CN109985860A - 一种阵列微孔的激光空泡清洗装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列微孔的激光空泡清洗装置及方法，即利用扫描振镜精确控制激光扫描路径，逐个作用于注有水的阵列微孔中并产生空泡，以空泡脉动过程中产生强大冲击压力将水及孔内堵塞物质清除的方法。清洗装置包括激光器、光路传输系统、扫描振镜、清洗水槽及计算机。与其他清洗方法和装置相比，将激光聚焦于微孔之中，瞬间的高温和高达数百兆帕空泡初始压强可有效促进孔内杂质颗粒迁移，实现对具有大纵宽比微孔的清洗。通过计算机控制的扫描振镜，激光束定位精度高，可用于阵列微孔的快速清洗。清洗装置体积小，具有较强的现场清洗能力。清洗装置扩展性强，配合机械臂或位移台还可实现大构件中的微孔清洗。

Description

一种阵列微孔的激光空泡清洗装置及方法

技术领域

本发明属于激光空泡清洗技领域，特别是一种针对微孔结构的激光空泡清洗装置及方法。

背景技术

在工业及航空航天领域的关键部件上存在着大量深度与直径在微米至毫米量级微孔结构。汽车发动机中喷油嘴是重要部件之一，燃油经喷油嘴针阀头部的轴针与喷孔之间的环形间隙高速喷出，形成雾状，利于充分燃烧。通常柴油车发动机内喷油嘴通常有1～7个直径为0.2～0.5mm且深度小于1mm的喷孔。对于汽车发动机，一般喷油嘴直径小于100μm，深度范围为300μm～1mm。然而在长期的运行中，油箱内由燃油的杂质、灰尘等积累而成的粘稠沉积物将使得喷油嘴的堵塞，导致汽车动力性能下降、油耗增大、尾气排放恶化甚至发动机暴震等现象。又如航空发动机涡轮叶片上分布着10万个孔径为0.3～1mm深度为1mm～4mm的冷却孔，以将冷却气体传输至叶片，从而降低叶片温度并提高其服役寿命。但在沙尘严重的环境中，外部侵入的微细颗粒极易在涡轮叶片中形成沉积堵塞，降低叶片的使用寿命。这里，喷油嘴结构相当于盲孔，冷却孔结构为通孔。因此，需要对盲孔或通孔的微孔结构进行疏通和清洗。

现有的清洗技术主要包括超声清洗、喷砂处理、化学腐蚀、接触式清理等。超声清洗方法是一种无损的清洗方法，利用振动产生的空泡撞击待清洗表面去除灰尘，适用于表面的清洗，而对于具有较大纵宽比的微孔结构无法进行针对性的清洗。另外三种方法则在清洗中易对微孔结构组织造成损伤，产生的裂纹进在服役环境中扩展导致结构失效。此外上述方法清洗时间较长，根据含微孔构件的尺寸通常需要20min～60min不等。一些研究提出利用激光在水中的空化过程，利用其脉动产生的冲击波来实现对构件的进行清洗。

专利1(佟艳群，沈全，申丰，殷未庆，张罗，王浩.一种水下激光清洗方法及清洗头.中国，201210567132.3，2012)公开了一种将激光经光纤引入水下，并经会聚透镜在材料表面产生空化泡，利用空化泡产生的冲击波实现对材料表面清洗的方法。

专利2(任旭东，周睿，李琳，崔承云，佟艳群，任云鹏，胡征征，叶召.一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置及清洁强化方法.中国，201610258764.X，2016)公开了一种利用激光诱导产生的空化泡产生的冲击波汽车曲轴的狭长孔壁内部进行清洁，同时利用空泡溃灭时产生的高强度力效应对实现改善曲轴的机械性能的方法。

然而针对微孔的清洗，上述清洗装置及方法存在以下缺陷：

(1)仅是针对平面或具有较大直径孔的清洗；

(2)机械手控制的待清洁构件的位移精度较低，不能准确作用于微孔之中；

(3)难以实现对阵列孔快速扫描式清洗；

(4)缺少微孔清洁程度的实时判定。

上述缺陷造成迄今为止，应用现有清洗方法难以进行精确、高效和便捷的阵列微孔清洗。

发明内容

本发明的目在于提供一种阵列微孔的激光空泡清洗方法，实现对被堵塞阵列微孔的快速精确定位及高效清洗，以提高包含微孔结构的服役寿命。

实现本发明目的的技术解决方案如下：

一种阵列微孔的激光空泡清洗装置，装置包括所述装置包括激光器、光路传输系统、扫描振镜、清洗水槽和计算机；所述激光器输出光束经光路传输系统到达扫描振镜；扫描振镜下方为清洗水槽；扫描振镜和激光器与计算机连接；

激光器发射脉冲激光，脉冲激光通过透光路传输系统引导入扫描振镜；将预先确定所清洗微孔的孔口坐标输入计算机，通过计算机调节扫描振镜改变脉冲激光路径，将激光作用于该孔口坐标的微孔内。

进一步的，光路传输系统包括依次连接的光纤、光纤接口、准直透镜、扩束镜及反射镜。

进一步的，光路传输系统和扫描振镜可扩展安装于机械臂，以适用于大构件的微孔清洗。

进一步的，清洗水槽包括水槽、夹具及两个光电二极管；其中，光电二极管与计算机连接。

基于该装置的清洗方法如下：

(1)将光路传输系统与激光器连接，使得激光束可传输至扫描振镜；

(2)依据阵列孔的排列间距，在计算机中设定激光扫描路径和扫描时间；

(3)根据微孔堵塞物的类型调整激光参数；

(4)将待清洗构件置于水槽中并用夹具固定，确保微孔位于扫描振镜的扫描范围，微孔面对激光束入射方向；

(5)将两个光电二极管置分别调整于微孔上方的入口及下方的出口处；

(6)在清洗水槽中注水，使得构件浸没于水中；

(7)开启激光器，计算机控制激光进行空泡清洗；

(8)当清洗时间达到扫描时间或满足清洗结束条件，清洗终止。

其中，步骤(1)中激光器为纳秒激光器，其参数调整范围为：单个脉冲的激光脉宽为10ns～50ns，能量为1mJ～100mJ，重复频率250Hz～10kHz，输出波长在红外波段。

步骤(2)中扫描振镜参数调整范围为：扫描振镜的扫描角度范围为0～±0.35rad，扫描速度为0～3.5m/s，焦距范围为100mm～300mm。

步骤(5)中的光电二极管的响应波段包含红外光，其响应时间在纳秒量级。

步骤(8)清洗结束条件为通孔清洗情况下，孔出口处的光电探测器探测到与清洗激光的光强相当的红外光光强信号，表明孔内物质已被完全排出微孔。在盲孔清洗情况下，孔入口处光电探测器探测到由孔反射而出的红外光光强，当光强与清洗激光的光强相比较弱时，表明孔内物质已被完全排出微孔。

本发明采用计算机控制的高精度扫描振镜将激光束聚焦在注满水的微孔内产生空泡，利用空泡的脉动来对微孔进行清洗。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)激光作用在注有水的微孔内，瞬间温度可达数万摄氏度，激发的空泡初始压强可达数百兆帕，可有效清除喷油嘴沉积的粘稠物质、涡轮叶片冷却孔内杂质等物质；(2)空泡作用范围将局限于孔内，且作用时间仅为百微秒量级，对孔壁几乎不会造成损伤；(4)扫描振镜反射的激光束位移精度高，扫描速度快，可以确保阵列孔的准确定位与快速清洗；(5)计算机控制的清洗过程易实现自动化。从而可改善微孔堵塞现象，延长构件的使用寿命。

附图说明

图1是本发明激光清洗微孔结构的装置图。

图中，1为注有水的清洗水槽，2为含有微盲孔或微通孔的构件，3为夹具，4为置于孔上方的光电探测器，5为置于孔下方的光电探测器，6为计算机，7为纳秒激光器，8为光纤，9为光纤接口，10为激光束，11为准直透镜，12为扩束镜，13为反射镜，14为扫描振镜。

图2是本发明在直径为0.6mm且深度为1mm小孔中，激光空泡致微孔中水迁移的过程图。

图中，(a-d)图对应时刻分别为纳秒激光束输出后的0.884μs、8.811μs、26.819μs及42.459μs。

图3是本发明在直径为0.6mm且深度为2mm小孔中，激光空泡致微孔中水水迁移的过程图。

图中，(a-d)图对应时刻分别为纳秒激光束输出后的23.602μs、52.639μs、704.636μs、2.504ms。

图4是本发明在直径为0.6mm且深度为2mm小孔中，激光空泡致小孔中微粒迁移过程图。

图中，(a-f)图对应时刻分别为0.234ms、3.285ms、7.040ms、20.183ms、31.917ms、99.741ms。

图5是本发明在直径为1.6mm且深度为2mm小孔中，激光空泡致微孔中不同粘度液体介质喷溅的质量迁移率。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明

实施例1

采用本发明装置和方法在注有水的微孔中产生激光致空泡，通过高速相机捕捉到了空泡的脉动及水迁移出微孔的过程。

根据喷油嘴及冷却孔尺寸范围，在铝板上预制一个直径为0.6mm和深度为1mm的通槽。将铝板两侧用石英玻璃固定，模拟微盲孔结构。将微孔浸入水槽，使其内部注满水，将孔口位置调整至与水面平齐。采用波长为1047nm的纳秒激光器，调整单脉冲激光能量为4mJ，激光脉宽为25ns。将激光束聚焦于孔口水平面中心位置。通过高速相机捕捉到的激光空泡致水迁移过程如图2所示。图2中两侧黑色区域为铝板，中间透明的矩形区域为孔中水域。由图2(a)所示，0.884μs孔底出现半径较大的空泡，同时孔表面出现大量空泡群。由图2(b)所示，8.811μs时刻，由于孔底的空泡内部具有极大的压力，其持续向孔口膨胀，由最初的半圆形转变为半椭圆形。表面的空泡群在孔底的空泡挤压下未向孔内膨胀，而是在孔表面形成喷溅。由图2(c)所示，26.819μs底部形成的空泡在脉动中对泡上方的水起到向上的压力作用，并将水排出，最后形成大量的喷溅，如图2(d)所示。说明利用激光致空泡在脉动中可以将空泡上方的物质随着水排出小孔。

实施例2

为进一步检验激光空泡在具有更大纵宽比微孔中的清洗作用，采本发明装置和方法在注有水的较深微孔中产生激光致空泡，通过高速相机捕捉到了空泡的脉动及水迁移出微孔的过程。

根据喷油嘴及冷却孔尺寸范围，在铝板上预制一个直径为0.6mm和深度为2mm的通槽。将铝板两侧用石英玻璃固定，模拟微盲孔结构。将微孔浸入水槽，使其内部注满水，将孔口位置调整至与水面平齐。采用波长为1047nm的纳秒激光器，调整单脉冲激光能量为4mJ，激光脉宽为25ns。将激光束聚焦于孔口水平面中心位置。通过高速相机捕捉到的激光空泡致水迁移过程如图3所示。图3中两侧黑色区域为铝板，中间透明的矩形区域为孔中水域。空泡在孔口产生，如图3(a，b)所示，激光对孔表面水的烧蚀作用造成了少量的水喷溅。如图3(c)所示，704.636μs时刻，空泡中心与空气接触后，开始溃灭，形成向孔内方向的压力，进而形成较为剧烈的水喷溅。如图3(d)所示，在2.504ms时刻，空泡消失，孔内的水部分被排出。表明即使在微孔纵宽比较大时，激光空泡仍可以将水等孔内物质排出微孔。

实施例3

为进一步检验激光空泡对微孔内颗粒杂质的清洗去除作用，采本发明装置和方法在注有水的微孔中产生激光空泡，通过高速相机捕捉到了颗粒杂质被排出微孔的过程。

根据冷却孔尺寸范围，在铝板上预制一个直径为0.6mm和深度为2mm的通槽。将铝板两侧用石英玻璃固定，模拟微盲孔结构。在微孔中注入颗粒直径在百微米范围的铝粉(铝的密度为2700kg/m³)，铝粉体积共占小孔体积的一半。铝粉沉积于微孔底部，约至孔的1mm深度处。将微孔浸入水槽，使其内部注满水，将孔口位置调整至与水面以下。此时，由于铝的密度较大，未出现颗粒的流动。采用1064nm的纳秒脉冲激光器，激光能量为200mJ，激光焦点位于微孔口水平面。利用高速相机捕捉到的颗粒迁移过程如图4所示。根据实施例1的分析，空泡有可能在微孔内铝粉表面形成。如图4(a)，在0.234ms时刻，空泡的脉动已经结束，微孔内黑色部分是铝粉，可见随着空泡的脉动部分微粒已从微孔内排出。如图4(b)所示，在3.285ms时刻，空泡溃灭时产生的射流将铝粉从微孔内排出。由于铝粉密度较大，流动性不强，整个排出过程约持续了100ms，如图4(c-f)所示。最终约有四分之一的铝粉留在了孔内。实施例3说明对于密度较大的颗粒，单个脉冲的激光已经可以排出较多的部分，增加作用脉冲数即可完成清洗。这与冷却孔堵塞情况相比，堵塞物质通常为灰尘等杂质，密度较小，激光空泡将是清洗冷却孔的有效方法。

实施例4

针对喷油嘴被粘稠沉积物质堵塞情况，研究激光空泡对小孔内粘性介质的迁移作用。由于粘稠物质对照明光不透明，无法通过高速摄影法拍摄粘稠物的迁移过程，且考虑粘稠物由具体使用情况而粘度不同，因而采用测量迁移质量的方法研究激光空泡对具有不同粘度的物质迁移率。

首先在铝板上制备直径为1.6mm且孔深2mm的微孔。通过掺水的方法配置粘度为1～733mPa·s的液体介质，并将液体介质注满小孔。通过比较试样在注入液体前后的质量变化，得到注入的液体质量。利用波长为1064nm且能量为200mJ的纳秒激光聚焦于小孔内的液体表面。单个脉冲激光作用后，通过比较注有液体的试样在激光作用前后的质量变化，得到迁移的质量。迁移的质量与孔内液体的质量比值即为液体的质量迁移率。图5为液体质量迁移率随着液体动力粘度的变化趋势。由图5可知，在单个纳秒激光作用下，微孔内液体为动力粘度1mPa·s的水时，约有45％的水喷溅离开小孔，随着动力粘度的增加，质量迁移率不断下降。当动力粘度达到750mPa·s时，迁移率将为0。通常在20℃时，汽油的动力粘度约为0.457mPa s，柴油的动力粘度约为4mPa s。说明当粘稠物的动力粘度约为燃油数百倍时，激光致空泡的作用才失去作用。对于粘度小于750mPa·s情况，可以通过多个激光脉冲作用，将喷油嘴清洗干净。

Claims (10)

1.一种阵列微孔的激光空泡清洗装置，其特征在于，所述装置包括激光器(7)、光路传输系统、扫描振镜(14)、清洗水槽(1)和计算机(6)；所述激光器(7)输出光束(10)经光路传输系统到达扫描振镜(14)；扫描振镜(14)下方为清洗水槽(1)；扫描振镜(14)和激光器(7)与计算机(6)连接；

激光器(7)发射脉冲激光，脉冲激光通过透光路传输系统引导入扫描振镜(14)；将预先确定所清洗微孔的孔口坐标输入计算机(6)，通过计算机(6)调节扫描振镜(14)改变脉冲激光路径，将激光作用于该孔口坐标的微孔内。

2.根据权利要求1所述的阵列微孔的激光空泡清洗装置，其特征在于，所述的光路传输系统包括依次连接的光纤(8)、光纤接口(9)、准直透镜(11)、扩束镜(12)及反射镜(13)。

3.根据权利要求1所述的阵列微孔的激光空泡清洗装置，其特征在于，所述的光路传输系统和扫描振镜(14)可扩展安装于机械臂，以适用于大构件的微孔清洗。

4.根据权利要求1所述的阵列微孔的激光空泡清洗装置，其特征在于，所述清洗水槽(1)包括水槽(1)、夹具(3)及两个光电二极管(4，5)；其中，光电二极管(4，5)与计算机(6)连接。

5.一种阵列微孔的激光空泡清洗方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：将光路传输系统与激光器(7)连接，使得激光束(10)可传输至扫描振镜(14)；

第二步：依据阵列孔的排列间距，在计算机(6)中设定扫描振镜(14)控制的激光扫描路径和扫描时间；

第三步：根据微孔堵塞物的类型调整激光参数；

第四步：将待清洗构件(2)置于水槽(1)中并用夹具(3)固定，确保微孔位于扫描振镜(14)的扫描范围，微孔面对激光束入射方向；

第五步：将两个光电二极管(4，5)分别调整于微孔上方的入口及下方的出口处；

第六步：在清洗水槽中注水，使得构件(2)浸没于水中；

第七步：开启激光器，计算机控制激光进行空泡清洗；

第八步：当清洗时间达到扫描时间或满足清洗结束条件，清洗终止。

6.根据权利要求5所述的阵列微孔的激光空泡清洗方法，其特征在于，第一步中激光器(7)为纳秒激光器，单脉冲激光脉宽为10ns～50ns，能量为1mJ～400mJ，重复频率250Hz～10kHz，输出波长在红外波段。

7.根据权利要求5所述的阵列微孔的激光空泡清洗方法，其特征在于，第二步中扫描振镜(14)的扫描角度范围为0～±0.35rad，扫描速度为0～3.5m/s，焦距范围为100mm～300mm。

8.根据权利要求5所述的阵列微孔的激光空泡清洗方法，其特征在于，第五步中的光电二极管(4，5)的响应波段包含红外光，其响应时间在纳秒量级。

9.根据权利要求5所述阵列微孔的激光空泡清洗方法，其特征在于，第八步清洗结束条件为通孔清洗情况下，孔出口处的光电探测器探测(5)到与清洗激光的光强相当的红外光光强信号，表明孔内物质已被完全排出微孔。

10.根据权利要求5所述阵列微孔的激光空泡清洗方法，其特征在于，第八步清洗结束条件为盲孔清洗情况下，孔入口处光电探测器(4)探测到由孔反射而出的红外光光强，当光强与清洗激光的光强相比较弱时，表明孔内物质已被完全排出微孔。