CN110548730A - 铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置及方法，装置包括激光清洗装置、烟雾净化器和可变位的清洗平台，清洗平台用于对待清洗铝合金工件进行装夹定位，激光清洗装置包括激光清洗机主机和机械手，激光清洗机主机包括激光发射器和激光清洗头，激光清洗头固定于机械手的手臂末端，清洗平台位于激光清洗头出光方向，激光清洗头内设置有扫描振镜，烟雾净化器的吸烟管固定于激光清洗头上，激光发射器产生的激光通过激光清洗头内的扫描振镜作用后辐照于清洗平台上的铝合金工件的待清洗区域表面，对工件待清洗区域进行选区范围内的动态扫描，并通过烟雾净化器处理清洗过程中产生的粉尘等颗粒污染物，避免造成人体或环境的污染。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金阳极氧化膜激光清洗技术领域，具体涉及一种铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置及方法。
背景技术
防锈铝合金零件在制造后一般都需要进行阳极氧化处理生成阳极氧化膜后再涂装专用油漆，提高零件抗腐蚀性。
防锈铝合金零件在一定的使用周期后，其表面涂装的原漆层会出现不同程度的损伤，影响了零件整体抗腐蚀性能，需要整体清除掉原漆层后再重新进行涂装翻新。
防锈铝合金零件在使用周期内出现了非破坏性损伤，如裂纹等缺陷时，需要将缺陷区域清理干净后进行焊接修补，但是阳极氧化膜会影响焊接质量，产生气孔、夹杂等不同程度缺陷，所以需要将缺陷区域原漆层及阳极氧化膜层全部清除掉后再进行补焊。
传统的机械去除(打磨、喷砂等)漆层、阳极氧化膜层的方式难以精确控制减薄量，易对基材表面造成损伤，而且存在粉尘等颗粒污染物难以及时处理等问题，会污染环境及伤害操作人员健康。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置及方法，具体方案如下：
作为本发明的第一方面，提供一种铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置，所述装置包括激光清洗装置、烟雾净化器和可变位的清洗平台，所述清洗平台用于对待清洗铝合金工件进行装夹定位，所述激光清洗装置包括激光清洗机主机和机械手，所述激光清洗机主机为一体化集成设备，包括激光发射器和用于将激光发射器产生的激光射出的激光清洗头，所述激光清洗头固定于所述机械手的手臂末端，通过机械手带动激光清洗头移动，以调节激光清洗头的位置，所述清洗平台位于所述激光清洗头出光方向，所述激光清洗头内设置有扫描振镜，所述烟雾净化器包括烟雾净化器本体和连接于所述烟雾净化器本体上的吸烟管，所述吸烟管末端固定于所述激光清洗头上，所述激光发射器产生的激光通过激光清洗头内的扫描振镜作用后辐照于清洗平台上的铝合金工件的待清洗区域表面，通过所述扫描振镜，使激光束对工件待清洗区域进行选区范围内的平面或三维曲面的动态扫描，并通过烟雾净化器处理清洗过程中产生的粉尘等颗粒污染物，避免造成人体或环境的污染。
进一步地，所述清洗平台为多自由度变位机，所述铝合金工件装夹于所述多自由度变位机上，通过所述多自由度变位机带动所述铝合金工件旋转、翻转、平移或升降，以调整铝合金工件的位置、角度及待清洗面等。
进一步地，所述激光清洗机主机还包括控制系统，所述激光发射器与所述扫描振镜均与所述控制系统连接，所述控制系统用于控制激光发射器输出激光的相关参数以及扫描振镜输出激光的扫描参数，所述激光发射器输出激光的相关参数包括激光平均功率、脉冲频率、脉冲宽度和单脉冲能量等，所述扫描振镜输出激光的扫描参数包括光斑排列、线光斑间距、扫描速度、填充方式与扫描范围(即电机扫描角度)等。
进一步地，所述激光发射器包括激光器、传输光纤、输出光隔离器，所述激光清洗头内还设置有光学镜组和透镜，所述激光器产生的激光经传输光纤传输到输出光隔离器，并经输出光隔离器传输到激光清洗头，经过激光清洗头内的光学镜组后传输到扫描振镜，并经激光清洗头内的扫描振镜作用后再通过透镜辐照于铝合金工件的待清洗区域表面。
进一步地，所述光学镜组为激光束准直器、激光束扩束器或激光束整形器；所述透镜为F-theta场镜。
进一步地，所述激光发射器为光纤激光器或纳秒级脉冲式激光器；所述激光发射器的激光发射平均功率50-500W，脉冲频率可调范围10-4000KHz，脉冲宽度1-500ns，单脉冲能量0.5-100mJ。
进一步地，所述激光清洗头轴线与铝合金工件待清洗区域法线成夹角α设置，所述夹角α为：0°≤α≤45°
进一步地，所述扫描振镜为二维扫描振镜，所述二维扫描振镜包括平面X和Y方向两组扫描电机，实现输出激光在平面区域范围内的动态扫描；或者所述扫描振镜为三维扫描振镜，所述三维扫描振镜包括平面X、Y方向扫描电机以及Z方向音圈电机，实现输出激光在区域范围内三维曲面的动态扫描。
进一步地，所述装置还包括用于采集待清洗铝合金工件的待清洗区域图像的第一CCD相机和用于采集待清洗铝合金工件的正常区域图像的第二CCD相机，所述第一CCD相机镜头对准待清洗铝合金工件的待清洗区域，所述第二CCD相机镜头对准待清洗铝合金工件的正常区域，用以通过铝合金工件清洗区域的表面与周边正常区域的表面的图像对比度来判断工件表面原漆层是否清洗干净。
作为本发明的第二方面，提供一种铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗方法，所述方法包括：
通过可变位的清洗平台对铝合金工件进行装夹，通过所述清洗平台带动所述铝合金工件旋转、翻转、平移或升降，以调整铝合金工件的位置、角度及待清洗面；
通过操作机械手带着激光清洗头向铝合金工件待清洗区域移动至合适的焦距，并调整激光清洗头的角度，使激光清洗头射出的激光束与工件待清洗区域法线形成夹角θ，夹角θ为：0°≤θ≤60°；
通过控制系统控制激光发射器输出激光的相关参数，使激光发射器输出激光到达设定的激光平均功率、脉冲宽度、脉冲频率以及单脉冲能量，通过控制系统控制扫描振镜输出激光的扫描参数，使其按照设定的扫描速度与扫描范围对铝合金工件待清洗区域进行清洗。
进一步地，所述方法还包括：根据铝合金工件后续工序的需求划分清洗方式，具体如下:
如铝合金工件表面涂装的原漆层出现不同程度的损伤,需要进行涂装翻新，则清除工件整体表面原漆层后重新喷涂新漆；
如铝合金工件表面出现裂纹缺陷需要补焊，则将补焊区域内原漆层和基材阳极氧化膜层全部清除，待补焊后重新喷涂新漆。
进一步地，所述方法还包括：
逐层清洗过程中，每清洗一遍时，通过CCD相机采集铝合金工件清洗区域的表面与周边正常区域的表面图像，通过铝合金工件清洗区域的表面与周边正常区域的表面的图像对比度来判断工件表面原漆层是否清洗干净，例如，当所述对比度接近于基材与原漆层的标定的基准对比度时，清洗完毕，激光清洗装置停止工作，否则继续进行清洗。
本发明具有以下有益效果：
1、清洗效率高：本发明采用纳秒级脉冲光纤激光器，原理是利用纳秒级脉冲激光束辐照工件待清洗区域表面，使得其表面漆层及阳极氧化膜层吸收激光能量后瞬间发生烧蚀、气化，最终剥离基材表面，从而高效的实现工件表面清洁目的。
2、清洗效果好：本发明采用了带二维/三维扫描振镜的激光清洗头及相配的控制系统，通过控制系统对二维/三维扫描振镜的输出激光进行相关参数的控制调整实现对防锈铝合金工件阳极氧化膜及表面漆膜复合层的非接触式的逐层清洗，可以有效解决清洗过度或清洗不足以及由此导致的工件受热、受损的情况，提高了清洗质量。
3、工作过程稳定，应用范围广：本发明采用了机械手挂载激光清洗头，与可变位机构的清洗平台联动控制，自动化程度高，能够清洗复杂工件，清洗过程中能有效保持激光清洗的焦距始终符合要求，清洗过程稳定；而且采用光纤激光器，光路柔性，灵活性高，维护成本低。
4、更环保：本发明可方便集成烟雾净化器，能有效处理清洗过程中产生的粉尘等颗粒污染物，避免造成人体或环境的污染。
附图说明
图1为本发明实施例提供的铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的激光清洗头工作位置及角度示意图；
附图标记说明：1、激光器；2、控制系统柜；3、传输光纤；4、输出光隔离器；5、光学镜组；6、扫描振镜；7、透镜；8、清洗平台；9、待清洗的防锈铝合金工件；10、机械手；11、激光清洗头；12、激光束；13、烟雾净化器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，作为本发明的第一实施例，提供一种铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置，所述装置包括激光清洗装置、烟雾净化器13和可变位的清洗平台8，所述清洗平台8用于对待清洗铝合金工件9进行装夹定位，所述激光清洗装置包括激光清洗机主机和机械手10，所述激光清洗机主机为一体化集成设备，包括激光发射器和用于将激光发射器产生的激光射出的激光清洗头11，所述激光清洗头11固定于所述机械手10的手臂末端，通过机械手10带动激光清洗头11移动，以调节激光清洗头11的位置，所述清洗平台8位于所述激光清洗头11出光方向，所述激光清洗头11内设置有扫描振镜6，所述烟雾净化器13包括烟雾净化器13本体和连接于所述烟雾净化器13本体上的吸烟管，所述吸烟管末端固定于所述激光清洗头11上，所述激光发射器产生的激光通过激光清洗头11内的扫描振镜6作用后辐照于清洗平台8上的铝合金工件9的待清洗区域表面，通过所述扫描振镜6，使激光束12对工件待清洗区域进行选区范围内的平面或三维曲面的动态扫描，并通过烟雾净化器13处理清洗过程中产生的粉尘等颗粒污染物，避免造成人体或环境的污染。
其中，所述吸烟管可以直接固定于激光清洗头外壁上，通过所述吸烟管将吸取清洗过程中产生的粉尘等颗粒污染物；也可采用如图1所示的方式，将吸烟管末端与激光清洗头上的适配接口连接，清洗过程中产生的粉尘由激光清洗头吸取进吸烟管中。
本发明采用了机械手10挂载激光清洗头11，与可变位机构的清洗平台8联动控制的方式，自动化程度高，能够清洗复杂工件，清洗过程中能有效保持激光清洗的焦距始终符合要求，清洗过程稳定，通过扫描振镜6使辐照到待清洗防锈铝合金工件9上的点光斑变成动态扫描，并且通过烟雾净化器13及时处理清洗过程中产生的粉尘等颗粒污染物，避免造成人体或环境的污染。
优选地，所述清洗平台8为多自由度变位机，所述铝合金工件9装夹于所述多自由度变位机上，通过所述多自由度变位机带动所述铝合金工件9旋转、翻转、平移或升降，以调整铝合金工件9的位置、角度及待清洗面等。
优选地，所述激光清洗机主机还包括与激光发射器、扫描振镜6相配的控制系统，所述激光发射器与所述所述控制模块均位于控制系统柜2内，所述激光发射器与所述扫描振镜6均与所述控制系统连接，所述控制系统用于控制激光发射器输出激光的相关参数以及扫描振镜6输出激光的扫描参数，所述激光发射器输出激光的相关参数包括激光平均功率、脉冲频率、脉冲宽度和单脉冲能量等，所述扫描振镜6输出激光的扫描参数包括光斑排列、线光斑间距、扫描速度、填充方式以及扫描范围(即电机扫描角度)等，通过对输出激光的光斑排列、线光斑间距、扫描速度、填充方式与扫描范围的调节实现选区范围内的平面或三维曲面的动态扫描，扫描范围最大为400mmx400mm。
优选地，所述激光发射器包括激光器1、传输光纤3、输出光隔离器4，所述激光清洗头11内还设置有光学镜组5和透镜7，所述激光器1产生的激光经传输光纤3传输到输出光隔离器4，并经输出光隔离器4传输到激光清洗头11，经过激光清洗头11内的光学镜组5后传输到扫描振镜6，并经激光清洗头11内的扫描振镜6作用后再通过透镜7辐照于铝合金工件9的待清洗区域表面。
优选地，所述光学镜组5为激光束12准直器、激光束12扩束器或激光束12整形器；所述透镜7为F-theta场镜。
优选地，所述激光发射器为光纤激光器1或纳秒级脉冲式激光器1；所述激光发射器的激光发射平均功率50-500W，脉冲频率可调范围10-4000KHz，脉冲宽度1-500ns，单脉冲能量0.5-100mJ。
优选地，所述激光清洗头11轴线与铝合金工件9待清洗区域法线成夹角α设置，所述夹角α为：0°≤α≤45°
优选地，所述扫描振镜6为二维扫描振镜6，所述二维扫描振镜6包括平面X和Y方向两组扫描电机，实现输出激光在平面区域范围内的动态扫描；或者所述扫描振镜6为三维扫描振镜，所述三维扫描振镜包括平面X、Y方向扫描电机以及Z方向音圈电机，实现输出激光在区域范围内三维曲面的动态扫描。
铝合金工件9表面经阳极氧化处理后涂装油漆，其阳极氧化层与漆层组成的复合层结合紧密，但阳极氧化层远远薄于漆层，而且两种膜层的厚度以及清洗工艺也不一样，使得一般激光清洗设备在清洗工件表面时较难以控制减薄量，可能会导致工件基材受损，影响清洗的效果与表面一致性。为了解决减薄量难把控的问题，本发明采用了二维/三维扫描振镜6将辐照到待清洗铝合金工件9上的点光斑变成可进行选区范围内的平面或三维曲面动态扫描的线光斑，结合清洗工艺参数控制实现对阳极氧化层与漆层的复合层的逐层清洗，避免损伤基材，还可根据工件后续处理工序的不同分别对漆层与阳极氧化层进行整体清洗以及漆层单独清洗。
作为本发明的第二实施例，提供一种铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗方法，所述方法包括：
通过可变位的清洗平台8对铝合金工件9进行装夹，通过所述清洗平台8带动所述铝合金工件9旋转、翻转、平移或升降，以调整铝合金工件9的位置、角度及待清洗面；其中，所述铝合金工件9包括环状、筒状、柱状等形状。
通过操作机械手10带着激光清洗头11向铝合金工件9待清洗区域移动至合适的焦距，并调整激光清洗头11的角度，使激光清洗头11射出的激光束12与工件待清洗区域法线形成夹角θ，夹角θ为：0°≤θ≤60°；
通过控制系统控制激光发射器输出激光的相关参数，使激光发射器输出激光到达设定的激光平均功率、脉冲宽度、脉冲频率以及单脉冲能量，通过控制系统控制扫描振镜6输出激光的扫描参数，使其按照设定的扫描速度与扫描范围对铝合金工件9待清洗区域进行清洗。
优选地，所述方法还包括：根据铝合金工件9后续工序的需求划分清洗方式，具体如下:
如铝合金工件9表面涂装的原漆层出现不同程度的损伤,需要进行涂装翻新，则清除工件整体表面原漆层后重新喷涂新漆；
如铝合金工件9表面出现裂纹缺陷需要补焊，则将补焊区域内原漆层和基材阳极氧化膜层全部清除，待补焊后重新喷涂新漆。
优选地，所述方法还包括：
逐层清洗过程中，每清洗一遍时，通过CCD相机采集铝合金工件9清洗区域的表面与周边正常区域的表面图像，通过铝合金工件9清洗区域的表面与周边正常区域的表面的图像对比度来判断工件表面原漆层是否清洗干净，例如，当所述对比度接近于基材与原漆层的标定的基准对比度时，清洗完毕，激光清洗装置停止工作，否则继续进行清洗。
本发明实施例提供的一种铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置，以解决上述现有技术存在的问题，利用激光清洗装置的控制系统对二维/三维扫描振镜6的输出激光进行相关参数的控制调整实现对防锈铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层的逐层清洗，清洗过程为非接触式清洗，能有效解决清洗过度或清洗不足以及由此导致的工件受热、受损的情况，保证了清洗效果，自动化程度高，方便集成烟雾净化器13去有效处理清洗过程中产生的粉尘等颗粒污染物，避免造成人体或环境的污染，以解决上述现有技术存在的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置，其特征在于，所述装置包括激光清洗装置、烟雾净化器和可变位的清洗平台，所述清洗平台用于对待清洗铝合金工件进行装夹定位，所述激光清洗装置包括激光清洗机主机和机械手，所述激光清洗机主机为一体化集成设备，包括激光发射器和用于将激光发射器产生的激光射出的激光清洗头，所述激光清洗头固定于所述机械手的手臂末端，通过机械手带动激光清洗头移动，以调节激光清洗头的位置，所述清洗平台位于所述激光清洗头出光方向，所述激光清洗头内设置有扫描振镜，所述烟雾净化器包括烟雾净化器本体和连接于所述烟雾净化器本体上的吸烟管，所述吸烟管末端固定于所述激光清洗头上，所述激光发射器产生的激光通过激光清洗头内的扫描振镜作用后辐照于清洗平台上的铝合金工件的待清洗区域表面，通过所述扫描振镜，使激光束对工件待清洗区域进行选区范围内的平面或三维曲面的动态扫描，并通过烟雾净化器处理清洗过程中产生的粉尘等颗粒污染物，避免造成人体或环境的污染。
2.根据权利要求1所述的铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置，其特征在于，所述清洗平台为多自由度变位机，用以带动所述铝合金工件旋转、翻转、平移或升降。
3.根据权利要求1所述的铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置，其特征在于，所述激光清洗机主机还包括控制系统，所述激光发射器与所述扫描振镜均与所述控制系统连接，所述控制系统用于控制激光发射器输出激光的相关参数以及扫描振镜输出激光的扫描参数。
4.根据权利要求3所述的铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置，其特征在于，所述激光发射器包括激光器、传输光纤、输出光隔离器，所述激光清洗头内还设置有光学镜组和透镜，所述激光器产生的激光经传输光纤传输到输出光隔离器，并经输出光隔离器传输到激光清洗头，经过激光清洗头内的光学镜组后传输到扫描振镜，并经激光清洗头内的扫描振镜作用后再通过透镜辐照于铝合金工件的待清洗区域表面。
5.根据权利要求4所述的铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置，其特征在于，所述光学镜组为激光束准直器、激光束扩束器或激光束整形器；所述透镜为F-theta场镜。
6.根据权利要求1所述的铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置，其特征在于，所述激光发射器为光纤激光器或纳秒级脉冲式激光器；所述激光发射器的激光发射平均功率50-500W，脉冲频率可调范围10-4000KHz，脉冲宽度1-500ns，单脉冲能量0.5-100mJ。
7.根据权利要求1所述的铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗装置，其特征在于，所述扫描振镜为二维扫描振镜，所述二维扫描振镜包括平面X和Y方向两组扫描电机，实现输出激光在平面区域范围内的动态扫描；或者所述扫描振镜为三维扫描振镜，所述三维扫描振镜包括平面X、Y方向扫描电机以及Z方向音圈电机，实现输出激光在区域范围内三维曲面的动态扫描。
8.一种铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗方法，其特征在于，所述方法包括：
通过可变位的清洗平台对铝合金工件进行装夹，通过所述清洗平台带动所述铝合金工件旋转、翻转、平移或升降，以调整铝合金工件的位置、角度及待清洗面；
通过操作机械手带着激光清洗头向铝合金工件待清洗区域移动至合适的焦距，并调整激光清洗头的角度，使激光清洗头射出的激光束与工件待清洗区域法线形成夹角θ，夹角θ为：0°≤θ≤60°；
通过控制系统控制激光发射器输出激光的相关参数，使激光发射器输出激光到达设定的激光平均功率、脉冲宽度、脉冲频率以及单脉冲能量，通过控制系统控制扫描振镜输出激光的扫描参数，使其按照设定的扫描速度与扫描范围对铝合金工件待清洗区域进行清洗。
9.根据权利要求8所述的一种铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗方法，其特征在于，所述方法还包括：根据铝合金工件后续工序的需求划分清洗方式，具体如下:
如铝合金工件表面涂装的原漆层出现不同程度的损伤,需要进行涂装翻新，则清除工件整体表面原漆层后重新喷涂新漆；
如铝合金工件表面出现裂纹缺陷需要补焊，则将补焊区域内原漆层和基材阳极氧化膜层全部清除，待补焊后重新喷涂新漆。
10.根据权利要求8所述的铝合金阳极氧化膜及表面漆膜复合层激光清洗方法，其特征在于，所述方法还包括：
逐层清洗过程中，每清洗一遍时，通过CCD相机采集铝合金工件清洗区域的表面与周边正常区域的表面图像，通过铝合金工件清洗区域的表面与周边正常区域的表面的图像对比度来判断工件表面原漆层是否清洗干净。
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