CN111185441B - 一种非晶合金表面低功率高效率的一体化激光清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非晶合金表面低功率高效率的一体化激光清洗方法，采用激光清洗加热超声一体化设备对非晶合金表面进行清洗，所述的激光加热清洗一体化设备包括纳秒激光器、辅助加热装置和超声波发生器，包括如下具体步骤：A、去除待清洗非晶合金样件表面的可轻易脱离的污染物；B、将所述待清非晶合金样件置于所述激光清洗设备中；C、启动辅助加热装置；D、启动超声波发生器；E、设定所述激光清洗设备参数；F、调节所述激光清洗设备输出一串所述圆形光斑形成一条线光斑；G、去除清洗后的所述非晶合金样件上的残留污染物。从而达到了能够有效去除非晶合金表面氧化物，同时避免非晶合金基体损伤，提高操作效率的目的。

Description

一种非晶合金表面低功率高效率的一体化激光清洗方法
技术领域
本发明涉及一种低功率高效率的激光清洗方法，尤其针对非晶合金表面的一体化激光清理方法，属于金属清洗工艺技术领域。
背景技术
目前，非晶合金是采用现代快速凝固冶金技术合成的具有短程有序（包括化学短程有序和拓扑短程有序两种）、长程无序原子排列的金属合金，兼有一般金属和玻璃优异的力学、物理和化学性能的新型合金材料，在3C产品、汽车、医疗、航空航天等领域广泛应用。
非晶合金制品的表面通常要求根据一定次序进行脱脂、酸洗等表面清洗处理，再进行镀膜、涂装等处理。传统的清洗方法主要有：高压水清洗法、机械清洗法、化学清洗法、超声波清洗法等等。其中，化学清洗技术主要是酸洗和碱洗等强腐蚀性技术，其缺点是品种单一、功能性差、污染环境。物理清洗法如超声波清洗、高压水清洗等，其缺点是工作效率低。可见传统的表面清洗方法具有能耗大、污染高等缺点，随着“绿水青山就是金山银山”的理念深入人心，具有绿色、安全、效率高、可控性强等优点的激光清洗应运而生。
但是，在现有技术中，现有激光清洗过程中，清洗参数设置主要依靠人工经验实现。由于通过人工经验实现参数设置，参数设置会出现设置不正确，即使多次清洗也无法达到预期效果的情况。又或者，参数设置的过大，导致一次清洗即会损伤被清洗物的基底。因此，目前的参数设置方法，无法实现自适应地设置激光清洗参数，以实现在不损伤基底的情况下快速高效地清除污物。由于在激光清洗的过程中无法准确调节激光清洗参数，易导致非晶基体发生晶化，故而亟待做出进一步的研发改进。
发明内容
针对上述现存的技术问题，本发明提供一种非晶合金表面低功率高效率的一体化激光清洗方法，以达到能够有效去除非晶合金表面氧化物，同时避免非晶合金基体损伤，提高操作效率的目的。
为实现上述目的，本发明提供一种非晶合金表面低功率高效率的一体化激光清洗方法，采用激光清洗加热超声一体化设备对非晶合金表面进行清洗，所述的激光加热清洗一体化设备包括纳秒激光器、辅助加热装置和超声波发生器；纳秒激光器的作业台上设有辅助加热装置，辅助加热装置上设有样件放置处，纳秒激光器的激光头位于样件放置处正上方，超声波发生器固定在样件放置处的斜上方；
所述的非晶合金为锆基非晶合金；所述的锆基非晶合金的组成为ZraCubNicAldNbe，其中a、b、c、d、e为原子百分比，且65≤a≤73，11≤b≤15，10≤c≤11，3≤d≤4，4≤e≤5；
所述的一体化激光清洗方法包括如下具体步骤：
A、去除待清洗非晶合金样件表面的可轻易脱离的污染物，并收集所述可轻易脱离的污染物；
B、将所述待清非晶合金样件置于所述激光清洗设备中，并确定所述待清非晶合金样件的污染区域；
C、启动辅助加热装置，设定温度为573-673K，保温时间为2-10min；
D、启动超声波发生器，设定频率为20KHz-50KHz，振幅为20-50um，时间为2-5min；
E、设定所述激光清洗设备参数：
所述激光清洗设备的光源为纳秒量级脉冲光纤激光器；
所述纳秒量级脉冲光纤激光器的输出波长为523-1064nm；
所述激光清洗设备的平均输出功率为30-120W；
所述激光清洗设备的脉冲频率为1-200KHz；
所述激光清洗设备的输出的激光脉宽调节为5-20ns；
所述激光清洗设备输出的光斑为圆形光斑；
F、调节所述激光清洗设备输出一串所述圆形光斑形成一条线光斑，并对所述非晶合金样件的污染区域进行激光扫描及辐照；
G、去除清洗后的所述非晶合金样件上的残留污染物，并对所述污染物进行收集。
本发明采用激光清洗加热超声一体化设备对非晶合金表面进行清洗，上述技术方案独创的加入了辅助加热装置和启动辅助加热装置的步骤，现有技术中虽然也利用辅助加热装置对钢铁等合金材料进行加热，但加热温度通常为两三百度，目的仅仅是为了促进吸附气体的释放。而本发明是利用辅助加热装置将非晶合金加热到玻璃转变温度附近，即设定的温度区间573-673K，如图5所示，此时非晶合金会发生强度与硬度降低的行为，不仅降低了后续激光清洗的难度，也降低了激光清洗的功率，并且使得非晶合金表面嵌入的杂质和氧化物更容易清除，从而增加了激光清洗的效果。同时，对于非晶材料而言，最大的缺点就是容易晶化，一旦发生晶化，材料的性能会急剧下降，而本技术方案能够保持非晶材料不发生晶化。相较而言，其他合金利用辅助加热装置进行加热时并没有此等技术效果，除非加热到熔点附近。故而辅助加热装置及其参数是针对本发明的非晶合金表面激光清洗而设计的，具有意想不到的技术效果。
并且，上述技术方案独创的加入了超声波发生器和启动超声波发生器的步骤，通过对非晶合金压铸件表面嵌入的杂质颗粒等施加高频振动，使杂质颗粒等进一步松动，有助于后续的激光清洗。同时，便于去除非晶合金样件表面的可轻易脱离的污染物，降低了后续激光清洗的难度，节约了清洗的时间。
此外，上述操作步骤，先将非晶合金样品先加热再附带超声波操作，可以使压铸件表面嵌入的杂质颗粒激活和松动（超声波作用），再用低功率激光清除污染物即可。使得非晶合金样件经过辅助装置加热→保温→施加超声波→激光清洗等一体化清洗过程，并且保温、施加超声波、激光清洗几乎同时进行，总体实施过程会更短，不仅提高了清洗速度，而且实施时采用低功率激光器就可以。
进一步，所述圆形光斑的直径为0.5-1mm。
进一步，所述线光斑的清洗速度为2000-10000mm/s，作用在所述非晶合金样件表面。
进一步，所述辅助加热装置为网带式电阻炉或者可控化温度控制器。
其中，所述的网带式电阻炉为是一种用采网带作为传输载体对工件进行热处理的炉子，网带一般采用耐腐蚀耐高温的金属材质，能够对非晶合金样件进行辅助加热处理。而所述的可控化温度控制器不仅能够对非晶合金样件进行辅助加热和保温作用，还能够达到温度智能化控制。
本发明方法主要在于调节激光清洗设备的平均输出功率、波长、扫描速度、脉冲宽度以及输出激光的光斑尺寸等工作参数来进行激光清洗。相比现有技术，本发明的技术优势在于：
1、本发明激光清洗加热超声一体化设备增加了辅助加热装置和超声波发生器，提高了非晶合金能量状态，增大了非晶合金表面原子扩散速率，降低了非晶合金硬度，激活了表面氧化层、杂质颗粒，有利于后面对非晶合金氧化层、杂质颗粒进行激光清洗，降低了激光输出功率，减少了能源损耗。同时，对非晶合金进行加热保温还能消除激光清洗过程中产生的残余应力。
2、本发明利用激光清洗加热超声一体化设备，使得非晶合金样件经过辅助装置加热→保温→施加超声波→激光清洗等一体化清洗过程，不仅提高了清洗速度，而且降低了激光清洗的功率，提升了清洗效果。
3、在本发明的清洗参数范围内，运用激光清洗技术能有效规避化学清洗造成的环境污染问题的风险，削减化学清洗废液处理成本。
4、根据本发明的清洗参数进行清洗后达到期望清洗效果，满足激光清洗高效、不损坏基体的要求，避免非晶合金表面清洗易导致基体发生晶化的情况，从而有利于在不会对清洗区域的基底造成伤害的基础上有效地提高清洗效率。
5、本发明的激光清洗加热超声一体化设备和一体化清洗方法可操作化程度高、灵活性强，能够实现生产线的全自动化。
附图说明
图1为激光清洗加热超声一体化设备的结构示意图；
图2为实施例中锆基非晶合金样件进行激光清洗前后的宏观对比图；
图3为实施例中锆基非晶合金样件区域1、2的裸件、激光清洗后、酸洗后的SEM对比图；
图4为实施例中锆基非晶合金样件区域1、2的XRD图谱；
图5为锆基非晶合金在不同温度下硬度变化情况图；
图中：1、超声波发生器，2、激光头，3、样件，4、辅助加热装置，5、作业台。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明采用激光清洗加热超声一体化设备对非晶合金表面进行清洗，该设备包括纳秒激光器、辅助加热装置4和超声波发生器1；纳秒激光器的作业台5上设有辅助加热装置4，辅助加热装置4上设有样件放置处，纳秒激光器的激光头2位于样件放置处正上方，超声波发生器1固定在样件放置处的斜上方。
现以锆基非晶合金为例采用本发明方法进行一体化激光清洗。所述的锆基非晶合金的组成为ZraCubNicAldNbe，其中a、b、c、d、e为原子百分比，且65≤a≤73，11≤b≤15，10≤c≤11，3≤d≤4，4≤e≤5。对上述锆基非晶合金表面进行清洗的具体步骤如下：
A、去除非晶合金样件3表面的可轻易脱离的污染物，并收集所述可轻易脱离的污染物。
B、将非晶合金样件3置于激光清洗加热超声一体化设备作业台5上的样件放置处，并确定述污染区域1、2。
C、实施时优选可控化温度控制器作为辅助加热装置，其加热形式可以采用电极施加交流或者直流电直接加热非晶样件，发热元件如电阻丝、加热棒等辐射加热，电磁感应加热等多种方式进行加热，通过热电偶接触式或者红外测温控制温度。不仅可以根据非晶合金样件3的大小自由控制加热速度与保温时间，还可以实现加热形式多元化。
操作时，启动辅助加热装置，设定温度为573-673K，保温时间为2-10min。比如，加热速度为20K/min，加热温度为573K，保温时间10min。非晶合金在近玻璃转变温度附近会发生强度硬度降低行为，别的合金加热时没有此等效果（除非加热到熔点附近），因此用辅助加热装置对非晶合金进行加热和保温时，能够有效减少非晶合金的硬度与强度，使得嵌入的杂质和氧化物更容易清除，从而降低激光清洗的难度，进而降低了激光清洗的功率，增加了清洗效果，并能够保持非晶材料不晶化。
D、启动超声波发生器，设定频率为20KHz-50KHz，振幅为20-50um，时间为2-5min。比如，频率为40KHz，振幅为25um，时间为2min。
E、设定对上述锆基非晶合金样件3的区域1、2两处采用激光清洗的参数见表一。由于本激光清洗加热超声一体化设备的使用，降低了激光器要求，实施时采用低功率激光器就可以。
表一
区域 脉冲频率(KHz) 功率（W） 清洗速度（mm/s） 单次时间（s） 次数 扫描尺寸（mm）
1 200 50 6000 1.3 1 30*10
2 200 80 6000 1.3 1 30*10
F、调节激光清洗设备输出一串圆形光斑形成一条线光斑，并对污染区域1、2进行激光扫描及辐照；圆形光斑的直径为0.5-1mm。
G、去除清洗后的非晶合金样件3上的残留污染物，并对所述污染物进行收集。
由上述步骤可知，锆基非晶合金样件3经过辅助装置加热→保温→施加超声波→激光清洗等一体化清洗过程，并且保温、施加超声波、激光清洗几乎同时进行。清洗完毕后，锆基非晶合金样件3污染区域1、2一体化激光清洗前、后的宏观对比见图2，对比左右两部分可知，激光清洗能有效去除锆基非晶合金样件3表面的氧化物，显著提高其光亮度。
并且，从图3可知：（1）一体化激光清洗能有效去除锆基非晶合金样件3表面的氧化层；（2）一体化激光清洗后的锆基非晶合金样件3的表面粗糙度低于酸洗后的锆基非晶合金样件3的表面粗糙度。可见，本发明一体化激光清洗法的清洗效果优于化学酸洗法的效果，并且能够替代酸洗法，避免了酸洗法品种单一、功能性差、污染环境的缺点。
此外，从图4可知，锆基非晶合金样件3的表面在激光清洗后未出现晶化现象，说明本发明的激光清洗参数适用非晶合金，故而利于在不会对清洗区域的基底造成伤害的基础上有效地提高清洗效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的说明书的保护范围。

Claims (3)

1.一种非晶合金表面低功率高效率的一体化激光清洗方法，其特征在于，采用激光清洗加热超声一体化设备对非晶合金表面进行清洗，所述的激光加热清洗一体化设备包括纳秒激光器、辅助加热装置和超声波发生器；纳秒激光器的作业台上设有辅助加热装置，辅助加热装置上设有样件放置处，纳秒激光器的激光头位于样件放置处正上方，超声波发生器固定在样件放置处的斜上方；所述辅助加热装置为网带式电阻炉或者可控化温度控制器；
所述的非晶合金为锆基非晶合金；所述的锆基非晶合金的组成为ZraCubNicAldNbe，其中a、b、c、d、e为原子百分比，且65≤a≤73，11≤b≤15，10≤c≤11，3≤d≤4，4≤e≤5；
所述的一体化激光清洗方法包括如下具体步骤：
A、去除待清洗非晶合金样件表面的可轻易脱离的污染物，并收集所述可轻易脱离的污染物；
B、将所述待清洗非晶合金样件置于所述激光清洗设备中，并确定所述待清洗非晶合金样件的污染区域；
C、启动辅助加热装置，设定温度为573-673K，保温时间为2-10min；
D、启动超声波发生器，设定频率为20KHz-50KHz，振幅为20-50um，时间为2-5min；
E、设定所述激光清洗设备参数：
所述激光清洗设备的光源为纳秒量级脉冲光纤激光器；
所述纳秒量级脉冲光纤激光器的输出波长为523-1064nm；
所述激光清洗设备的平均输出功率为30-120W；
所述激光清洗设备的脉冲频率为1-200KHz；
所述激光清洗设备的输出的激光脉宽调节为5-20ns；
所述激光清洗设备输出的光斑为圆形光斑；
F、调节所述激光清洗设备输出一串所述圆形光斑形成一条线光斑，并对所述非晶合金样件的污染区域进行激光扫描及辐照；
G、去除清洗后的所述非晶合金样件上的残留污染物，并对所述污染物进行收集。
2.根据权利要求1所述的一种非晶合金表面低功率高效率的一体化激光清洗方法，其特征在于，所述圆形光斑的直径为0.5-1mm。
3.根据权利要求1所述的一种非晶合金表面低功率高效率的一体化激光清洗方法，其特征在于，所述线光斑的清洗速度为2000-10000mm/s，作用在所述非晶合金样件表面。
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