CN112371654A - 一种激光清洗装置及清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种激光清洗装置及清洗方法，其中装置包括：用于发射超快脉冲激光束的第一激光源以及用于发射连续激光束的第二激光源，第一激光源和第二激光源共同连接于激光复合头，第一激光源的第一输出光路和所述第二激光源的第二输出光路集成设于激光复合头的内部。本发明提供的一种激光清洗装置及清洗方法，提出将连续激光束和超快脉冲激光束结合起来用于清洗，采用双光束输出的激光功率为单束激光功率的数倍，有利于确保激光器在工作稳定的前提下满足加工效率的要求；相对于单一超快激光清洗技术，提升了清洗效率，解决了激光光斑小出现的纹路，加工质量稳定可靠，且结构简单，稳定性好，成本低，实用性较强。

Description

一种激光清洗装置及清洗方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光清洗装置及清洗方法。

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。

近年来出现的超快激光微加工技术，利用超高功率密度、超短脉冲宽度特性，其作用于金属材料是完全不同的“冷”加工效果，即几乎没有热影响区，加工精度非常高，较适合用于复合镀层的清洗。但是，超快激光微加工技术天生存在着加工效率低的缺点，由于光斑小难以把速度提升起来；如果加快去除速度容易导致光斑搭接不上有纹路残留。同时其“微加工”的特性显然并不适合于一般零部件的镀层幅面去除，性价比太低。故研究一种更为实际的加工技术，在不影响镀层去除的质量前提下提高清洗效率的方法是很有必要的。

发明内容

本发明提供一种激光清洗装置及清洗方法，用以解决或部分解决现有超快激光微加工技术存在的加工效率低，成本较高的问题。

本发明提供一种激光清洗装置，包括：用于发射超快脉冲激光束的第一激光源以及用于发射连续激光束的第二激光源，所述第一激光源和所述第二激光源共同连接于激光复合头，所述第一激光源的第一输出光路和所述第二激光源的第二输出光路集成设于所述激光复合头的内部。

在上述方案的基础上，所述第一激光源通过导光臂结构与所述激光复合头连接。

在上述方案的基础上，所述第二激光源通过光纤与所述激光复合头连接，所述激光复合头上设有相应的接头。

在上述方案的基础上，所述激光复合头的内部还设有合束镜，所述合束镜同时位于所述第一输出光路和所述第二输出光路的传输方向上，所述激光复合头的端面上与所述合束镜对应处设有输出端口。

在上述方案的基础上，所述输出端口处设有聚焦透镜。

在上述方案的基础上，所述第一输出光路包括分别可转动设置的第一反射镜和第一振镜；所述第二输出光路包括分别可转动设置的第二反射镜和第二振镜。

本发明还提供一种激光清洗方法，基于上述权利要求1-6任一所述的激光清洗装置，包括：将连续激光束和超快脉冲激光束结合起来作为清洗激光，激光清洗通过激光复合头输出至待清洗层；其中，连续激光束和超快脉冲激光束的光路系统和工艺参数分别独立控制；调整激光复合头，对清洗激光入射至待清洗层的位置以及入射角度进行调节。

在上述方案的基础上，还包括：调节连续激光束和超快脉冲激光束的传输方向，对清洗激光的出光模式进行调节；其中，清洗激光的出光模式包括：同轴出光和平行出光。

在上述方案的基础上，还包括：根据待清洗层的清洗需求，调节清洗激光的扫描幅度和速度。

在上述方案的基础上，根据待清洗层的清洗需求，调节清洗激光的扫描幅度和速度具体包括：根据待清洗层的厚度和幅面，调节清洗激光的扫描幅度和速度；待清洗层的厚度越厚，清洗激光的扫描幅度越小，速度越慢；待清洗层的幅面越大，清洗激光的扫描幅度越大，速度越快。

本发明提供的一种激光清洗装置及清洗方法，提出将连续激光束和超快脉冲激光束结合起来用于清洗，采用双光束输出的激光功率为单束激光功率的数倍，有利于确保激光器在工作稳定的前提下满足加工效率的要求；相对于单一超快激光清洗技术，提升了清洗效率，解决了激光光斑小出现的纹路，加工质量稳定可靠，且结构简单，稳定性好，成本低，实用性较强。

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是本发明提供的激光清洗装置的整体示意图；

图2是本发明提供的激光清洗装置中激光复合头的内部示意图；

图3是本发明提供的激光复合头内部的光路示意图。

附图标记：

1、第一激光源；2、第二激光源；3、导光臂结构；4、接头；5、激光复合头；6、聚焦透镜；7、第一反射镜；8、第一振镜；9、第二反射镜；10、第二振镜；11、合束镜；12、输出端口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。

下面结合图1-图3描述本发明的激光清洗装置及清洗方法。

参考图1，本实施例提供一种激光清洗装置，该激光清洗装置包括：用于发射超快脉冲激光束的第一激光源1以及用于发射连续激光束的第二激光源2，第一激光源1和第二激光源2共同连接于激光复合头5，第一激光源1的第一输出光路和第二激光源2的第二输出光路集成设于激光复合头5的内部。

第二激光源2可为能够发射连续激光束的激光器；第一激光源1可为能够发射超快脉冲激光束的激光器。第一激光源1和第二激光源2的运行独立控制，分别控制进行两种激光束的发射。设置激光复合头5将两种激光束的输出光路集成设置。第一输出光路和第二输出光路可独立设置，分别与对应的激光源连接，实现对应激光束的传输。两种激光束通过共同的一个激光复合头5输出，实现两种激光束的结合应用。

进一步地，连续激光束可为高功率连续热熔激光束。该高功率连续热熔激光束可为目前工业上常用的光纤连续激光器，中心波长为1080nm，平均功率从500W-2000W范围可调，调制频率1-5000Hz。通过热输出达到焊接、切割等应用。另一束超快脉冲激光束，可以是以皮秒或飞秒激光器为代表的超快激光器输出的极短脉冲激光束，脉冲持续时间短，峰值功率极高，用于材料加工具有独特的超精细、无热影响的优异特性。

两种激光束结合，利用高功率连续热熔激光束的热膨胀可使待清洗层，例如镀膜层与基材之间的结合力减小，同时利用超快脉冲激光束产生的高频振动使镀膜层脱落，达到快速清洗的目的。

本实施例提供的一种激光清洗装置，提出将连续激光束和超快脉冲激光束结合起来用于清洗，采用双光束输出的激光功率为单束激光功率的数倍，有利于确保激光器在工作稳定的前提下满足加工效率的要求；具体由具有不同特性参数的两束激光束双光源进行清洗或者其他激光加工工艺，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；相对于单一超快激光清洗技术，提升了清洗效率，解决了激光光斑小出现的纹路，加工质量稳定可靠，且结构简单，稳定性好，成本低，实用性较强。

在上述实施例的基础上，进一步地，第一激光源1通过导光臂结构3与激光复合头5连接。具体的，导光臂结构3可包括依次转动连接的多节导光臂，导光臂结构3的端部可通过螺栓连接在第一激光源1和激光复合头5连接。导光臂结构3既可实现激光的传输且可实现多个自由度的移动，可便于激光复合头5的灵活移动。

在上述实施例的基础上，进一步地，第二激光源2通过光纤与激光复合头5连接，激光复合头5上设有相应的接头4。具体可为QBH接头4，实现插拔式连接，方便操作。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图2，激光复合头5的内部还设有合束镜11，合束镜11同时位于第一输出光路和第二输出光路的传输方向上，激光复合头5的端面上与合束镜11对应处设有输出端口12。第一激光源1发射的连续激光束通过第一输出光路传输至合束镜11上；第二激光源2发射的超快脉冲激光束通过第二输出光路传输至合束镜11上。第一激光源1发射的连续激光束和第二激光源2发射的超快脉冲激光束通过合束镜11进行合束后输出。

在上述实施例的基础上，进一步地，输出端口12处设有聚焦透镜6。实现两束激光束的聚焦。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图3，第一输出光路包括分别可转动设置的第一反射镜7和第一振镜8；第一反射镜7和第一振镜8可分别通过转轴固定在激光复合头5的内部，转轴可在电机的驱动下带动第一反射镜7和第一振镜8转动。通过第一反射镜7和第一振镜8的转动，可调节超快脉冲激光束的输出方向；通过控制第一振镜8的转动，可控制超快脉冲激光束的扫描幅度和扫描速度。

第二输出光路包括分别可转动设置的第二反射镜9和第二振镜10。第二反射镜9和第二振镜10可分别通过转轴固定在激光复合头5的内部，转轴可在电机的驱动下带动第二反射镜9和第二振镜10转动。通过第二反射镜9和第二振镜10的转动，可调节连续激光束的输出方向；通过控制第二振镜10的转动，可控制连续激光束的扫描幅度和扫描速度。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种激光清洗方法，该激光清洗方法基于上述任一实施例所述的激光清洗装置，该激光清洗方法包括：将连续激光束和超快脉冲激光束结合起来作为清洗激光，激光清洗通过激光复合头5输出至待清洗层；其中，连续激光束和超快脉冲激光束的光路系统和工艺参数分别独立控制；调整激光复合头5，对清洗激光入射至待清洗层的位置以及入射角度进行调节。清洗激光为连续激光和超快脉冲激光的结合，具有两种激光束的特性。

本实施例提供的激光清洗方法，由具有不同特性参数的两束激光束双光源对待清洗层，例如含有致密镀膜层的镀层材料表面工件表面加工进行清除去除，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；相对于单一超快激光镀层清洗技术，提升了镀层清洗效率，解决了激光光斑小出现的纹路，加工质量稳定可靠，且外形美观。采用的双光束输出的激光功率为单束激光功率的数倍，确保了激光器在工作稳定的前提下满足加工效率的要求。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种激光清洗方法还包括：调节连续激光束和超快脉冲激光束的传输方向，对清洗激光的出光模式进行调节；其中，清洗激光的出光模式包括：同轴出光和平行出光。通过转动对应的反射镜和振镜，来实现对应激光束的传输方向的调节。

进一步地，根据待清洗层的清洗难度，选择清洗激光的出光模式。具体的，在待清洗层的厚度大于预设厚度时，选择清洗激光的出光模式为同轴出光。在同轴出光模式下，连续激光束和超快脉冲激光束同轴射出，超快脉冲激光束位于清洗激光束的中间；两种激光束结合，内部为精加工、聚焦光斑较小的超快脉冲激光束，外围为热输入量较大、聚焦光斑较大的高功率连续热熔激光束，同时出光加工，利用高功率连续热熔激光束的热膨胀使镀膜层与基材之间的结合力减小，同时利用超快脉冲激光束产生的高频振动使镀膜层脱落，达到快速清洗的目的。

同轴出光模式下，清洗激光束的能量集中，可适用于清洗难度较大，例如待清洗层的厚度较厚时的清洗工艺。平行出光模式下，连续激光束和超快脉冲激光束的输出方向相互平行，没有相交。可设置沿激光复合头5的移动方向连续激光束位于超快脉冲激光束的前方，是的待清洗层先受到连续激光束的热熔，再进行超快脉冲激光束的清洗，有利于提高清洗效率。在平行出光模式下，连续激光束和超快脉冲激光束形成的光斑总长度较长，有利于提高清洗速度，适用于较易清洗且清洗幅面较大的清洗工艺。

可根据实际清洗需求，来灵活调整清洗激光的出光模式。在清洗过程中，清洗激光的出光模式也可进行灵活实时调整。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种激光清洗方法还包括：根据待清洗层的清洗需求，调节清洗激光的扫描幅度和速度。清洗激光的扫描幅度和速度由连续激光束和超快脉冲激光束的扫描幅度和速度决定。可通过转动相应振镜，实现相应激光束的扫描幅度和速度的调节。

在上述实施例的基础上，进一步地，根据待清洗层的清洗需求，调节清洗激光的扫描幅度和速度具体包括：根据待清洗层的厚度和幅面，调节清洗激光的扫描幅度和速度。

具体为，待清洗层的厚度越厚，清洗激光的扫描幅度越小，速度越慢；清洗激光的扫描幅度越小，能量越集中，扫描速度越慢，能量停留时间越长，可适用于较厚的待清洗层清洗。

待清洗层的幅面越大，清洗激光的扫描幅度越大，速度越快。清洗激光的扫描幅度越大，速度越快，使得清洗速度越快，可适用于幅面较大的待清洗层清洗。

进一步地，清洗激光的扫描幅度和速度、连续激光束的扫描幅度和速度以及超快脉冲激光束的扫描幅度和速度的变化趋势一致。具体的，连续激光束的扫描幅度为-22°-22°，扫描速度范围在0-6m/s。超快脉冲激光束的扫描幅度为-22°-22°，扫描速度范围在0-10m/s。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种双光束激光复合镀层高效清洗装置及方法，用以解决或部分解决现有镀层清洗方式加工效率慢、纹路残留等问题。

第一方面，本实施例提供一种双光束激光复合镀层高效清洗装置，包括平行设置的激光源，激光源与激光复合头5转接座以及激光复合头5，平行设置的激光源其中一束为高功率连续热熔激光束，另一束为超快脉冲激光束，两束激光束的光路系统、工艺参数相互独立，可单独一路或两路同时出光，互不影响。

在上述方案的基础上，激光源与激光复合头5转接座也分为两部分且固定在激光复合头5上，一部分是与高功率连续热熔激光束转接的QBH接头4，实现插拔式连接，方便操作；另一部分是与超快脉冲激光束转接的导光臂支撑架螺栓连接，使入射光束和导光臂的光路同轴，激光源与激光复合头5转接座可实现激光复合头5任意角度摆放，搭配各种执行机构进行加工，不受所述高功率连续热熔激光束和所述超快脉冲激光束直线输出限制。同时两束激光束的光路系统、工艺参数相互独立，工艺参数包括激光功率，聚焦光斑直径、重复频率、辅助吹气等。

在上述方案的基础上，激光复合头5内包括两路不同光路输出部件，第一扫描振镜和第二扫描振镜，第一反射镜7和第二反射镜9，每路光路进入激光复合头5内先到达各自反射镜调整光路位置，再到达各自扫描振镜进行线性扫描，最后在同一个两面不同镀层镜片即合束镜11下进行合束，通过聚焦透镜6聚焦于工件表面加工，实现双光束激光复合高效加工。

第二方面，本实施例提供一种双光束激光复合镀层高效清洗方法，包括：

将待处理的镀层工件固定在平台上，镀层工件的待处理面朝向所述激光复合头5的出光口位置；

平行设置的激光源由具有不同特性参数的两束激光束构成，一束为高功率连续热熔激光束，另一束为超快脉冲激光束，两束激光束的光路系统、工艺参数相互独立，可单独一路或两路同时出光，互不影响；

调整激光复合头5与工件的相对位置，使得由激光复合头5输出的两束激光束均以一定偏角入射到工件表面并聚焦于工件表面，聚焦后的两束激光束的光轴为同轴或平行，根据加工工艺需求调节；

同时开启高功率连续热熔激光束和超快脉冲激光束，保持输出光分别沿着QBH接头4和导光臂进入激光复合头5内，调节扫描振镜摆动幅度和速度，在指定镀层工件位置加工，实现表面镀层全部去除，无残留。

在上述方案的基础上，清洗激光的线光斑的长度为10-80mm。

在上述实施例中，处于高功率连续热熔激光束上的第二扫描振镜偏转角度在-22°-22°，扫描速度范围在0-6m/s。处于超快脉冲激光束上的第一扫描振镜偏转角度在-22°-22°，扫描速度范围在0-10m/s。根据不同镀层厚度和幅面清洗需求进行调整所述偏转角度和所述扫描速度值。

本实施例提供的一种双光束激光复合镀层高效清洗装置，结构简单，稳定性好，成本低，采用的双光束输出的激光功率为单束激光功率的数倍，确保了激光器在工作稳定的前提下满足加工效率的要求。本实施例提供的双光束激光复合镀层高效清洗方法，由具有不同特性参数的两束激光束双光源对含有致密镀膜层的镀层材料表面工件表面加工进行清除去除，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；相对于单一超快激光镀层清洗技术，提升了镀层清洗效率，解决了激光光斑小出现的纹路，加工质量稳定可靠，且外形美观。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光清洗装置，其特征在于，包括：用于发射超快脉冲激光束的第一激光源以及用于发射连续激光束的第二激光源，所述第一激光源和所述第二激光源共同连接于激光复合头，所述第一激光源的第一输出光路和所述第二激光源的第二输出光路集成设于所述激光复合头的内部。

2.根据权利要求1所述的激光清洗装置，其特征在于，所述第一激光源通过导光臂结构与所述激光复合头连接。

3.根据权利要求1所述的激光清洗装置，其特征在于，所述第二激光源通过光纤与所述激光复合头连接，所述激光复合头上设有相应的接头。

4.根据权利要求1至3任一所述的激光清洗装置，其特征在于，所述激光复合头的内部还设有合束镜，所述合束镜同时位于所述第一输出光路和所述第二输出光路的传输方向上，所述激光复合头的端面上与所述合束镜对应处设有输出端口。

5.根据权利要求4所述的激光清洗装置，其特征在于，所述输出端口处设有聚焦透镜。

6.根据权利要求1至3任一所述的激光清洗装置，其特征在于，所述第一输出光路包括分别可转动设置的第一反射镜和第一振镜；所述第二输出光路包括分别可转动设置的第二反射镜和第二振镜。

7.一种激光清洗方法，其特征在于，基于上述权利要求1-6任一所述的激光清洗装置，包括：

将连续激光束和超快脉冲激光束结合起来作为清洗激光，激光清洗通过激光复合头输出至待清洗层；其中，连续激光束和超快脉冲激光束的光路系统和工艺参数分别独立控制；

调整激光复合头，对清洗激光入射至待清洗层的位置以及入射角度进行调节。

8.根据权利要求7所述的激光清洗方法，其特征在于，还包括：

调节连续激光束和超快脉冲激光束的传输方向，对清洗激光的出光模式进行调节；

其中，清洗激光的出光模式包括：同轴出光和平行出光。

9.根据权利要求7所述的激光清洗方法，其特征在于，还包括：

根据待清洗层的清洗需求，调节清洗激光的扫描幅度和速度。

10.根据权利要求9所述的激光清洗方法，其特征在于，根据待清洗层的清洗需求，调节清洗激光的扫描幅度和速度具体包括：

根据待清洗层的厚度和幅面，调节清洗激光的扫描幅度和速度；

待清洗层的厚度越厚，清洗激光的扫描幅度越小，速度越慢；

待清洗层的幅面越大，清洗激光的扫描幅度越大，速度越快。

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