CN111570419A - 基于方阻测量的激光清洗方法及激光清洗系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于方阻测量的激光清洗方法及激光清洗系统，方法中，安装激光清洗机和四探针探头以对准待清洗样品，四探针探头连接电阻仪，调节激光清洗机参数，基底样品和待清洗样品放置在三维平台上，四探针探头向下移动压紧样品表面，分别测量出基底样品和待清洗样品的方阻，记录探针压力和样品的表面温度，设定单次清洗的扫描次数，对样品进行n次激光清洗，n为自然数，等已清洗样品静置自然冷却后，在所述探针压力和所述表面温度下，电阻仪测量出激光清洗后样品的方阻，计算相对清洗率Φ，当相对清洗率Φ大于等于预定值时，判断为清洗干净；当相对清洗率Φ小于预定值，重复清洗直到Φ大于等于预定值，结束清洗。

Description

基于方阻测量的激光清洗方法及激光清洗系统

技术领域

本发明属于激光清洗技术领域，特别是一种基于方阻测量的激光清洗方法及激光清洗系统。

背景技术

近年来，随着我国在环境保护方面的制度更加完善，人们对于环境保护的意识越来越强，这对工业清洗行业提出了更高的环保要求。传统的工业清洗方法往往污染大、劳动强度高、清洗精度低，严重阻碍了现代清洗技术的发展。而激光清洗作为近年来才兴起的清洗技术，因其具有环保、高效、节能和安全等技术特点，与化学清洗剂、超声波和机械方式等传统的清洗方法形成鲜明对比，其有望部分或完全替代传统清洗方法，成为当前最具潜力的绿色清洗技术。

激光清洗技术是利用激光光束具有能量密度高、方向可控和易传输等特性，使污染物与基体之间的结合力受到破坏或者直接使污染物汽化等方式进行脱污，降低污染物与基体的结合强度，进而达到清洗工件表面的目的。

激光清洗的过程十分复杂，主要清洗机制热膨胀、汽化、烧蚀和相爆炸等。对于不同的光源、基材、污染物等因素都会对清洗效果产生较大的影响。目前，市场上的激光清洗设备往往只能够对工件进行粗略的清洗，仅依靠操作者的经验和肉眼来判断清洗效果和质量，极易导致基材损伤。现有技术利用激光清洗过程中的光谱、声波、反射率等信号的变化对清洗效果进行监测，但这些方法往往成本高、系统复杂。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于方阻测量的激光清洗方法及激光清洗系统，快速无损的测量金属样品表面的方阻，通过测量清洗前后方阻，计算出相对清洗率来判断金属表面氧化物是否清洗干净，高效地监测激光清洗质量。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于方阻测量的激光清洗方法包括以下步骤：

第一步骤中，安装激光清洗机和四探针探头以对准待清洗样品，四探针探头连接电阻仪，

第二步骤中，调节激光清洗机参数，所述参数包括激光清洗机的功率、脉冲宽度、脉冲重复频率、振镜扫描速度、物镜焦距和离焦量，

第三步骤中，基底样品和待清洗样品放置在三维平台上，四探针探头向下移动压紧样品表面，分别测量出基底样品和待清洗样品的方阻，记录探针压力和样品的表面温度，

第四步骤中，设定单次清洗的扫描次数，对样品进行n次激光清洗，n为自然数，

第五步骤中，等已清洗样品静置自然冷却后，在所述探针压力和所述表面温度下，电阻仪测量出激光清洗后样品的方阻，

第六步骤中，计算相对清洗率Φ：

其中R_a、R_b和R_n分别为基底样品的方阻值、待清洗样品的方阻值和第n次清洗后的方阻值，当相对清洗率Φ小于预定值，已清洗样品作为下一次的待清洗样品，重复第四步骤到第六步骤，直到Φ大于等于预定值，结束清洗。

所述的方法中，第一步骤中，四探针探头之间的间距均为2mm。

所述的方法中，第二步骤中，激光清洗机为激光光源的波长为1064nm的脉冲光纤激光器，激光清洗机的功率为0-100W，脉冲宽度为30ns、60ns或200ns，脉冲重复频率为100kHz-1000kHz，扫描速度为0-5000mm/s。

所述的方法中，第三步骤中，基底样品为表面无氧化层的金属，待清洗样品为表面有一定氧化物的金属。

所述的方法中，第五步骤中，基于测量的方阻计算样品方阻的平均值，基于平均值计算相对清洗率。

所述的方法中，第六步骤中，预定值为90％。

根据本发明另一方面，一种基于所述的激光清洗方法的激光清洗系统包括，三维平移台，其承载待清洗样品；

激光清洗机，其安装于大升降垂臂以朝向所述三维平移台可移动，所述激光清洗机可调节地朝所述待清洗样品表面发射激光以清洗所述表面；

四探针探头，其安装于小升降垂臂以朝向所述三维平移台可移动以压紧待清洗样品的表面，所述四探针探头连接电阻仪以测量出待清洗样品表面的方阻数据，

压力传感器，其安装于小升降垂臂以测量所述四探针探头压紧的待清洗样品的表面的压力数据，

红外温度传感器，其安装于小升降垂臂以测量所述四探针探头压紧的待清洗样品表面的温度数据，

处理单元，其连接所述激光清洗机、压力传感器、红外温度传感器和电阻仪，

响应于所述压力数据，处理单元发送压力信号到所述四探针探头以调节其与基底样品和待清洗样品的表面之间的压力，

响应于所述温度数据，处理单元发送测量信号到所述电阻仪以测量方阻数据，

所述处理单元基于所述方阻数据计算出相对清洗率，当相对清洗率大于等于预定值时，判断为清洗干净；当相对清洗率Φ小于预定值，已清洗样品作为下一次的待清洗样品，重复第四步骤到第六步骤，直到Φ大于等于预定值，结束清洗。

所述的激光清洗系统中，激光清洗机包括，

激光器，其参数可调节以发生预定参数的激光脉冲，

扫描振镜，其接收光隔离器射出的激光脉冲并扫描在样品的表面，

物镜，其接收所述扫描振镜射出所述激光脉冲并会聚在样品的表面。

所述的激光清洗系统中，四探针探头的材质为球型镀金磷铜合金，缓冲弹簧压力为0-500g。

所述的激光清洗系统中，四探针探头的最外侧的两根探针接入电阻仪的恒流源的电流输出孔上，内侧的两根探针连接所述电阻仪的电压表的输入孔上。

本发明的四探针电流供给回路与电压测量回路是分别独立的，可以消除引线电阻和接触电阻，具有测量精度高、响应速度快、成本低、易操作等特点，激光清洗金属表面过程中，随着污染物被一层一层的去除，其电阻率会有规律性的改变，利用四探针技术测量其表面电阻率变化监测清洗质量，本发明能够在清洗干净的基础上降低基材损伤的风险。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述说明和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1为基于方阻测量的激光清洗方法的步骤流程图；

图2为四探针接线图示意图；

图3为基于方阻测量的激光清洗方法的激光清洗系统的结构示意图；

图中各附图标记含义为：1.四探针 2.压力传感器 3.红外温度传感器 4.样品 5.物镜 6.扫描振镜 7.光隔离器 8.传输光纤 9.激光器 10.处理单元 11.电阻仪 12.三维平移台 13.大升降垂臂 14小升降垂臂。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图3更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，基于方阻测量的激光清洗方法包括，

第一步骤中，安装激光清洗机和四探针探头1以对准待清洗样品4，四探针探头1连接电阻仪11，

第二步骤中，调节激光清洗机参数，所述参数包括激光清洗机的功率、脉冲宽度、脉冲重复频率、扫描速度、物镜5焦距和离焦量，

第三步骤中，基底样品和待清洗样品4放置在三维平台上，四探针探头1向下移动压紧样品表面，分别测量出基底样品和待清洗样品4的方阻，记录探针压力和样品的表面温度，

第四步骤中，设定单次清洗的扫描次数，对样品进行n次激光清洗，n为自然数，

第五步骤中，待清洗样品4静置自然冷却后，在所述探针压力和所述表面温度下，电阻仪11测量出激光清洗后样品的方阻，

第六步骤中，计算相对清洗率Φ，其中：

R_a、R_b和R_n分别为基底样品的方阻值、待清洗样品4的方阻值和第n次清洗后的方阻值，当相对清洗率Φ大于等于预定值时，判断为清洗干净；当相对清洗率Φ小于预定值，重复清洗直到Φ大于等于预定值，结束清洗。

所述的方法的优先实施方式中，第一步骤中，四探针探头1之间的间距均为2mm。

所述的方法的优先实施方式中，第二步骤中，激光清洗机为激光光源的波长为1064nm的脉冲光纤激光器9，激光清洗机的功率为0-100W，脉冲宽度为30ns、60ns或200ns，脉冲重复频率为100kHz-1000kHz，扫描速度为0-5000mm/s。

所述的方法的优先实施方式中，第三步骤中，基底样品的基底为金属，待清洗样品4表面包括金属氧化物。

所述的方法的优先实施方式中，第五步骤中，基于测量的方阻计算样品方阻的平均值，基于平均值计算相对清洗率。

所述的方法的优先实施方式中，第六步骤中，预定值为90％。

所述的方法的优先实施方式中，基于方阻测量的激光清洗方法包括以下步骤：

组装连线：激光清洗机枪头和四探针探头1安装在各自的垂臂上，四探针探头1的信号线与电阻仪11主机接口连接，预热电阻仪11。

设置参数：调节激光清洗机的功率，脉冲宽度，脉冲重复频率，振镜6扫描速度，选择合适的物镜5焦距和离焦量。

清洗前测量：将基底样品和待清洗样品4放置在三维平台上，四探针探头1向下移动压紧样品表面，分别测量出基底样品和待清洗样品4的方阻，压力传感器2记录探针压力、红外温度传感器3记录样品表面温度。

激光清洗：设定单次清洗的扫描次数，对样品进行n次激光清洗，n为自然数。

清洗后测量，将样品静置自然冷却，在与步骤3)中相同的探针压力、温度条件下，用四探针电阻仪11测量出清洗后样品的方阻。

数据处理：用处理单元10对上述测量数据进行处理，利用公式(1)得到不同清洗参数下的相对清洗率：

其中Φ为相对清洗率，R_a、R_b和R_n分别为基底样品的方阻值、待清洗样品4的方阻值和第n次清洗后的方阻值，当相对清洗率Φ小于预定值，已清洗样品作为下一次的待清洗样品，重复第四步骤到第六步骤，直到Φ大于等于预定值，结束清洗。

所述的方法的优先实施方式中，四探针的间距均为2mm，四探针1的材质为球型镀金磷铜合金，缓冲弹簧压力为0～500g。

所述的方法的优先实施方式中，电阻仪11为数字式四探针测试仪，主要由高精度的直流电流源和直流数字电压表构成。

所述的方法的优先实施方式中，四探针信号线与电阻仪11的接法为：最外面的两根探针接入恒流源的电流输出孔上，四探针的内侧的两根探针接在电压表的输入孔上，如图2所示。

所述的方法的优先实施方式中，在探针的顶端有一压力传感器2，在四探针1下降压紧样品的过程中，压力传感器2测量探针与样品4的压力值，并将数据传输给处理单10，来保证每次测量方阻时的四探针1与样品4之间的压力条件相同。

所述的方法的优先实施方式中，周围环境温度应该在23±5℃，相对湿度不大于65％；在探针外壳的前端有一红外温度传感器3测量样品表面温度值，并将数据传输给如处理单元10，来保证每次测量方阻时的温度条件相同。

所述的方法的优先实施方式中，用四探针电阻仪11测量方阻时，根据方阻值的大小在合适的正、反电流下，在样品的中心处X方向和Y方向上各测2次数据并将数据传输给处理单元10。

所述的方法的优先实施方式中，数据处理包括计算出每个样品方阻值的平均值和相对清洗率。

如图3所示，一种基于所述的激光清洗方法的激光清洗系统包括，

三维平移台12，其承载基底样品和待清洗样品4；

激光清洗机9的枪头，其安装于大升降垂臂13以朝向所述三维平移台12可移动，所述激光清洗机可调节地朝所述待清洗样品4表面发射激光以清洗所述表面；

四探针探头1，其安装于小升降垂臂14以朝向所述三维平移台12可移动以压紧基底样品和待清洗样品4的表面，所述四探针探头1连接电阻仪11以测量出基底样品和待清洗样品4的方阻数据，

压力传感器2，其安装于小升降垂臂14以测量所述四探针探头1压紧基底样品和待清洗样品4的表面的压力数据，

红外温度传感器3，其安装于小升降垂臂14以测量所述基底样品和待清洗样品4的表面的温度数据，

处理单元10，其连接所述激光清洗机、压力传感器2、红外温度传感器3和电阻仪11，

响应于所述压力数据，处理单元10发送压力信号到所述四探针探头1以调节其与基底样品和待清洗样品4的表面之间的压力，

响应于所述温度数据，处理单元10发送测量信号到所述电阻仪11以测量方阻数据，

所述处理单元10基于所述方阻数据计算出相对清洗率，当相对清洗率大于等于预定值时，判断为清洗干净；当相对清洗率Φ小于预定值，已清洗样品作为下一次的待清洗样品，重复第四步骤到第六步骤，直到Φ大于等于预定值，结束清洗。所述的激光清洗系统的优选实施例中，激光清洗机包括，

激光器9，其参数可调节以发射预定参数的激光脉冲，扫描振镜6，其接收光隔离器7射出的激光脉冲并扫描在样品4的表面，物镜5，其接收所述扫描振镜6射出所述激光脉冲并会聚在样品4的表面。

所述的激光清洗系统的优选实施例中，四探针探头1的材质为球型镀金磷铜合金，缓冲弹簧压力为0-500g。

所述的激光清洗系统的优选实施例中，四探针探头1的最外侧的两根探针接入电阻仪11的恒流源的电流输出孔上，内侧的两根探针连接所述电阻仪11的电压表的输入孔上。

所述的激光清洗系统的优选实施例中，激光器9经由传输光纤8连接光隔离器。

在一个实施例中，组装连线：激光清洗机枪头和四探针探头1安装在各自的垂臂上，四探针探头1的信号线与电阻仪11主机接口连接，打开电阻仪11预热，其中，电阻仪11为数字式四探针测试仪，四探针信号线与电阻仪11的接法为：最外面的两根探针，应接入恒流源的电流输出孔上，内侧的两根探针，应接在电压表的输入孔上，如图2所示。

设置参数：激光清洗机激光波长1064nm，功率10W，脉冲宽度200ns，脉冲重复频率：300kHz，扫描速度2000mm/s，物镜5焦距350mm和离焦量为0。

样品准备：Q235热轧钢板，尺寸：20mm×20mm×2mm，基底样品表面洁净、有金属光泽，待清洗样品4的表面氧化层厚度约为100um。

清洗前测量：将基底样品和待清洗样品4放置在三维平台上，步进电机带动四探针探头1向下移动压紧样品表面，分别测量出基底样品和待清洗样品4的方阻。用四探针电阻仪11测量方阻时，需要根据阻值的大小选定合适的电流值；在正向和反向电流下；在样品的中心处X方向和Y方向上各测2次数据组数据，并将数据传输给电脑。

压力传感器2记录探针压力为200g、红外温度传感器3记录样品表面温度为25℃。

激光清洗：设定单次清洗的扫描次数为2，对待清洗样品4进行一次激光清洗。

清洗后测量：等已清洗样品4静置自然冷却一段时间，在探针压力为200g、温度为25℃的条件下，用四探针电阻仪11测量出清洗后样品的方阻。

数据处理：用计算机对上述测量数据进行处理，计算出每个样品方阻值的平均值，利用公式(1)得到不同清洗参数下的相对清洗率：

其中Φ相对清洗率，R_a、R_b和R_n分别为基底样品的方阻值分别为基底样品的方阻值、待清洗样品4的方阻值和第n次清洗后的方阻值，实测数据如表1所示，第一次和第二次清洗完后的相对清洗率分别问Φ₁＝58.0％和Φ₂＝89.6％均为达到90％。第三次清洗后，相对清洗率Φ₃＝99.7％说明已清洗干净。

表1：

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于方阻测量的激光清洗方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤中，安装激光清洗机和四探针探头以对准待清洗样品，四探针探头连接电阻仪，

第二步骤中，调节激光清洗机参数，所述参数包括激光清洗机的功率、脉冲宽度、脉冲重复频率、振镜扫描速度、物镜焦距和离焦量，

第三步骤中，基底样品和待清洗样品放置在三维平台上，四探针探头向下移动压紧样品表面，分别测量出基底样品和待清洗样品的方阻，记录探针压力和样品的表面温度，

第四步骤中，设定单次清洗的扫描次数，对样品进行n次激光清洗，n为自然数，

第五步骤中，等已清洗样品静置自然冷却后，在所述探针压力和所述表面温度下，电阻仪测量出激光清洗后样品的方阻，

第六步骤中，计算相对清洗率Φ：

其中R_a、R_b和R_n分别为基底样品的方阻值、待清洗样品的方阻值和第n次清洗后的方阻值，当相对清洗率Φ大于等于预定值时，判断为清洗干净；当相对清洗率Φ小于预定值，已清洗样品作为下一次的待清洗样品，重复第四步骤到第六步骤，直到Φ大于等于预定值，结束清洗。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，第一步骤中，四探针探头之间的间距均为2mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤中，激光清洗机为激光光源的波长为1064nm的脉冲光纤激光器，激光清洗机的功率为0-100W，脉冲宽度为30ns、60ns或200ns，脉冲重复频率为100kHz-1000kHz，扫描速度为0-5000mm/s。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中，基底样品为表面无氧化层的金属，待清洗样品为表面有氧化物的金属。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，第五步骤中，基于测量的方阻计算样品方阻的平均值，基于平均值计算相对清洗率。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，第六步骤中，预定值为90％。

7.一种基于权利要求1-6中任一项所述的激光清洗方法的激光清洗系统，其包括，

三维平移台，其承载待清洗样品；

激光清洗机，其安装于大升降垂臂以朝向所述三维平移台可移动，所述激光清洗机可调节地朝所述待清洗样品表面发射激光以清洗所述表面；

四探针探头，其安装于小升降垂臂以朝向所述三维平移台可移动以压紧待清洗样品的表面，所述四探针探头连接电阻仪以测量待清洗样品表面的方阻数据，

压力传感器，其安装于小升降垂臂以测量所述四探针探头压紧的待清洗样品表面的压力数据，

红外温度传感器，其安装于小升降垂臂以测量所述四探针探头压紧的待清洗样品表面的温度数据，

处理单元，其连接所述激光清洗机、压力传感器、红外温度传感器和电阻仪，响应于所述压力数据，处理单元发送压力信号到所述四探针探头以调节其与基底样品和待清洗样品的表面之间的压力，响应于所述温度数据，处理单元发送测量信号到所述电阻仪以测量方阻数据，

所述处理单元基于所述方阻数据计算出相对清洗率，当相对清洗率大于等于预定值时，判断为清洗干净；当相对清洗率Φ小于预定值，已清洗样品作为下一次的待清洗样品，重复第四步骤到第六步骤，直到Φ大于等于预定值，结束清洗。

8.根据权利要求7所述的激光清洗系统，其中，激光清洗机包括，

激光器，其参数可调节以发射预定参数的激光脉冲，

扫描振镜，其接收光隔离器射出的激光脉冲并扫描在样品的表面，

物镜，其接收所述扫描振镜射出所述激光脉冲并会聚在样品的表面。

9.根据权利要求7所述的激光清洗系统，其中，四探针探头的材质为球型镀金磷铜合金，缓冲弹簧压力为0-500g。

10.根据权利要求7所述的激光清洗系统，其中，四探针探头的最外侧的两根探针接入电阻仪的恒流源的电流输出孔上，内侧的两根探针连接所述电阻仪的电压表的输入孔上。

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