操作人员身体健康，对环境造成严重污染，破坏生态环境。
现有技术中也存在金属表面激光发黑处理工艺的相关研究，但这些研究主要是通过熔融刻蚀，极大地增加金属表面对可见光的吸收率，减少反射率，从而用作吸光元件来抑制光学系统中的杂散光。这些现有技术中的工艺仅仅是在视觉上使金属表面变黑，并不能改善金属表面的防腐抗锈能力。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种激光金属表面除污或抗腐防锈装置及方法，基于一种新的激光抗腐防锈原理，并通过对装置内关键的装置各个细节组件的构成、方法所采用的处理手段等进行改进，与现有技术相比能够有效解决金属材料化学抗腐防锈处理对环境的污染大、废液废气处理工艺成本高的问题，本发明中的激光金属表面除污或抗腐防锈装置及方法，通过高能量激光束辐射到金属材料表面，可以去除金属表面油污和锈层，并在金属表面氧化生成致密氧化膜，可有效地保护金属内部不受氧化，起到抗腐防锈功能，延长使用寿命。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种激光金属表面除污或抗腐防锈装置，其特征在于，包括激光发射组件、扫描聚焦组件(5)及两维工作台(9)，其中，所述两维工作台(9)用于放置待处理金属工件(10)，所述激光发射组件用于发射激光束，该激光束经过所述扫描聚焦组件(5)聚焦到所述待处理金属工件(10)上，并对该待处理金属工件(10)进行激光扫描，使该待处理金属工件(10)局部升温以去除待处理金属工件表面的油污和金属锈层，或者使该待处理金属工件(10)局部升温并产生氧化物层，从而实现对待处理金属工件(10)的金属表面除污或抗腐防锈处理。
作为本发明的进一步优选，所述扫描聚焦组件(5)用于向所述待处理金属工件(10)提供1.8～2.0m/s的激光扫描速度，并同时提供1.0×107～1.5×107W/cm2的激光功率密度；或者，用于向所述待处理金属工件(10)提供1.0～1.5m/s的激光扫描速度，并同时提供2.5×106～3.8×106W/cm2的激光功率密度。
作为本发明的进一步优选，所述激光发射组件包括激光器(1)，以及沿激光光路设置的扩束准直镜(2)及若干导光镜(3，4)，所述激光器(1)产生的激光经过扩束准直镜(2)及若干导光镜(3，4)被传输至所述扫描聚焦组件(5)。
作为本发明的进一步优选，所述激光器(1)用于发射波长为355nm到10.6μm的连续或脉冲激光。
作为本发明的进一步优选，所述激光金属表面除污或抗腐防锈装置还包括吸尘器(7)，该吸尘器(7)设置在所述两维工作台(9)的上方，用于除去所述待处理金属工件(10)激光处理过程产生的废弃物。
作为本发明的进一步优选，所述激光金属表面除污或抗腐防锈装置还包括送氧气管道(8)，该送氧气管道(8)设置在所述两维工作台(9)的上方，用于向所述待处理金属工件(10)表面传送含氧气体。
作为本发明的进一步优选，所述两维工作台(9)还与x轴移动组件和y轴移动组件相连，所述x轴移动组件和所述y轴移动组件用于带动所述两维工作台(9)移动使所述激光束定位到目标的待处理金属工件(10)上。
作为本发明的进一步优选，所述扫描聚焦组件(5)还与z轴移动组件(6)相连，该z轴移动组件(6)用于带动所述扫描聚焦组件(5)沿竖直方向移动使所述激光束的聚焦位置与目标位置重合。
按照本发明的另一方面，提供了一种激光金属表面除污或抗腐防锈方法，其特征在于，该方法是用激光束对待处理金属工件进行激光扫描，使该待处理金属工件局部升温以去除待处理金属工件表面的油污和金属锈层；或者，是利用激光束对清洁的待处理金属工件进行激光扫描，使该待处理金属工件局部升温并产生氧化物层，从而实现对待处理金属工件的抗腐防锈处理。
作为本发明的进一步优选，对所述待处理金属工件去除表面油污和金属锈层时，具体是采用激光扫描速度为1.8～2.0m/s，且激光功率密度为1.0×107～1.5×107W/cm2的激光；
对所述待处理金属工件抗腐防锈处理时，具体是采用激光扫描速度为1.0～1.5m/s，且激光功率密度为2.5×106～3.8×106W/cm2的激光；
优选的，所述激光均为波长为355nm到10.6μm的连续或脉冲激光。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，基于一种新的激光抗腐防锈原理，相应的利用激光发射组件、扫描聚焦组件及两维工作台构成激光金属表面除污或抗腐防锈装置，通过高能量激光束辐射到金属材料表面，可以去除金属表面油污和锈层，并在金属表面氧化生成致密氧化膜，可有效地保护金属内部不受氧化，起到抗腐防锈功能，延长使用寿命。相应的，本发明中激光金属表面除污或抗腐防锈方法，可以利用激光束对待处理金属工件进行激光扫描，使该待处理金属工件局部升温以去除待处理金属工件表面的油污和金属锈层，得到清洁的金属工件；并且，可以利用激光束对清洁的待处理金属工件进行激光扫描，使该待处理金属工件局部升温并产生氧化物层，从而实现对待处理金属工件的抗腐防锈处理。
本发明中激光金属表面除污或抗腐防锈装置及方法，尤其适用于对钢铁材料等金属进行表面处理，在对待处理金属工件进行除污处理时，优选将激光扫描速度控制为1.8～2.0m/s、激光功率密度控制为1.0×107～1.5×107W/cm2，防锈处理时，优选将激光扫描速度控制为1.0～1.5m/s、激光功率密度控制为2.5×106～3.8×106W/cm2，能够确保在钢铁材料表面形成致密的四氧化三铁氧化层，从而实现防污抗锈的效果。
本发明中的激光金属表面除污或抗腐防锈装置及方法，优选是采用355nm到10.6μm波长的连续或脉冲激光束作为热源，通过光路系统导入扫描系统，聚焦到金属材料表面。对于表面具有油污和锈层表面的金属材料，利用高功率密度激光束在金属表面高速扫描，将金属表面的油污和金属锈层气化烧蚀干净，使金属表面露出材料基体，然后调整激光功率密度，辐射扫描在金属材料表面上，使金属表面温度达到发蓝或黑化温度，同时给激光辐射金属材料表面区域输送氧气，使金属表面在高温下发生氧化反应，生成致密的四氧化三铁的氧化膜(以待处理工件是钢材为例)，起到抗腐防锈功能。对于新制造的金属产品工件，则利用高功率密度激光束直接对金属表面进行发蓝或黑化处理，生成致密的四氧化三铁的氧化膜，起到抗腐防锈功能。这种装置及相应方法具有以下优点：
1、利用高功率密度激光束在金属表面高速扫描，直接将金属表面的油污和金属锈层气化烧蚀干净，没有采用任何化学酸洗工艺，故不存在工作环境恶劣，污染环境问题；
2、利用合适功率密度激光束直接对金属表面进行高速扫描加温到发蓝或黑化温度，在氧气辅助下，使金属表面直接与氧气发生氧化反应，生成致密的四氧化三铁的氧化膜，实现抗腐防锈功能，无需采用任何化学氧化剂，故不存在工作环境恶劣，污染环境问题；
3、由于在清洗和抗腐防锈处理过程中，没有使用盐酸和由氢氧化钠、亚硝酸钠、磷酸三钠组成的化学氧化剂等任何化学液，故消除生产中对设备密封、腐蚀、酸洗和发蓝黑化车间的通风排风、酸雾和强的化学氧化气味的排出和处理、污水的处理和排放以及废酸和铁盐的处理等方面的要求，大大简化了车间和设备建设要求，不但降低了工艺成本，而且彻底解决了该工艺的工作环境恶劣和环境污染问题。
4、与现有技术中其他使用激光发黑处理工艺来实现发黑的视觉效果相比，本发明能够在材料表面形成致密的四氧化三铁氧化层，从而实现防污抗锈的效果。与传统激光发黑处理工艺相比，本发明还具有以下特点：1、功率密度高，功率密度超过106W/cm2；2、扫描速率快，扫描速率超过1.0m/s；3、对激光无特殊要求(可以是连续激光，也可以是脉冲激光)；能够进一步保证在材料表面形成致密的四氧化三铁氧化层，从而实现防污抗锈的效果。
附图说明
图1是本发明激光抗腐防锈装置示意图。
图中各附图标记的含义如下：1为激光器，2为扩束准直镜，3、4均为导光镜，5为扫描聚焦系统(即，扫描聚焦组件)，6为z轴移动装置(即，z轴移动组件)，7为吸尘器，8为送氧气管道，9为两维工作台，10为金属工件(即，待处理金属工件)，11为激光束。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明中激光金属抗腐防锈装置，包括激光发射组件、扫描聚焦组件5及两维工作台9，其中，两维工作台9用于放置待处理金属工件10，激光发射组件用于发射激光束，该激光束经过扫描聚焦组件5聚焦到待处理金属工件10上，并对该待处理金属工件10进行激光扫描，使该待处理金属工件10局部升温并产生氧化物层，从而实现对待处理金属工件10的抗腐防锈处理。激光发射组件例如可以包括激光器1，以及沿激光光路设置的扩束准直镜2及若干导光镜3、4，激光器1产生的激光经过扩束准直镜2及若干导光镜3，4被传输至扫描聚焦组件5。
扫描聚焦组件5还可以与z轴移动组件6相连，该z轴移动组件6用于带动扫描聚焦组件5沿竖直方向移动使激光束的聚焦位置与目标位置重合，即，使激光束的聚焦位置位于目标的待处理金属工件10上。
优选的，该激光金属抗腐防锈装置还可设置吸尘器7、送氧气管道8，该吸尘器7设置在两维工作台9的上方，用于除去待处理金属工件10激光处理过程产生的废弃物；送氧气管道8设置在两维工作台9的上方，用于向待处理金属工件10表面传送含氧气体。
相应的，激光抗腐防锈方法，其特征是通过高功率密度激光束辐射到金属材料表面，去除金属表面油污和锈层，并在金属表面氧化生成致密氧化膜，有效地保护金属内部不受氧化，起到抗腐防锈功能，延长使用寿命。金属表面清洗和抗腐防锈处理设备见图1所示，是由脉冲或连续激光器1、扩束准直镜2、导光镜3和4、扫描聚焦系统5、z轴移动装置6、吸尘器7、送氧气管道8和两维工作台9组成。激光器1的功能是输出一定波长(范围从355nm-10.6μm)并且功率密度可调的激光束作为热源；扩束准直镜2的功能是将输出激光束进行扩束准直；导光镜3和4的功能是将扩束准直后的激光束导入扫描聚焦系统5；扫描聚焦系统5是由两维扫描振镜和扫描聚焦场镜组成，其功能是将激光束聚焦到待处理工件10表面上，并控制激光焦点在xy平面上的移动轨迹；z轴移动装置6是调节激光聚焦点的位置；吸烟尘器7的功能是吸收激光清洗金属工件10表面的烟尘；送氧气管道8的功能是在激光对金属工件10表面进行发蓝黑化处理时输出氧气，使金属工件10表面生成致密的生成致密的四氧化三铁的氧化膜，起到抗腐防锈功能。
具体实施是：首先通过z轴移动装置6，将激光聚平面调节到金属工件10表面上，开启吸烟尘器7，采用较高的功率密度的激光束11对金属工件10表面上进行高速扫描，将金属工件10表面的油污和金属锈层气化烧蚀干净，使金属工件10表面露出材料基体。激光清洗工程中产生的烟雾将由吸烟尘器7吸走，保持清洁无污染的工作环境。激光清洗完毕后，关闭吸烟尘器7，调整激光束11的功率密度到合适的值，扫描辐射在金属工件10表面上，使工件金属10表面温度达到发蓝或黑化温度，同时开启送氧气管道8，对激光辐射在金属工件10表面区域输送氧气，使金属表面在高温下发生氧化反应，生成致密的四氧化三铁的氧化膜，起到抗腐防锈功能。
对于新制造的金属产品工件，则利用高功率密度激光束11直接对金属工件10表面进行发蓝或黑化处理，生成致密的四氧化三铁的氧化膜，起到抗腐防锈功能。
具体应用实例：
实例1：低碳钢的激光发黑金属防锈处理
采用波长为1064nm的脉冲调制光纤激光器，设定激光功率密度为10×106W/cm2,扫描速度为2m/s,聚焦平面位于低碳钢表面，进行激光去油污和铁锈层清洗，使低碳钢表面露出材料基体。然后调节激光功率密度到2.5×106W/cm2,扫描速度为1.5m/s,在低碳钢清洗表面进行激光扫描辐射，使低碳钢表面温度达到黑化温度，同时开启送氧气管，在激光辐射的低碳钢表面区域输送氧气，使低碳钢表面在高温下发生氧化反应，生成致密的四氧化三铁的氧化膜，颜色呈黑色。经过72小时的中性盐雾测试后，低碳钢发黑表面未发现锈蚀现象，故达到了抗腐防锈标准。
实例2：轴承钢的激光发黑抗腐防锈处理
采用波长为10.6μm的CO2调制脉冲激光器，设定激光功率密度为1.5×107W/cm2,扫描速度为1.8m/s,聚焦平面位于轴承钢表面，进行激光去油污和铁锈层清洗，使轴承钢表面露出材料基体。然后调节激光功率密度到3.5×106W/cm2,扫描速度为1.0m/s,在轴承钢清洗表面进行激光扫描辐射，使轴承钢表面温度达到黑化温度，同时开启送氧气管，对激光辐射的轴承钢表面区域输送氧气，使轴承钢表面在高温下发生氧化反应，生成致密的四氧化三铁的氧化膜，颜色呈黑色。经过72小时的中性盐雾测试后，低碳钢发黑表面未发现锈蚀现象，故达到了抗腐防锈标准。
实例3：轴承钢的激光发蓝抗腐防锈处理
采用波长为1064nm的脉冲调制光纤激光器，设定激光功率密度为12×106W/cm2,扫描速度为2.0m/s,聚焦平面位于轴承钢表面，进行激光去油污和铁锈层清洗，使轴承钢表面露出材料基体。然后调节激光功率密度到3.8×106W/cm2,扫描速度为1.5m/s,在轴承钢清洗表面进行激光扫描辐射，使轴承钢表面温度达到发蓝温度，同时开启送氧气管，对激光辐射的轴承钢表面区域输送氧气，使轴承钢表面在高温下发生氧化反应，生成致密的四氧化三铁的氧化膜，颜色呈蓝色。经过72小时的中性盐雾测试后，低碳钢发蓝表面未发现锈蚀现象，故达到了抗腐防锈标准。
对比例1：
根据抗腐防锈测试国家标准，分别选取未经处理轴承钢，经传统激光黑化处理(1.5×105W/cm2，10mm/s)轴承钢以及本专利工艺处理后的轴承钢(3.5×106W/cm2，1000mm/s)在盐雾测试机中做中性盐雾测试。未经处理的轴承钢表面不足2小时就已经发现锈蚀现象，传统激光发黑处理轴承钢表面5小时左右表面已经发现锈蚀现象，本专利工艺处理后的轴承钢经72小时中性盐雾测试后表面仍未发现锈蚀现象，达到了国家抗腐防锈标准。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光金属表面除污或抗腐防锈装置，其特征在于，包括激光发射组件、扫描聚焦组件(5)及两维工作台(9)，其中，所述两维工作台(9)用于放置待处理金属工件(10)，所述激光发射组件用于发射激光束，该激光束经过所述扫描聚焦组件(5)聚焦到所述待处理金属工件(10)上，并对该待处理金属工件(10)进行激光扫描，使该待处理金属工件(10)局部升温以去除待处理金属工件表面的油污和金属锈层，或者使该待处理金属工件(10)局部升温并产生氧化物层，从而实现对待处理金属工件(10)的金属表面除污或抗腐防锈处理。
2.如权利要求1所述激光金属表面除污或抗腐防锈装置，其特征在于，所述扫描聚焦组件(5)用于向所述待处理金属工件(10)提供1.8～2.0m/s的激光扫描速度，并同时提供1.0×107～1.5×107W/cm2的激光功率密度；或者，用于向所述待处理金属工件(10)提供1.0～1.5m/s的激光扫描速度，并同时提供2.5×106～3.8×106W/cm2的激光功率密度。
3.如权利要求1所述激光金属表面除污或抗腐防锈装置，其特征在于，所述激光发射组件包括激光器(1)，以及沿激光光路设置的扩束准直镜(2)及若干导光镜(3，4)，所述激光器(1)产生的激光经过扩束准直镜(2)及若干导光镜(3，4)被传输至所述扫描聚焦组件(5)。
4.如权利要求3所述激光金属表面除污或抗腐防锈装置，其特征在于，所述激光器(1)用于发射波长为355nm到10.6μm的连续或脉冲激光。
5.如权利要求1所述激光金属表面除污或抗腐防锈装置，其特征在于，所述激光金属表面除污或抗腐防锈装置还包括吸尘器(7)，该吸尘器(7)设置在所述两维工作台(9)的上方，用于除去所述待处理金属工件(10)激光处理过程产生的废弃物。
6.如权利要求1所述激光金属表面除污或抗腐防锈装置，其特征在于，所述激光金属表面除污或抗腐防锈装置还包括送氧气管道(8)，该送氧气管道(8)设置在所述两维工作台(9)的上方，用于向所述待处理金属工件(10)表面传送含氧气体。
7.如权利要求1-6任意一项所述激光金属表面除污或抗腐防锈装置，其特征在于，所述两维工作台(9)还与x轴移动组件和y轴移动组件相连，所述x轴移动组件和所述y轴移动组件用于带动所述两维工作台(9)移动使所述激光束定位到目标的待处理金属工件(10)上。
8.如权利要求1-7任意一项所述激光金属表面除污或抗腐防锈装置，其特征在于，所述扫描聚焦组件(5)还与z轴移动组件(6)相连，该z轴移动组件(6)用于带动所述扫描聚焦组件(5)沿竖直方向移动使所述激光束的聚焦位置与目标位置重合。
9.一种激光金属表面除污或抗腐防锈方法，其特征在于，该方法是用激光束对待处理金属工件进行激光扫描，使该待处理金属工件局部升温以去除待处理金属工件表面的油污和金属锈层；或者，是利用激光束对清洁的待处理金属工件进行激光扫描，使该待处理金属工件局部升温并产生氧化物层，从而实现对待处理金属工件的抗腐防锈处理。
10.如权利要求9所述激光金属表面除污或抗腐防锈方法，其特征在于，对所述待处理金属工件去除表面油污和金属锈层时，具体是采用激光扫描速度为1.8～2.0m/s，且激光功率密度为1.0×107～1.5×107W/cm2的激光；
对所述待处理金属工件抗腐防锈处理时，具体是采用激光扫描速度为1.0～1.5m/s，且激光功率密度为2.5×106～3.8×106W/cm2的激光；
优选的，所述激光均为波长为355nm到10.6μm的连续或脉冲激光。
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