CN111330918A - 一种航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法及装置。航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法包括：将待清洗零件安装在预设清洗工位。使纳秒脉冲固体激光装置发出的清洗用的激光束的光轴与待清洗零件的待清洗表面之间形成30°至90°的夹角，使吸尘器的吸尘头与待清洗表面之间形成10°至30°的夹角。沿着清洗方向，吸尘头处于激光束在待清洗表面形成的线光斑的后侧。按照预设激光平均功率、预设线光斑长度和预设清洗速度对待清洗表面进行至少一编清洗，并打开吸尘器。预设激光平均功率为90W至160W，预设线光斑长度为8mm至35mm，预设清洗速度为2mm/s至8mm/s。不锈钢零部件表面的漆层被全部清除，不锈钢基材表面没有损伤，清洗过程绿色、环保。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机表面清洗领域，特别是涉及一种航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法及装置。
背景技术
不锈钢是在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢。不锈钢具有表面美观、耐腐蚀、抗地震、节水、卫生(无铁锈及铜绿色)、重量轻(和碳钢相比减轻1/3)、寿命长(可服役20～100年)、寿命周期成本(LCC)低等特点，同时不必经过镀色等表面处理而发挥不锈钢所固有的表面性能，属可回收再利用的绿色环保材料，是一种可以应用于多领域的钢铁材料。
从目前来看：中国目前的不锈钢消耗量为人均3.4kg，已经是发展中国家用量的前列，甚至达到发达国家的用量。2016年全球不锈钢产量4578万吨，较2015年的4155万吨增长10.18％，当中2016年中国不锈钢产量为2493.8万吨，占全球总产量的54.48％。预计2017年全球不锈钢产量5000万吨，我国不锈钢产量2600万吨，同比增长3.5％，占全球总产量的52％。不锈钢产量的增加意味着不锈钢将在更为广泛的领域得到应用。
对于在高温、高压或酸性等特殊环境下的不锈钢制品，通常会在其表面涂有特制的油漆。不锈钢产品本身具有较长的使用寿命，但相比较而言漆层随着服役时间的增加，表面会产生龟裂、脱落等缺陷。为此需要定期清除表面的久漆，并喷涂新漆。目前生产中常用的方法为化学清洗法和机械打磨法，两种方法都有一定的局限性。
化学清洗法：对于应用于一般环境下的不锈钢表面漆层，通常采用无水乙醇或稀释剂进行溶解、剥除。对于应用于特殊环境下的不锈钢表面漆层，通常采用配制的酸性溶液进行酸洗去除。无论是使用何种溶液进行清洗，都需要准备和待清洗零部件相对应的体积的清洗槽，对于一些大型、大批量的构件应用限制较多。且化学清洗法工序复杂，环境要求高，需要加热、加压，清洗效率低，成本较高，对清洗的零部件有一定的形状要求，可控性较差，容易对没有喷涂漆层的零部件部位造成损伤。同时化学清洗法会产生有害气体，对环境和操作人员的身体造成损伤。随着我国对制造业环保要求的进一步提高，化学清洗法会被逐渐淘汰。
机械打磨法：常见的机械打磨法为使用角磨机、砂纸等工具的手工打磨，或是使用喷砂、水射流的机器打磨。这一类型的方法虽能较高效的清除表面漆层，且成本低廉，但工艺可控性差，会对基材会造成损伤，产生残余应力，降低性能，同时机械打磨通常需要人员手持操作，有一定的危险性，可能对操作人员造成高能损伤，长期在除漆车间工作易患尘肺等职业病。因此，在高端制造业中，机械打磨法的应用有限。
激光清洗，也称为激光剥离，是一种高效、环保的不锈钢表面漆层清洗方法，短脉冲(纳秒)激光可以使不锈钢表面的油漆在热应力的作用下，由于不锈钢基材和漆层的热膨胀系数不相同，从而漆层发生龟裂，并在脉冲激光产生的等离子体冲击波作用下，脱离基材表面。该方法为非接触式的清洗方法，自动化程度高；无需清洗耗材；配备的吸尘系统将剥离的油漆颗粒回收，不污染环境，属于绿色的清洗技术；而且，短脉冲的激光作用，近似于冷加工，不影响不锈钢基材的性能。
对于金属表面漆层的激光清洗，如中国专利《飞机蒙皮除漆激光清洗系统》公告号为CN205659939U，公告日为2016年10月20日。该方法涉及航空铝合金基材表面油漆的激光清洗，所采用的激光器为CO2激光器。然而，铝合金和不锈钢相比，不锈钢对热输入更加敏感，铝合金对激光的反射能力更强，CN205659939U的专利文献不适用于不锈钢。
对于金属表面漆层的激光清洗，如中国专利《一种船舶漆的激光清洗方法》，公告号为CN106001008A，公告日为2016年10月12日。该方法涉及船舶钢材表面油漆的激光清洗。船舶钢材和不锈钢相比，不锈钢对激光的反射率更高，船舶钢材的表面粗糙度更大，不锈钢对热输入更加敏感。针对船舶钢材的激光除漆，通常会采用更大的功率。CN106001008A的专利文献不适用于不锈钢。
发明内容
本发明的目的针对不锈钢的清洗，提供一种新颖的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法及装置，具体地针对目前航空发动机不锈钢部件表面漆层激光清洗技术领域的研究空白，开发一种高效、节能、环保的不锈钢油漆激光清洗工艺方法，解决当前化学清洗和机械清洗所存在的效率低、基材损伤、污染排放等问题。
具体地，一方面，本发明提供了一种航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法，其包括：
将待清洗零件安装在预设清洗工位；
使纳秒脉冲固体激光装置发出的清洗用的激光束的光轴与所述待清洗零件的待清洗表面之间形成30°至90°的夹角，使吸尘器的吸尘头与所述待清洗表面之间形成10°至30°的夹角；沿着清洗方向，所述吸尘头处于所述激光束在所述待清洗表面形成的线光斑的后侧；
按照预设激光平均功率、预设线光斑长度和预设清洗速度对所述待清洗表面进行至少一编清洗，并打开所述吸尘器；所述预设激光平均功率为90W至160W，所述预设线光斑长度为8mm至35mm，所述预设清洗速度为2mm/s至8mm/s。
可选地，所述纳秒脉冲固体激光装置包括发射激光的激光器、传输所述激光的光纤和用于对所述激光进行扩束、准直、聚焦形成线光斑的振镜激光工作头。
可选地，所述纳秒脉冲固体激光装置的所述激光器中，激光脉冲宽度为30ns，频率为10kHz，脉冲能量为40mJ，最大功率为400W；
所述振镜激光工作头是二维平面振镜头，扫描速度为1至4.9m/min，所述线光斑的长度为0.8～75mm；
所述吸尘器的功率为3kW至4kW。
可选地，所述待清洗表面的表面漆层厚度为25μm至45μm，按照预设激光平均功率、预设线光斑长度和预设清洗速度对所述待清洗表面进行2至5遍清洗。
可选地，所述待清洗表面具有龟裂、疏松多孔的形貌，所述预设激光平均功率为90W，所述预设线光斑长度为28mm，所述预设清洗速度为5mm/s，对所述待清洗表面进行2遍清洗。
可选地，根据所述待清洗表面的漆层结合力确定所述预设激光平均功率，对于两个不同大小的所述漆层结合力，大的所述漆层结合力对应的所述预设激光平均功率大于小的所述漆层结合力对应的所述预设激光平均功率。
另一方面，本发明提供了一种航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗装置，其包括：
纳秒脉冲固体激光装置，其具有发射激光的激光器、传输所述激光的光纤和用于对所述激光进行扩束、准直、聚焦形成线光斑的振镜激光工作头；
夹具，配置成将待清洗零件安装在预设清洗工位；和
吸尘器，所述吸尘器具有吸尘头；且
所述纳秒脉冲固体激光装置发出的清洗用的激光束的光轴与所述待清洗零件的待清洗表面之间形成30°至90°的夹角，所述吸尘头与所述待清洗表面之间形成10°至30°的夹角；沿着清洗方向，所述吸尘头处于所述激光束在所述待清洗表面形成的线光斑的后侧。
可选地，所述纳秒脉冲固体激光装置的所述激光器中，激光脉冲宽度为30ns，频率为10kHz，脉冲能量为40mJ，最大功率为400W；
所述振镜激光工作头是二维平面振镜头，扫描速度为1至4.9m/min，所述线光斑的长度为0.8～75mm；
所述吸尘器的功率为3kW至4kW；
所述吸尘头集成于所述振镜激光工作头。
可选地，所述航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗装置还包括平移装置，所述夹具安装于所述平移装置，以在所述平移装置的带动下沿所述清洗方向移动。
可选地，所述平移装置包括底座、平移工作台和驱动装置；
所述吸尘器和所述纳秒脉冲固体激光装置均安装于所述底座；
所述平移工作台通过至少两根平行设置的导轨可滑动地安装于所述底座，所述夹具安装于所述平移工作台；
所述驱动装置包括电机、减速装置、丝杠和滑块；所述减速装置连接于所述电机的输出轴，所述丝杠连接于所述减速装置，所述滑块设置于所述平移工作台的下侧，且所述滑块安装于所述丝杠，以在所述电机通过所述减速装置带动所述丝杠转动时，所述滑块及连接于所述滑块的所述平移工作台沿所述丝杠的长度方向移动。
本发明实施例具有以下技术效果：
本发明针对不锈钢这种反射率较高、对热输入更敏感的材料，研制了一种新型的激光清洗方法及装置，在待清洗零件的不锈钢表面的漆层在激光清洗过程中，由于激光的热作用，以及漆层和基材的热膨胀系数的差异，不锈钢表面的漆层发生了膨胀、龟裂，再借助激光等离子体的冲击作用，从不锈钢表面剥离。凭借激光平均功率、清洗速度、线光斑长度等工艺参数的合理搭配，保证清洗过程中对不锈钢基材不造成损伤，最终不锈钢零部件表面的漆层被全部清除，同时不锈钢基材表面没有损伤，有银白色金属光泽。吸尘系统将清洗过程中产生的有害物质进行无害化处理，保证了激光清洗过程的绿色、环保。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例提供的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗装置的示意性局部结构图；
图2是根据本发明一个实施例提供的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗装置的示意性结构图。
具体实施方式
图1是根根据本发明一个实施例提供的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗装置的示意性局部结构图。如图1所示，本发明实施例提供了一种航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法，包括：
将待清洗零件30安装在预设清洗工位。也就是说，将待清洗零件30放置在纳秒脉冲固体激光装置10的振镜激光工作头11下，以便于清洗。进一步地，可根据待清洗零件30的外形、型号的不同，可采用特定的工装夹具，且可充分考虑激光光路的干涉问题。
使纳秒脉冲固体激光装置10发出的清洗用的激光束12的光轴与待清洗零件30的待清洗表面之间形成30°至90°的夹角α，使吸尘器21的吸尘头20与待清洗表面之间形成10°至30°的夹角β。沿着清洗方向，吸尘头20处于激光束12在待清洗表面形成的线光斑的后侧。即调整激光束12、吸尘系统吸嘴与待清洗表面三者之间的相对位置。
按照预设激光平均功率、预设线光斑长度和预设清洗速度对待清洗表面31进行至少一编清洗，并打开吸尘器21。预设激光平均功率为90W至160W，预设线光斑长度为8mm至35mm，预设清洗速度为2mm/s至8mm/s。
本发明实施例中的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法，在待清洗零件30的不锈钢表面的漆层在激光清洗过程中，由于激光的热作用，以及漆层和基材的热膨胀系数的差异，不锈钢表面的漆层发生了膨胀、龟裂，再借助激光等离子体的冲击作用，从不锈钢表面剥离。凭借激光平均功率、清洗速度、线光斑长度等工艺参数的合理搭配，保证清洗过程中对不锈钢基材不造成损伤，最终不锈钢零部件表面的漆层被全部清除，同时不锈钢基材表面没有损伤，有银白色金属光泽。吸尘系统将清洗过程中产生的有害物质进行无害化处理，保证了激光清洗过程的绿色、环保。
在本发明的一些实施例中，纳秒脉冲固体激光装置10包括发射激光的激光器、传输激光的光纤和用于对激光进行扩束、准直、聚焦形成线光斑的振镜激光工作头11。激光从激光器发出，经由光纤到达振镜激光工作头11，通过激光头的扩束、准直、聚焦形成线光斑(0.8～75mm)照射于待清洗的不锈钢表面漆层。纳秒脉冲固体激光装置10的激光器中，激光脉冲宽度为30ns，频率为10kHz，脉冲能量为40mJ，最大功率为400W。振镜激光工作头11是二维平面振镜头，扫描速度为1至4.9m/min，线光斑的长度为0.8～75mm。吸尘器21可为移动式大功率吸尘器21，吸尘器21的功率为3kW至4kW，优选为3.4kW。涉及到的光斑直径可为0.8mm。
在本发明的一些实施例中，待清洗表面31的表面漆层厚度为25μm至45μm，按照预设激光平均功率、预设线光斑长度和预设清洗速度对待清洗表面31进行2至5遍清洗。根据表面漆层厚度和服役状态的不同，应改变清洗的扫描次数，确保漆层的彻底清除，清洗次数为2～5遍。
可根据待清洗表面31的漆层结合力确定预设激光平均功率，对于两个不同大小的漆层结合力，大的漆层结合力对应的预设激光平均功率大于小的漆层结合力对应的预设激光平均功率。
例如，针对经过服役的不锈钢表面漆层(5)零部件，服役后的漆层结合力减弱，呈现出龟裂、疏松多孔的形貌。也就是说，待清洗表面31具有龟裂、疏松多孔的形貌，预设激光平均功率为90W，预设线光斑长度为28mm，预设清洗速度为5mm/s，对待清洗表面31进行2遍清洗。针对未经过服役的不锈钢表面漆层(5)零部件，未经服役的漆层结合力较强，其组织结构更为紧密。也就是说，待清洗表面31组织结构紧密，预设激光平均功率为120W，预设线光斑长度为28mm，预设清洗速度为5mm/s，对待清洗表面31进行2遍清洗。
如图1所示，本发明实施例还提供了一种航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗装置，其包括纳秒脉冲固体激光装置10、夹具43和吸尘器21。纳秒脉冲固体激光装置10具有发射激光的激光器、传输激光的光纤和用于对激光进行扩束、准直、聚焦形成线光斑的振镜激光工作头11。夹具43配置成将待清洗零件30安装在预设清洗工位。吸尘器21具有吸尘头20。纳秒脉冲固体激光装置10发出的清洗用的激光束12的光轴与待清洗零件30的待清洗表面31之间形成30°至90°的夹角，吸尘头20与待清洗表面31之间形成10°至30°的夹角。沿着清洗方向，吸尘头20处于激光束12在待清洗表面31形成的线光斑的后侧。
进一步地，纳秒脉冲固体激光装置10的激光器中，激光脉冲宽度为30ns，频率为10kHz，脉冲能量为40mJ，最大功率为400W。涉及到的光斑直径可为0.8mm。振镜激光工作头11是二维平面振镜头，扫描速度为1至4.9m/min，线光斑的长度为0.8～75mm。吸尘器21的功率为3kW至4kW。吸尘头20集成于振镜激光工作头11。
在本发明的一些实施例中，如图2所示，航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗装置还包括平移装置，夹具43安装于平移装置，以在平移装置的带动下沿清洗方向移动。例如，平移装置包括底座41、平移工作台42和驱动装置。吸尘器21和纳秒脉冲固体激光装置10均安装于底座41。平移工作台42通过至少两根平行设置的导轨可滑动地安装于底座41，夹具43安装于平移工作台42；驱动装置包括电机51、减速装置52、丝杠53和滑块54；减速装置52连接于电机51的输出轴，丝杠53连接于减速装置52，滑块54设置于平移工作台42的下侧，且滑块54安装于丝杠53，以在电机51通过减速装置52带动丝杠53转动时，滑块54及连接于滑块54的平移工作台42沿丝杠53的长度方向移动。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法，其特征在于，包括：
将待清洗零件安装在预设清洗工位；
使纳秒脉冲固体激光装置发出的清洗用的激光束的光轴与所述待清洗零件的待清洗表面之间形成30°至90°的夹角，使吸尘器的吸尘头与所述待清洗表面之间形成10°至30°的夹角；沿着清洗方向，所述吸尘头处于所述激光束在所述待清洗表面形成的线光斑的后侧；
按照预设激光平均功率、预设线光斑长度和预设清洗速度对所述待清洗表面进行至少一编清洗，并打开所述吸尘器；所述预设激光平均功率为90W至160W，所述预设线光斑长度为8mm至35mm，所述预设清洗速度为2mm/s至8mm/s。
2.根据权利要求1所述的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法，其特征在于，
所述纳秒脉冲固体激光装置包括发射激光的激光器、传输所述激光的光纤和用于对所述激光进行扩束、准直、聚焦形成线光斑的振镜激光工作头。
3.根据权利要求2所述的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法，其特征在于，
所述纳秒脉冲固体激光装置的所述激光器中，激光脉冲宽度为30ns，频率为10kHz，脉冲能量为40mJ，最大功率为400W；
所述振镜激光工作头是二维平面振镜头，扫描速度为1至4.9m/min，所述线光斑的长度为0.8～75mm；
所述吸尘器的功率为3kW至4kW。
4.根据权利要求1所述的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法，其特征在于，
所述待清洗表面的表面漆层厚度为25μm至45μm，按照预设激光平均功率、预设线光斑长度和预设清洗速度对所述待清洗表面进行2至5遍清洗。
5.根据权利要求1所述的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法，其特征在于，
所述待清洗表面具有龟裂、疏松多孔的形貌，所述预设激光平均功率为90W，所述预设线光斑长度为28mm，所述预设清洗速度为5mm/s，对所述待清洗表面进行2遍清洗。
6.根据权利要求1所述的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗方法，其特征在于，
根据所述待清洗表面的漆层结合力确定所述预设激光平均功率，对于两个不同大小的所述漆层结合力，大的所述漆层结合力对应的所述预设激光平均功率大于小的所述漆层结合力对应的所述预设激光平均功率。
7.一种航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗装置，其特征在于，包括：
纳秒脉冲固体激光装置，其具有发射激光的激光器、传输所述激光的光纤和用于对所述激光进行扩束、准直、聚焦形成线光斑的振镜激光工作头；
夹具，配置成将待清洗零件安装在预设清洗工位；和
吸尘器，所述吸尘器具有吸尘头；且
所述纳秒脉冲固体激光装置发出的清洗用的激光束的光轴与所述待清洗零件的待清洗表面之间形成30°至90°的夹角，所述吸尘头与所述待清洗表面之间形成10°至30°的夹角；沿着清洗方向，所述吸尘头处于所述激光束在所述待清洗表面形成的线光斑的后侧。
8.根据权利要求7所述的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗装置，其特征在于，
所述纳秒脉冲固体激光装置的所述激光器中，激光脉冲宽度为30ns，频率为10kHz，脉冲能量为40mJ，最大功率为400W；
所述振镜激光工作头是二维平面振镜头，扫描速度为1至4.9m/min，所述线光斑的长度为0.8～75mm；
所述吸尘器的功率为3kW至4kW；
所述吸尘头集成于所述振镜激光工作头。
9.根据权利要求7所述的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗装置，其特征在于，还包括平移装置，所述夹具安装于所述平移装置，以在所述平移装置的带动下沿所述清洗方向移动。
10.根据权利要求9所述的航空发动机不锈钢部件漆层的激光清洗装置，其特征在于，
所述平移装置包括底座、平移工作台和驱动装置；
所述吸尘器和所述纳秒脉冲固体激光装置均安装于所述底座；
所述平移工作台通过至少两根平行设置的导轨可滑动地安装于所述底座，所述夹具安装于所述平移工作台；
所述驱动装置包括电机、减速装置、丝杠和滑块；所述减速装置连接于所述电机的输出轴，所述丝杠连接于所述减速装置，所述滑块设置于所述平移工作台的下侧，且所述滑块安装于所述丝杠，以在所述电机通过所述减速装置带动所述丝杠转动时，所述滑块及连接于所述滑块的所述平移工作台沿所述丝杠的长度方向移动。
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