CN111992891A - 热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置及方法 - Google Patents

热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及激光加工技术领域，公开了一种热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置及方法，该热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置，包括：光纤激光器和柱面透镜组件，所述柱面透镜组件用于改变所述光纤激光器发出的激光束的二维分布，以调整所述激光束的能量密度至清洗阈值。本发明实施例提供的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置，使用光纤激光器对含有致密氧化皮的热轧高碳钢表面进行清洗去除，是无接触性加工，相对于打磨的传统方法，激光加工对工件无直接冲击，不会发生机械变形；相对于酸洗方式无污染，减少了化学污渍排放和收集的过程；减少了人为因素对加工质量的影响，加工质量稳定可靠，且外形美观。

Description

热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置及方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置及方法。
背景技术
传统清洗工业有各种各样的清洗方式，多是利用化学试剂和机械方法进行清洗。而化学试剂清洗容易造成环境污染，机械清洗容易造成物件表面的磨损。
由于热轧高碳钢表面氧化皮较厚且致密，并且氧化皮的损伤阈值与基材本身较为接近，采用高功率匀化后平顶激光清洗这种方式很难对氧化皮彻底清除，并且容易导致二次氧化。
发明内容
本发明实施例提供一种热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置及方法，用以解决或部分解决现有热轧高碳钢表面氧化皮清洗方式容易造成物件表面损伤的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置，包括：光纤激光器和柱面透镜组件，所述柱面透镜组件用于改变所述光纤激光器发出的激光束的二维分布，以调整所述激光束的能量密度至清洗阈值。
在上述技术方案的基础上，所述柱面透镜组件包括平凹柱面透镜、平凸柱面透镜以及开设有通槽的镜座；所述平凹柱面透镜和所述平凸柱面透镜沿所述激光束的传播方向依次安装在所述通槽内，所述平凹柱面透镜和所述平凸柱面透镜正交布置。
在上述技术方案的基础上，所述光纤激光器的激光头内安装有引导指示光发射器。
在上述技术方案的基础上，热轧高碳钢表面氧化皮的清洗阈值为17J/cm2～19J/cm2。
第二方面，本发明实施例提供一种热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法，包括：
将待处理的热轧高碳钢固定在平台上，所述热轧高碳钢的待处理面朝向光纤激光器的激光头；
通过所述激光头发出的激光束穿过柱面透镜组件后对所述待处理面去除氧化层。
在上述技术方案的基础上，在所述通过所述激光头发出的激光束穿过柱面透镜组件后对所述待处理面去除氧化层之前还包括：
根据所述柱面透镜组件传播的引导指示光照射在所述待处理面上的图像，以调整所述激光头的位置。
在上述技术方案的基础上，所述热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法还包括：
根据所述柱面透镜组件传播的线光斑和引导指示光照射在所述待处理面上的图像，以调整所述线光斑的参数。
在上述技术方案的基础上，所述线光斑的长度为10～50mm。
在上述技术方案的基础上，所述线光斑的宽度为60～150μm。
本发明实施例提供的一种热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置及方法，将待处理的热轧高碳钢固定在平台上，热轧高碳钢的待处理面朝向光纤激光器的激光头；激光头发出的激光束穿过柱面透镜组件后形成的线光斑对热轧高碳钢的待处理面去除氧化层。本发明实施例提供的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置，使用光纤激光器对含有致密氧化皮的热轧高碳钢表面进行清洗去除，是无接触性加工，相对于打磨的传统方法，激光加工对工件无直接冲击，不会发生机械变形；相对于酸洗方式无污染，减少了化学污渍排放和收集的过程；由于激光加工的精度较高，可控性较强，通过激光工艺参数调节可只对待加工部件的致密氧化皮进行加工，减少了人为因素对加工质量的影响，加工质量稳定可靠，且外形美观。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
图1为本发明实施例的柱面透镜组件的结构示意图；
图2为本发明实施例的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法的流程图；
图3为本发明实施例的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗后的显微结构图。
附图标记：
1、准直光斑；2、镜座；3、平凹柱面透镜；4、平凸柱面透镜；5、聚焦光线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置，包括：光纤激光器和柱面透镜组件，柱面透镜组件用于改变光纤激光器发出的激光束的二维分布，以调整激光束的能量密度至清洗阈值。
需要说明的是，该光纤激光器为高峰值高斯脉冲光纤激光器，高峰值高斯脉冲光纤激光器的波长为1064nm，平均功率200W，峰值功率4000W，高峰值高斯脉冲光纤激光器的脉宽为240ns，重复频率为200kHz，单脉冲能量为1mJ，光束质量因子为1.6。
可以理解的是，光纤激光器发出的激光束穿过柱面透镜组件后输出的是线光斑，且通过柱面透镜组件可以改变线光斑的参数，例如，宽度和长度。
在本发明实施例中，将待处理的热轧高碳钢固定在平台上，热轧高碳钢的待处理面朝向光纤激光器的激光头；激光头发出的激光束穿过柱面透镜组件后形成的线光斑对热轧高碳钢的待处理面去除氧化层。本发明实施例提供的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置，使用光纤激光器对含有致密氧化皮的热轧高碳钢表面进行清洗去除，是无接触性加工，相对于打磨的传统方法，激光加工对工件无直接冲击，不会发生机械变形；相对于酸洗方式无污染，减少了化学污渍排放和收集的过程；由于激光加工的精度较高，可控性较强，通过激光工艺参数调节可只对待加工部件的致密氧化皮进行加工，减少了人为因素对加工质量的影响，加工质量稳定可靠，且外形美观。
图1为本发明实施例的柱面透镜组件的结构示意图，如图1所示，柱面透镜组件包括平凹柱面透镜3、平凸柱面透镜4以及开设有通槽的镜座2；平凹柱面透镜3和平凸柱面透镜4沿激光束的传播方向依次安装在通槽内，平凹柱面透镜3和平凸柱面透镜4正交布置。
需要说明的是，激光扫描结合平凹柱面透镜和平凸柱面透镜改变激光束的二维分布，使光束质量因子为1.6的准直光斑1通过平凹柱面透镜3形成一条线光斑，再通过与平凹柱面透镜3正交放置的平凸柱面透镜4压缩线光斑宽度，形成一条满足清洗要求的线光斑即聚焦光线5，调整该线光斑能量密度使其达到能够清理氧化皮的清洗阈值，清洗阈值为18J/cm2。在无需振镜摆动的情况下依靠柱面镜形成的均匀光线快速移动清洗，满足生产线节拍要求；而为了满足大幅面热轧高碳钢一次清洗完成，可以叠加多台激光器与柱面透镜来达到大幅面处理；摒弃了常用振镜扫描方式，减少了振镜系统中振镜电机对振镜偏转的范围和速度影响，直接影响到加工速度能否增加，能否匹配平台生产线节拍要求；形成的线光斑均匀可调，整条线上能量均匀分布，无各种板卡电机操作，实用性强，操作简单。
半径为r0的准直光源射入一面焦距为-f的平凹柱面透镜。光束会以半角θ发散(θ＝r0/f)。此时，也可近似看作是位于焦点-f处的点光源的发散。在与平凹柱面透镜的后方距离为z的位置，虽然线光束宽度仍为2r0，但其长度变为L＝2(r0/f)(z+f)；当z远大于f时，扩束倍率接近z/f，线光斑的长度也与z成正比。
如果需要在z处产生宽度极窄的线光源，可以在上述平凹柱面透镜的前端或后端引入一个焦距为z的平凸柱面透镜，并将其与平凹柱面透镜正交放置，从而压缩光束宽度。
即通过控制平凹柱面透镜或平凸柱面透镜焦点位置来改变线光斑宽度，通过控制与平凹柱面透镜或平凸柱面透镜的后方距离来改变线光斑长度，进而改变激光清洗能量密度，可控性强，线光斑能量密度均匀分布，容易调节达到能够清理氧化皮的清洗阈值。其中，热轧高碳钢表面氧化皮的清洗阈值为17J/cm2～19J/cm2。
在上述实施例的基础上，光纤激光器的激光头内安装有引导指示光发射器。
需要说明的是，引导指示光发射器发射出红色的引导指示光，且引导指示光位于激光头的几何立体中心位置，即引导指示光与激光束共线出射。
可以理解的是，通过将引导指示光设于激光头的中心位置处，可以使得引导指示光与进入激光头的激光束重合，这样穿过柱面透镜组件后到达待清洗部件上的目标图案位置处，起到标记识别的作用，可以实现精准高效的清洗。
图2为本发明实施例的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法的流程图，如图2所示，本发明实施例的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法，包括：
S10，将待处理的热轧高碳钢固定在平台上，热轧高碳钢的待处理面朝向光纤激光器的激光头；
将待处理的热轧高碳钢放置在生产流水线平台上，热轧高碳钢的两边通过夹具固定，防止热轧高碳钢产生移动或者振动；需要保证激光落下位置的平整性，且移动过程不发生振动。
S20，通过激光头发出的激光束穿过柱面透镜组件后对待处理面去除氧化层。
激光扫描结合平凹柱面透镜和平凸柱面透镜改变激光束的二维分布，使光束质量因子为1.6的准直光斑1通过平凹柱面透镜3形成一条线光斑，再通过与平凹柱面透镜3正交放置的平凸柱面透镜4压缩线光斑宽度，形成一条满足清洗要求的线光斑，调整该线光斑能量密度使其达到能够清理氧化皮的清洗阈值，清洗阈值为18J/cm2。
需要说明的是，光纤激光器为高峰值高斯脉冲光纤激光器，光纤激光器的波长为1064nm，平均功率200W，峰值功率4000W，所述高峰值高斯脉冲光纤激光器的脉宽为10ns～240ns，重复频率为200～2000kHz，单脉冲能量小于等于1mJ，光束质量因子为1.3～1.6。
本发明实施例的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法，热轧高碳钢表面氧化皮去除干净，氧含量百分比几乎为零，无残留；工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，完全克服了传统使用化学试剂去除高碳钢表面致密氧化皮的缺陷，绿色环保，不采用任何化学试剂涂层，且工艺参数容易控制，易于实现工业应用；摒弃了常用振镜扫描方式，减少了振镜系统中振镜电机对振镜偏转的范围和速度影响，影响到加工速度能否增加，能否匹配平台生产线节拍要求。
在上述实施例的基础上，在通过激光头发出的激光束穿过柱面透镜组件后对待处理面去除氧化层之前还包括：
根据柱面透镜组件传播的引导指示光照射在待处理面上的图像，以调整激光头的位置。
需要说明的是，激光头与待加工样件的待处理面的焦点处相对应，并通过激光头内的引导指示光发射器发射的红色引导指示光穿过柱面透镜组件后照射在待处理面上，通过比较红色引导指示光在待处理面上的图像与热轧高碳钢的表面轮廓重合是否重合，来调整激光头的出光方向。
在上述实施例的基础上，热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法还包括：根据柱面透镜组件传播的线光斑和引导指示光照射在待处理面上的图像，以调整线光斑的参数。
需要说明的是，红色引导指示光能够对线光斑起着标识作用，通过观察红色引导指示光可以知道线光斑的作用区域。其中，线光斑的长度为10～50mm，线光斑的宽度为60～150μm。
在本发明实施例中，通过平凹柱面透镜3形成一条线光斑长度为20mm，通过平凸柱面透镜4压缩线光斑宽度为80μm，从而调整该线光斑的能量密度使其达到能够清理氧化皮的清洗阈值，清洗阈值为18J/cm2。
在本发明实施例中，由于不使用传统激光清洗系统(振镜加场镜)方式，可根据需求调整线光斑的长度和扫描的宽度，可以减少人为因素对加工质量的影响，氧化皮清洗的一致性高。
需要说明的是，较致密氧化皮为高碳钢氧化皮，成分为Fe2O3、Fe3O4，厚度约为20微米。
图3为本发明实施例的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗后的显微结构图，如图3所示，处理后的热轧高碳钢的表面只存在Fe元素，不存在O元素。
表1热轧高碳钢表面激光清洗后元素成分组成表
元素 原子百分比
Fe 100
总量 100.00
通过观察表1可知，处理后的热轧高碳钢的表面只存在Fe元素，Fe元素的原子百分比为百分之百。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (9)

1.一种热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置，其特征在于，包括：光纤激光器和柱面透镜组件，所述柱面透镜组件用于改变所述光纤激光器发出的激光束的二维分布，以调整所述激光束的能量密度至清洗阈值。
2.根据权利要求1所述的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置，其特征在于，所述柱面透镜组件包括平凹柱面透镜、平凸柱面透镜以及开设有通槽的镜座；所述平凹柱面透镜和所述平凸柱面透镜沿所述激光束的传播方向依次安装在所述通槽内，所述平凹柱面透镜和所述平凸柱面透镜正交布置。
3.根据权利要求1或2所述的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置，其特征在于，所述光纤激光器的激光头内安装有引导指示光发射器。
4.根据权利要求1或2所述的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置，其特征在于，热轧高碳钢表面氧化皮的清洗阈值为17J/cm2～19J/cm2。
5.一种根据权利要求1至4任一项所述的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗装置的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法，其特征在于，包括：
将待处理的热轧高碳钢固定在平台上，所述热轧高碳钢的待处理面朝向光纤激光器的激光头；
通过所述激光头发出的激光束穿过柱面透镜组件后对所述待处理面去除氧化层。
6.根据权利要求5所述的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法，其特征在于，在所述通过所述激光头发出的激光束穿过柱面透镜组件后对所述待处理面去除氧化层之前还包括：
根据所述柱面透镜组件传播的引导指示光照射在所述待处理面上的图像，以调整所述激光头的位置。
7.根据权利要求6所述的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法，其特征在于，所述热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法还包括：
根据所述柱面透镜组件传播的线光斑和引导指示光照射在所述待处理面上的图像，以调整所述线光斑的参数。
8.根据权利要求7所述的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法，其特征在于，所述线光斑的长度为10～50mm。
9.根据权利要求8所述的热轧高碳钢表面氧化皮激光清洗方法，其特征在于，所述线光斑的宽度为60～150μm。
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