CN110586580B - 一种湿式激光清洗装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种湿式激光清洗装置及方法，涉及激光清洗技术领域，所述湿式激光清洗装置包括可移动的传动装置以及分别与所述传动装置相连接的激光清洗工作头和液膜铺设结构，所述激光清洗工作头朝向待清洗基材的表面设置，所述液膜铺设结构包括液体释放装置、液膜高度控制装置和移动装置，所述液体释放装置一端与所述传动装置相连接，所述液体释放装置的另一端与所述液膜高度控制装置相连接，且所述液膜高度控制装置还与所述移动装置相连接。与现有技术比较，本发明所述湿式激光清洗装置及方法能够控制铺设液膜的厚度，在激光发射较低的功率下，仍然具有很好的清洗效果。

Description

一种湿式激光清洗装置及方法

技术领域

本发明涉及激光清洗技术领域，具体而言，涉及一种湿式激光清洗装置及方法。

背景技术

激光清洗作为一种环境友好型的表面清洗方式，接触待清洗材料表面，避免了机械清洗造成材料损伤，可以与机器人配合，可以远程操作，可以清洗一些复杂表面，保证操作人的健康，清洗效率高，重复性好，不损害基材，可清洗多种污染物，一次性投入，清洗成本底，是一种具有巨大前途的表面清洗方法。

现有的激光清洗方式一般包括干式激光清洗方式和湿式激光清洗方式，且一般存在如下缺陷：干式激光清洗方式，在激光发射功率较高的情况下，容易损伤基材，而在激光发射功率较低的情况下，清洗效果不好；湿式激光清洗方式无法控制铺设液膜的厚度，清洗效果不理想。

发明内容

本发明解决的问题是现有的激光清洗方式容易损伤基材或清洗效果不理想。

为解决上述问题，本发明提供了一种湿式激光清洗装置，包括可移动的传动装置以及分别与所述传动装置相连接的激光清洗工作头和液膜铺设结构，所述激光清洗工作头包括激光发射装置，且所述激光发射装置朝向待清洗基材的表面设置，所述液膜铺设结构包括液体释放装置、液膜高度控制装置和移动装置，所述液体释放装置一端与所述传动装置相连接，所述液体释放装置的另一端与所述液膜高度控制装置相连接，且所述液膜高度控制装置还与所述移动装置相连接。

进一步地，所述液体释放装置包括储液设备、导液设备和控制阀，所述储液设备的一端与所述传动装置相连接，所述储液设备的另一端与所述导液设备相连接，所述控制阀设置于所述导液设备上，所述控制阀用于控制是否释放待清洗液。

进一步地，所述液膜高度控制装置包括相互连接的位置调整机构和控制板，且所述位置调整机构与所述移动装置通过一第一连接装置相连接，所述控制板与所述导液设备相连接。

进一步地，所述所述位置调整机构包括旋转量距部件和固定部件，所述控制板包括相互连接的位置固定板和控制刮板，所述旋转量距部件与所述第一连接装置通过一连接杆固定连接，所述固定部件和所述位置固定板与所述连接杆活动连接。

进一步地，所述固定部件包括第一固定件和第二固定件，且所述位置固定板设置于所述第一固定件与所述第二固定件之间。

进一步地，所述第一连接装置内设置弹性装置，所述弹性装置与所述第二固定件相连接。

进一步地，所述控制刮板相对于所述位置固定板倾斜设置，所述位置固定板与所述导液设备相连接，且所述控制刮板向背离所述导液设备的方向设置。

进一步地，湿式激光清洗装置还包括第二连接装置，所述第二连接装置的一端与所述传动装置相连接，所述第二连接装置的另一端与所述控制刮板相连接。

进一步地，湿式激光清洗装置还包括污物吸收装置，所述污物吸收装置与所述激光发射装置发出的激光输出束的距离为5-15cm，所述污物吸收装置与所述待清洗基材的距离为3-15cm，且所述污物吸收装置相对于所述待清洗基材的表面倾斜设置。

本发明所述的湿式激光清洗装置相对于现有技术的优势在于，本发明所述的湿式激光清洗装置设置液膜高度控制装置，能够控制铺设液膜的高度，在激光发射较低的功率下，仍然具有很好的清洗效果。

本发明还提供了一种湿式激光清洗装置方法，通过上述的湿式激光清洗装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：对待清洗基材表面进行预处理，去除易脱落污物；

步骤S2：调节位置调整机构，控制液膜铺设厚度；

步骤S3：开启控制阀，使待清洗液流向所述待清洗基材表面；

步骤S4：打开激光发射装置，开始激光清洗；

步骤S5：经过预设时间间隔后，关闭控制阀和激光发射装置，观察所述待清洗基材表面清洗情况，如清洗未完全，重复步骤S3和步骤S4，直至清洗完全；如所述待清洗基材表面损伤，重新调整激光发射装置发射激光的参数后，重复步骤S3和步骤S4，直至清洗完全；

步骤S6：关闭控制阀和激光发射装置，湿式激光清洗结束。

进一步地，步骤S2包括：

步骤S21：调节旋转量距部件，固定控制板的初始位置；

步骤S22：调节固定部件，对所述控制板的位置进行微调节，直至所述控制板的位置固定。

进一步地，步骤S4中，所述激光清洗的参数包括：振镜速度0-10000mm/s扫描宽度0-100mm，激光输出功率0-1000W。

进一步地，步骤S5中，所述重新调整激光发射参数包括降低激光输出功率。

本发明所述的湿式激光清洗装置方法相对于现有技术的优势与所述湿式激光清洗装置相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例中湿式激光清洗装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中液膜铺设结构的部分结构正视图；

图3为本发明实施例中液膜铺设结构的部分结构侧视图；

图4为本发明实施例中湿式激光清洗方法的流程框图；

图5为本发明具体实施例中激光发射功率为300W下的湿式激光清洗的清洗交界处的扫描电子显微镜测试图；

图6为本发明具体实施例中激光发射功率为300W下的干式激光清洗的清洗交界处的扫描电子显微镜测试图。

附图标记说明：

1-传动装置、2-激光清洗工作头、3-储液设备、4-导液设备、5-控制阀、6-位置调整机构、61-旋转量距部件、62-固定部件、7-控制板、71-位置固定板、72-控制刮板、8-移动装置、9-第一连接装置、10-连接杆、11-第二连接装置、12-污物吸收装置、13-待清洗基材。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，附图中“X”的正向代表前方，“X”的反向代表后方，“Y”的正向代表左方，“Y”的反向代表右方，“Z”的正向代表上方，“Z”的反向代表下方，且术语“X”、“Y”、“Z”等指示的方位或位置关系为基于说明书附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。术语“一些具体实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种湿式激光清洗装置，包括可移动的传动装置1以及分别与传动装置1相连接的激光清洗工作头2和液膜铺设结构，激光清洗工作头2包括激光发射装置，且激光发射装置朝向待清洗基材13的表面设置，且在传动装置1的带动下移动，用于向待清洗基材13的表面发射激光，液膜铺设结构包括液体释放装置、液膜高度控制装置和移动装置8，液体释放装置一端与传动装置1相连接，另一端与液膜高度控制装置相连接，用于向待清洗基材13表面流入待清洗液，液膜高度控制装置与移动装置8相连接，在传动装置1的带动下，液体释放装置、液膜高度控制装置以及移动装置8沿待清洗基材13表面移动，用于在待清洗基材13表面铺设液膜，控制液膜的高度，且移动装置8的移动，减小液膜高度控制装置在移动过程中的阻力。

本发明实施例所述的湿式激光清洗装置设置液膜高度控制装置，能够控制铺设液膜的高度，在激光发射较低的功率下，仍然具有很好的清洗效果。

优选地，液体释放装置包括储液设备3、导液设备4和控制阀5，储液设备3一端与传动装置1相连接，另一端与导液设备4相连接，控制阀5设置于导液设备4上，用于控制是否释放待清洗液。在一些优选实施例中，导液设备4设置于所述储液设备3的下部，在重力的作用下更容易流液，且倒液设备具有等截面结构，确保在流液过程中，能够使待清洗液能够均匀分散于待清洗基材13表面，确保均匀铺设液膜。

如图2和图3所示，优选地，液膜高度控制装置包括相互连接的位置调整机构6和控制板7，且位置调整机构6与移动装置8通过第一连接装置9相连接，控制板7与导液设备4相连接，控制板7用于在位置调整机构6的作用下对铺设液膜的高度进行控制。

优选地，位置调整机构6包括旋转量距部件61和固定部件62，控制板7包括相互连接的位置固定板71和控制刮板72，旋转量距部件61与第一连接装置9通过一连接杆10固定连接，固定部件62和位置固定板71分别与连接杆10活动连接。固定部件62和位置固定板71中间分别设置通孔，固定部件62和位置固定板71通过通孔套设于连接杆10的外围，固定部件62包括第一固定件和第二固定件，第一固定件设置于第二固定件的上部，且位置固定板71设置于第一固定件与所述第二固定件之间。本实施例中对于第一固定件和第二固定件的现状不做具体限制，在一些优选实施例中，第一固定件的横截面为圆环状，第二固定件为圆环状，结构简单，容易固定。

优选地，第一连接装置9内设置弹性装置，弹性装置与第二固定件相连接，用于在固定位置固定板71时，进行缓冲，避免冲撞旋转量距部件61，对旋转量距部件61造成损坏。在一些优选实施例中，弹性装置为弹簧，结构简单，原料易得。

优选地，控制刮板72相对于位置固定板71倾斜设置，在一些优选实施例中，位置固定板71与控制刮板72垂直连接，结构规整，连接方便。位置固定板71与导液设备4相连接，控制刮板72设置于导液设备4的前方，用于在导液设备4流出待清洗液后对铺膜高度进行控制。

本实施例中，液膜的高度可根据实际需要进行定制，优选地，液膜的高度范围为1um-2mm，在此范围内时激光清洗效果好。

优选地，本实施例中，湿式激光清洗装置还包括第二连接装置11，第二连接装置11的一端与传动装置1相连接，第二连接装置11的另一端与控制刮板72相连接，使得与第一连接装置9相连接的移动装置8在第二连接装置11的作用下随传动装置1移动。

优选地，本实施例中，湿式激光清洗装置还包括污物吸收装置12，且吸收装置的位置可根据实际情况进行位置改动，确保安全、绿色和无污染。在一些具体实施例中，污物吸收装置12与激光输出束的距离为5-15cm，污物吸收装置12与待清洗基材13的距离为3-15cm，且污物吸收装置12的轴线与待清洗基材13的表面具有倾斜角度，所述倾斜角度范围为0°-90°，能够更好地吸收污物，在一些优选实施例中，污物吸收装置12与激光输出束的距离为5cm，污物吸收装置12与待清洗基材13的距离为3cm，且污物吸收装置12的轴线与待清洗基材13的表面成45°夹角，使得清洗后的污染物完全被吸收，激光束不会照射到收集装置。

由于在基材表面形成污物层时，会由于形成的条件不同和污物的特性原因，基材表面的污物层会在形成的过程中出现凹凸或疏松孔结构，因此，本实施例中湿式激光清洗装置在清洗基材表面污物时，在基材表面涂覆液膜，液膜在激光作用下沸腾，同时存在于污物膜凹坑或疏松孔内的液体会在激光作用下，瞬间吸收热量，发生沸腾、爆破或空化现象，提供较强的清洗力，使污物脱离于基材表面，清洗掉污物。且本装置不仅能对基材氧化膜清洗，还可以对基材表面的颗粒、油层及油漆层进行清洗，同时由于设置液膜高度控制装置，清洗效果好。

如图4所示，本发明另一实施例提供了一种湿式激光清洗装置方法，通过上述的湿式激光清洗装置实现，包括以下步骤：

步骤S1：对待清洗基材13表面进行预处理，去除易脱落污物，所述预处理液与待清洗液相同，且所述待清洗液包括纯水、乙醇或丙酮；

步骤S2：调节位置调整机构6，控制液膜铺设厚度；

步骤S3：开启控制阀5，使待清洗液流向所述待清洗基材13表面；

步骤S4：打开激光发射装置，开始激光清洗；

步骤S5：经过预设时间间隔后，关闭控制阀5和激光发射装置，观察所述待清洗基材13表面清洗情况，如清洗未完全，重复步骤S3和步骤S4，直至清洗完全；如所述待清洗基材13表面损伤，重新调整激光发射装置发射激光的参数后，重复步骤S3和S4，直至清洗完全；

步骤S6：关闭控制阀5和激光发射装置，湿式激光清洗结束。

优选地，步骤S2包括：

步骤S21：调节旋转量距部件61，固定控制板7的初始位置；

步骤S22：调节固定部件62，对所述控制板7的位置进行微调节，直至控制板7的位置固定，具体为，将第一固定件调节到与旋转量距部件61对应位置后固定，设置于位置固定板71下方的第二固定件在第一连接装置9中弹簧的作用下向上移动，使得位置固定板71与第一固定件接触，旋紧第二固定件，保证位置固定板71位置固定，进而使得控制刮板72在整个湿式激光清洗过程中位置不发生改变，确保液膜厚度恒定。

本实施例中步骤S4所述激光清洗的参数可根据待清洗基材13的种类以及表面的污物进行设定，在一些优选实施例中，振镜速度0-10000mm/s扫描宽度0-100mm，激光输出功率0-1000W。在此激光清洗参数下，激光清洗效果好。

优选地，步骤S5中，重新调整激光发射参数包括降低激光输出功率，且激光发射功率的降低范围包括20-50。原因在于，当待清洗基材13表面发生损伤时，表面单位面积吸收能量较多，基材温度较高，达到基材的熔点或沸点时会出现熔化、汽化甚至是升华现象。不仅污物被去除，基材表面也会发生损伤，影响清洗后基材的应用。而由于在所有参数确定的条件下，照射材料表面的能量由功率影响，当表面出现损伤时，调小功率是最有效的途径。所以，要调节较低的功率，降低能量输入，保证基材不被损伤。

本发明实施例所述的湿式激光清洗装置方法相对于现有技术的其他优势与所述湿式激光清洗装置相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。

下面以一个具体实施例进行说明。

本实施例提供了一种湿式激光清洗装置方法，其中待清洗基材13为TC₄钛合金，待清洗液为乙醇，包括以下步骤：

步骤S1：对TC₄钛合金表面用乙醇溶液清洗，不仅能够清洗掉表面黏附力较弱的污染物，而且乙醇能够残留于表面，填充表面的凹凸结构，调节表面平整情况，能够增加乙醇与待清洗TC₄钛合金表面的表面亲和力，有益于铺设更平整的液膜；

步骤S2：先调节旋转量距部件61，固定控制板7的初始位置；再调节固定部件62，对所述控制板7的位置进行微调节，控制液膜铺设厚度为0.5mm；

步骤S3：开启控制阀5，使乙醇流向TC₄钛合金表面，确保乙醇能够在导液设备4中有少量的积累，避免在清洗过程中出现断层等现象；

步骤S4：打开激光发射装置，开始激光清洗，其中激光发射装置的参数为：脉冲宽度为60ns，重复频率为25kHz，振镜运行速度为7000mm/s，扫描宽度为80mm，光斑为圆形1mm直径的平顶光斑，且激光发射功率为300W；

步骤S5：经过固定时间间隔后，关闭控制阀5和激光发射装置，观察所述待清洗基材13表面清洗情况，如清洗未完全，重复步骤S3和S4，直至清洗完全；如所述待清洗基材13表面损伤，重新调整激光发射参数后，重复步骤S3和S4，直至清洗完全；

步骤S6：关闭控制阀5和激光发射装置，湿式激光清洗结束。

因此，本实施例提供的湿式激光清洗方法不仅能对基材氧化膜清洗，还可以对基材表面的颗粒、油层及油漆层进行清洗，同时由于设置液膜高度控制装置，清洗效果好。

本实施例以在同等激光发射参数下，采用干式激光清洗方法清洗的TC₄钛合金作为对比试验，以验证本实施例中湿式激光清洗方法的清洗效果。结果如下：

通过肉眼观察，采用湿式激光清洗后的基材表面明显由原来的暗黑色转变成光亮色，显示出金属的原有金属光泽，清洗效果明显。而采用干式激光清洗后的基材表面明显存在黄色未清洗掉的氧化膜结构。

如图5和图6所示，其中图5左侧为未清洗的试样表面的SEM图，右侧为经过湿式激光清洗后的试样表面的SEM图。图6左侧为未清洗的试样表面的SEM图，右侧为经过干式激光清洗后的试样表面的SEM图。可以观察到，经过激光清洗后的试样表面形成高度差，这是由于经过激光清洗后基材表面的氧化膜会因为热烧蚀、振动及空化作用而脱落，而经过湿式激光清洗后的试样表面形成的高度差比较明显。

通过对图5和图6中A，B，C1和C2四个区域中的元素进行能谱(EDX)分析，得到分经过湿式激光清洗的A区域和经过干式激光清洗的B区域，氧元素含量分别为13.23％和21.70％。而未进行激光清洗的(C1+C2)/2＝C区域中，氧元素含量40.36％，可以看出，湿式激光清洗和干式激光清洗均可对基材表面污物进行清洗，但湿式激光清洗效果更显著，这是由于干式激光清洗作用主要为热烧蚀、热作用力，而湿式主要作用为热作用力、空化与沸腾作用。所以当在低功率作用下，产生热量较少，热量累计较低，热烧蚀作用较低，而沸腾及空化作用作用不变，所以湿式激光清洗效果强于干式激光清洗效果。

因此，相比于干式激光清洗方法，本实施例提供的湿式激光清洗方法清洗效果更好。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种湿式激光清洗装置，其特征在于，包括可移动的传动装置(1)以及分别与所述传动装置(1)相连接的激光清洗工作头(2)和液膜铺设结构，所述激光清洗工作头(2)包括激光发射装置，且所述激光发射装置朝向待清洗基材(13)的表面设置，所述液膜铺设结构包括液体释放装置、液膜高度控制装置和移动装置(8)，所述液体释放装置的一端与所述传动装置(1)相连接，所述液体释放装置的另一端与所述液膜高度控制装置相连接，且所述液膜高度控制装置还与所述移动装置(8)相连接；所述传动装置(1)适于驱动所述液体释放装置、所述液膜高度控制装置以及所述移动装置(8)沿所述待清洗基材(13)表面移动；所述液膜高度控制装置包括相互连接的位置调整机构(6)和控制板(7)，且所述位置调整机构(6)与所述移动装置(8)通过第一连接装置(9)相连接，所述控制板(7)与所述液体释放装置相连接；所述位置调整机构(6)包括旋转量距部件(61)和固定部件(62)，所述控制板(7)包括相互连接的位置固定板(71)和控制刮板(72)，所述旋转量距部件(61)与所述第一连接装置(9)通过一连接杆(10)固定连接，所述固定部件(62)和所述位置固定板(71)与所述连接杆(10)活动连接；且所述固定部件(62)包括第一固定件和第二固定件，所述位置固定板(71)设置于所述第一固定件与所述第二固定件之间；所述第一连接装置(9)内设置弹性装置，所述弹性装置与所述第二固定件相连接。

2.根据权利要求1所述的湿式激光清洗装置，其特征在于，所述液体释放装置包括储液设备(3)、导液设备(4)和控制阀(5)，所述控制板(7)与所述导液设备(4)相连接；所述储液设备(3)的一端与所述传动装置(1)相连接，所述储液设备(3)的另一端与所述导液设备(4)相连接，所述控制阀(5)设置于所述导液设备(4)上，所述控制阀(5)用于控制是否释放待清洗液。

3.根据权利要求2所述的湿式激光清洗装置，其特征在于，所述控制刮板(72)相对于所述位置固定板(71)倾斜设置，所述位置固定板(71)与所述导液设备(4)相连接，且所述控制刮板(72)向背离所述导液设备(4)的方向设置。

4.根据权利要求2所述的湿式激光清洗装置，其特征在于，还包括第二连接装置(11)，所述第二连接装置(11)的一端与所述传动装置(1)相连接，所述第二连接装置(11)的另一端与所述控制刮板(72)相连接。

5.根据权利要求1所述的湿式激光清洗装置，其特征在于，还包括污物吸收装置(12)，所述污物吸收装置(12)与所述激光发射装置发出的激光输出束的距离为5-15cm，所述污物吸收装置(12)与所述待清洗基材(13)的距离为3-15cm，且所述污物吸收装置(12)相对于所述待清洗基材(13)的表面倾斜设置。

6.一种湿式激光清洗方法，通过权利要求1-5所述的湿式激光清洗装置实现，其特征在于，包括：

步骤S1：对待清洗基材(13)表面进行预处理，去除易脱落污物；

步骤S2：调节位置调整机构(6)，控制液膜铺设厚度；

步骤S3：开启控制阀(5)，使待清洗液流向所述待清洗基材(13)表面；

步骤S4：启动激光发射装置，开始激光清洗；

步骤S5：经过预设时间间隔后，关闭所述控制阀(5)和激光发射装置，观察所述待清洗基材(13)表面清洗情况，如清洗未完全，重复步骤S3和步骤S4，直至清洗完全；如所述待清洗基材(13)表面损伤，重新调整激光发射装置的参数后，重复步骤S3和步骤S4，直至清洗完全；

步骤S6：关闭控制阀(5)和激光发射装置，湿式激光清洗结束。

7.根据权利要求6所述的湿式激光清洗方法，其特征在于，所述步骤S2，具体包括：

步骤S21：调节旋转量距部件(61)，固定控制板(7)的初始位置；

步骤S22：调节固定部件(62)，对所述控制板(7)的位置进行微调节，直至所述控制板(7)的位置固定。

8.根据权利要求6所述的湿式激光清洗方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述激光清洗的参数包括：振镜速度0-10000mm/s，扫描宽度0-100mm，激光输出功率0-1000W。

9.根据权利要求8所述的湿式激光清洗方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述重新调整激光发射参数包括降低激光输出功率。

Images