CN114101226A - 一种高温合金焊前激光清洗装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种高温合金焊前激光清洗装置，将光束调整系统、焦点保持架、红外激光测距装置、吸尘管集成在激光清洗头上，形成了手持式的清洗头结构。利用控制系统设置激光器、X轴扫描振镜装置以及Y轴扫描振镜装置的工作参数、控制调节激光清洗焦距，决定激光器、X轴/Y轴扫描振镜装置、烟雾净化器与焦点保持架的工作状态。在发明所提供的激光清洗方法中，针对高温合金待焊部件表面有氧化膜及油污的不同情况，提供了不同的清洗参数，保证清洗效果的同时不损伤高温合金的表面。激光清洗装置配备烟雾净化系统，吸尘软管集成在清洗头上，做到了清洗产物同步吸收处理。通过采用可伸缩式焦点保持架与红外激光测距装置、控制系统共同实现清洗过程自动对焦功能。
Description
技术领域
本发明涉及激光清洗技术领域，尤其涉及一种高温合金焊前激光清洗装置及方法。
背景技术
为达到航空发动机在高温环境下可靠运行的目的，航空零部件大量使用高温合金，在航空制造中，焊接始终处于至关重要的地位，为了得到更为优质、可靠的焊接质量，除了需要好的焊接工艺和设备外，科学的焊前与焊后处理也非常重要。高温合金在焊接之前应清理表面，除去氧化膜、油污和松散的杂质，从而避免焊接接头出现硬化、裂纹、气孔等缺陷。
目前高温合金焊前预处理主要应用化学清洗、盐浴清洗、高压水清洗和机械打磨处理等方式，存在生产环境差、能源消耗大、环境污染严重等问题。而采用激光清洗可以高效环保地进行高温合金焊前预处理。高温合金焊前激光清洗是利用激光清洗装置射出的短脉冲高能激光束作用于待焊工件表面，使表面的氧化膜、油污等发生局部物化反应，并使其在热力作用下快速脱离工件表面，实现不损伤基材而高效便捷的工艺过程。在保证高效进行高温合金焊前激光清洗的同时，应该确保不损伤高温合金部件表面。因此激光参数的选择十分重要，应根据不同厚度的氧化膜确定合适的清洗阈值和损伤阈值，在该范围内，能有效地去除高温合金氧化膜并且部件表面没有可见损伤。
专利CN201711223076.0公开了一种焊前激光清洗去除铝合金氧化膜的方案，该方案在清洗过程中考虑搭接率对清洗效果的影响，通过选择合适的搭接率实现铝合金氧化膜高效且有效地去除，完成焊前准备的要求。清洗时，将待清洗铝合金放置于三维移动平台上，调节激光光束方向，设置激光参数，让脉冲激光扫描待清洗铝合金完成焊前清洗。还提供一种高效去除铝合金氧化膜焊前激光清洗的装置，利用计算机、激光清洗设备及三维移动平台实现机械式激光清洗铝合金氧化膜。但是，采用专利CN201711223076.0中的装置进行清洗，无法实现自动对焦；仅适合平板或形状规则的铝合金部件焊前激光清洗，清洗对象局限大，不适用于复杂的航空发动机待焊部件，并且对于作业空间较小的零部件内侧无法清洗，同时在清洗后没有采取措施将清洗产生的污染物收集，工作过程产生粉尘污染。采用单个扫描振镜，激光通过清洗装置射出后成一条线光斑，在手持清洗时由于手持清洗不能保证匀速进行，线光斑不能均匀地清洗材料表面，容易在清洗后的材料表面留下纹路，影响清洗质量。另外，专利CN201711223076.0是针对铝合金进行清洗，并未公开高温合金激光清洗时的相关参数，采用其对高温合金进行清洗，清洗不干净或者容易对高温合金表面造成损伤。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种高温合金焊前激光清洗装置及方法，旨在解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种高温合金焊前激光清洗装置，包括激光清洗头和激光器，所述激光器与激光清洗头之间通过光缆连接，还包括控制系统和烟雾净化系统；
所述控制系统与所述激光器控制连接；
所述烟雾净化系统包括吸尘管和烟雾净化器，所述吸尘管设置在所述激光清洗头上，所述吸尘管通过管道与烟雾净化器连接，所述烟雾净化器与所述控制系统控制连接；
在所述激光清洗头上设置有可伸缩式的焦点保持架，在焦点保持架内设置有伺服电机，所述伺服电机用于驱动所述焦点保持架伸长或缩短，所述伺服电机与所述控制系统控制连接；
在所述激光清洗头上设置有红外激光测距装置，所述红外激光测距装置通过通信单元与所述控制系统连接；
所述激光清洗头内设置有X轴扫描振镜装置和Y轴扫描振镜装置，所述X轴扫描振镜装置、Y轴扫描振镜装置分别与所述控制系统控制连接。
优选的，所述激光清洗头内设置有光束调整系统，光束调整系统包括所述X轴扫描振镜装置、Y轴扫描振镜装置，还包括准直隔离器、扩束镜、以及F-theta场镜；所述激光器发射的激光依次经过准直隔离器、扩束镜、X轴扫描振镜装置、Y轴扫描振镜装置、F-theta场镜后形成激光束从所述激光清洗头射出。
优选的，在所述焦点保持架的端部设置有万向球。
优选的，在所述激光清洗头的尾端设置有螺纹接头，所述螺纹接头用于与激光器上的光缆连接。
优选的，在所述激光清洗头上设置有手柄，在所述手柄上设置有扳机用于打开或关闭激光束。
优选的，所述激光器为纳秒脉冲光纤激光器，波长1064nm，激光平均功率为10～100W，激光重复频率为10～1000kHz，可调脉宽10～500ns，激光光斑直径为0.03～0.2mm，脉冲能量为0.5～1.5mJ。
本发明还提供了一种高温合金焊前激光清洗方法，采用上述激光清洗装置，包括以下步骤：
步骤S1：将高温合金待焊部件放置在清洗平台上，启动控制系统，在控制系统上预设激光清洗头与高温合金待焊部件的距离，控制系统控制焦点保持架内的伺服电机调节焦点保持架的长度；
步骤S2：通过控制系统设定工艺参数激光器的参数，激光平均功率为10～100W，激光重复频率为10～200kHz，可调脉宽10～500ns，脉冲能量为0.5～1.5mJ；
步骤S3：手持激光清洗头，使得焦点保持架端部的万向球抵住高温合金待焊部件表面，调整激光清洗头的角度，使激光束沿高温合金待焊部件的清洗面法向方向射入进行清洗；
步骤S4：清洗结束后，关闭激光器、红外激光测距装置以及激光清洗头；
步骤S5：观察清洗区域是否露出高温合金金属光泽，如果未露出高温合金金属光泽，重复步骤S2至步骤S4。
优选的，当高温合金待焊部件表面仅有氧化膜无油污，且氧化膜厚度＜1μm时，激光功率选择20～40W，脉宽选择200～300ns，清洗速度选择1.5～1.8m/min。
优选的，当高温合金待焊部件表面氧化膜厚度＜1μm、且油污厚度为1～20μm时，激光功率选择40～60W，脉宽选择200～300ns，清洗速度选择1.2～1.5m/min。
优选的，当高温合金待焊部件表面氧化膜厚度＜1μm、且油污厚度＞20μm时，激光功率选择60～80W，脉宽选择200～300ns，清洗速度选择0.9～1.2m/min。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：
(1)清洗效果好。本发明利用脉冲激光束作用于高温合金待焊部件表面氧化膜与油污，使氧化膜与油污发生熔化、汽化和烧蚀等物理化学变化从而被去除；清洗过程中通关光斑的叠加使清洗能力提高，清洗更加干净。
(2)可达性强、应用范围广。本发明将光束调整系统整合进激光清洗头中，使清洗头体积小、重量轻便于操作人员手持作业，采用手持式激光清洗方式进行焊前处理，突破以往仅适合平板或形状规则的部件焊前激光清洗的局限，面对高温合金待焊部件的复杂曲面也能便捷清洗，并且可以进入狭小工作空间中工作。
(3)清洗过程自动对焦。本发明针对现有手持清洗作业不易对焦的缺点开发清洗过程自动对焦功能，通过采用可伸缩式焦点保持架与红外激光测距装置、控制系统共同实现清洗过程自动对焦功能，在线监测清洗表面是否在激光的焦平面上，降低操作难度并提高清洗质量；在焦点保持端部设置万向球，实现清洗装置在曲面工件上自由运动。
(4)环境污染小。本发明所提供的激光清洗装置配备烟雾净化系统，吸尘软管集成在清洗头上，做到实时收集高温合金焊前处理激光清洗颗粒产物，经过烟雾净化器过滤后排出洁净空气；清洗后产物不污染水资源、不使用化学试剂，对环境与人体无损害。
(5)清洗参数优化。本发明针对高温合金待焊部件表面有氧化膜及油污的不同情况，提供了不同的清洗参数，保证清洗效果的同时不损伤高温合金的表面。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明所提供的高温合金焊前激光清洗装置对待焊部件进行清洗时的结构示意图；
图2为本发明所提供的高温合金焊前激光清洗装置的结构示意图；
图3为本发明所提供的高温合金焊前激光清洗方法的流程图；
附图标号说明：10、激光清洗头；101、X轴扫描振镜装置；102、Y轴扫描振镜装置；103、准直隔离器；104、扩束镜；105、F-theta场镜；106、手柄；107、扳机；108、螺纹接头；109、握柄；20、激光器；30、控制系统；40、红外激光测距装置；401、通信单元；50、焦点保持架；501、万向球；60、烟雾净化系统；601、吸尘管；602、烟雾净化器；70、高温合金待焊部件；80、激光束。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如图1、图2所示，一种高温合金焊前激光清洗装置，包括激光清洗头10和激光器20，所述激光器20与激光清洗头10之间通过光缆连接，还包括控制系统30、烟雾净化系统60；
所述控制系统30与所述激光器20控制连接；所述控制系统30对激光器20进行参数设定，并控制激光器20的开启或关闭。
所述烟雾净化系统60包括吸尘管601和烟雾净化器602，所述吸尘管601设置在所述激光清洗头10上，所述吸尘管601通过管道与烟雾净化器602连接，所述烟雾净化器602与所述控制系统30控制连接；将烟雾净化系统的吸尘管601集成设置在激光清洗头10上，吸尘管601将激光清洗高温合金氧化膜与油污的产物吸收到烟雾净化器602中集中处理，实现清洗与吸尘同步进行，清洗过程环保。另外，通过控制系统30控制烟雾净化器602的开启或关闭、以及控制烟雾净化器602的功率，保证净化效果。
在所述激光清洗头10上设置有可伸缩式的焦点保持架50，在焦点保持架50内设置有伺服电机，所述伺服电机用于驱动所述焦点保持架50伸长或缩短，所述伺服电机与所述控制系统30控制连接；在所述焦点保持架50的端部设置有万向球501，通过万向球501实现在激光清洗头10曲面工件上自由运动。
在所述激光清洗头10上设置有红外激光测距装置40，所述红外激光测距装置40通过通信单元401与所述控制系统30连接；红外激光测距装置包括传感器探头、放大器单元，通过红外激光测距装置40实时监控焦距，传感器探头与放大器单元测出距离后通过通信单元401传输至控制系统30，控制系统30根据实时焦距，控制焦点保持架50内的伺服电机实现焦点保持架50伸缩调节。
所述激光清洗头10内设置有X轴扫描振镜装置101和Y轴扫描振镜装置102，所述X轴扫描振镜装置101、Y轴扫描振镜装置102分别与所述控制系统30控制连接。在X轴扫描振镜装置101内设置有X轴电机用于驱动X轴扫描振镜转动；在Y轴扫描振镜装置102内设置有Y轴电机用于驱动Y轴扫描振镜转动。控制系统30分别控制X轴扫描振镜装置101、Y轴扫描振镜装置102上的X轴电机、Y轴电机，进而控制X轴扫描振镜、Y轴扫描振镜的角度。具体地，通过红外激光测距装置40实时监控焦距，传感器探头与放大器单元测出距离后通过通信单元401传输至控制系统30，控制系统30根据实时焦距，控制X轴电机、Y轴电机，调节X轴扫描振镜、Y轴扫描振镜的角度。
在本实施例中，所述激光清洗头10内设置有光束调整系统，光束调整系统包括所述X轴扫描振镜装置101、Y轴扫描振镜装置102，还包括准直隔离器103、扩束镜104、以及F-theta场镜105；所述激光器20发射的激光依次经过准直隔离器103、扩束镜104、X轴扫描振镜装置101、Y轴扫描振镜装置102、F-theta场镜105后形成激光束80从所述激光清洗头10射出，激光束80为近连续的扫描线或扫描面。准直隔离器103用于防止激光光束损伤激光器20；扩束镜104和F-Theta场镜实现光束整形，保证激光质量。
激光器20发射的激光在光束调整系统作用下由单一的点光斑变为近连续的扫描线或扫描面形状的光束80，然后从激光清洗头10射出，在进行清洗的时候，通过移动激光清洗头10对高温合金进行焊进行清洗。通过X轴扫描振镜装置101和Y轴扫描振镜装置102实现点光斑输出扫描线或扫描面，清洗过程中只需保证相邻四个光斑之间无间隙存在，即可实现光斑完整覆盖清洗面，只需要保证相邻对角的光斑间距小于
(R为光斑半径)便可完整覆盖。
将光束调整系统、焦点保持架50、红外激光测距装置40、吸尘管601集成在激光清洗头10上，并在所述激光清洗头10上设置有手柄106以及握柄109，在所述手柄106上设置有扳机107用于打开或关闭激光束80，形成了手持式的清洗头结构。利用控制系统30可设置激光器20、X轴扫描振镜装置101以及Y轴扫描振镜装置102的工作参数、控制调节激光清洗焦距，决定激光器20、X轴扫描振镜装置101、Y轴扫描振镜装置102、烟雾净化器602与焦点保持架50的工作状态。
在本实施例中，如图1所示，在所述激光清洗头10的尾端设置有螺纹接头108，所述螺纹接头108用于与激光器20上的光缆连接。
在本实施例中，所述激光器20为纳秒脉冲光纤激光器，波长1064nm，激光平均功率为10～100W，激光重复频率为10～1000kHz，可调脉宽10～500ns，激光光斑直径为0.03～0.2mm，脉冲能量为0.5～1.5mJ。
本实施例还提供了一种高温合金焊前激光清洗方法，采用上述激光清洗装置进行清洗，包括以下步骤：
步骤S1：将高温合金待焊部件70放置在清洗平台上，启动控制系统30，在控制系统30上预设激光清洗头10与高温合金待焊部件70的距离，控制系统30控制焦点保持架50内的伺服电机调节焦点保持架50的长度；
步骤S2：通过控制系统30设定工艺参数激光器20的参数，激光平均功率为10～100W，激光重复频率为10～200kHz，可调脉宽10～500ns，脉冲能量为0.5～1.5mJ；
当高温合金待焊部件70表面仅有氧化膜无油污，且氧化膜厚度＜1μm时，激光功率选择20～40W，脉宽选择200～300ns，清洗速度选择1.5～1.8m/min。
当高温合金待焊部件70表面氧化膜厚度＜1μm、且油污厚度为1～20μm时，激光功率选择40～60W，脉宽选择200～300ns，清洗速度选择1.2～1.5m/min。
当高温合金待焊部件70表面氧化膜厚度＜1μm、且油污厚度＞20μm时，激光功率选择60～80W，脉宽选择200～300ns，清洗速度选择0.9～1.2m/min；
步骤S3：手持激光清洗头10，使得焦点保持架50端部的万向球501抵住高温合金待焊部件70表面，调整激光清洗头10的角度，使激光束80沿高温合金待焊部件70的清洗面法向方向射入进行清洗；
步骤S4：清洗结束后，关闭激光器20、红外激光测距装置40以及激光清洗头10；
步骤S5：观察清洗区域是否露出高温合金金属光泽，如果未露出高温合金金属光泽，重复步骤S2至步骤S4。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种高温合金焊前激光清洗装置，包括激光清洗头(10)和激光器(20)，所述激光器(20)与激光清洗头(10)之间通过光缆连接，其特征在于：还包括控制系统(30)、烟雾净化系统(60)；
所述控制系统(30)与所述激光器(20)控制连接；
所述烟雾净化系统(60)包括吸尘管(601)和烟雾净化器(602)，所述吸尘管(601)设置在所述激光清洗头(10)上，所述吸尘管(601)通过管道与烟雾净化器(602)连接，所述烟雾净化器(602)与所述控制系统(30)控制连接；
在所述激光清洗头(10)上设置有可伸缩式的焦点保持架(50)，在焦点保持架(50)内设置有伺服电机，所述伺服电机用于驱动所述焦点保持架(50)伸长或缩短，所述伺服电机与所述控制系统(30)控制连接；
在所述激光清洗头(10)上设置有红外激光测距装置(40)，所述红外激光测距装置(40)通过通信单元(401)与所述控制系统(30)连接；
所述激光清洗头(10)内设置有X轴扫描振镜装置(101)和Y轴扫描振镜装置(102)，所述X轴扫描振镜装置(101)、Y轴扫描振镜装置(102)分别与所述控制系统(30)控制连接。
2.如权利要求1所述的一种高温合金焊前激光清洗装置，其特征在于：所述激光清洗头(10)内设置有光束调整系统，光束调整系统包括所述X轴扫描振镜装置(101)、Y轴扫描振镜装置(102)，还包括准直隔离器(103)、扩束镜(104)、以及F-theta场镜(105)；所述激光器(20)发射的激光依次经过准直隔离器(103)、扩束镜(104)、X轴扫描振镜装置(101)、Y轴扫描振镜装置(102)、F-theta场镜(105)后形成激光束(80)从所述激光清洗头(10)射出。
3.如权利要求1所述的一种高温合金焊前激光清洗装置，其特征在于：在所述焦点保持架(50)的端部设置有万向球(501)。
4.如权利要求1所述的一种高温合金焊前激光清洗装置，其特征在于：在所述激光清洗头(10)的尾端设置有螺纹接头(108)，所述螺纹接头(108)用于与激光器(20)上的光缆连接。
5.如权利要求1所述的一种高温合金焊前激光清洗装置，其特征在于：在所述激光清洗头(10)上设置有手柄(106)，在所述手柄(106)上设置有扳机(107)用于打开或关闭激光束(80)。
6.如权利要求1所述的一种高温合金焊前激光清洗装置，其特征在于：所述激光器(20)为纳秒脉冲光纤激光器，波长1064nm，激光平均功率为10～100W，激光重复频率为10～1000kHz，可调脉宽10～500ns，激光光斑直径为0.03～0.2mm，脉冲能量为0.5～1.5mJ。
7.一种高温合金焊前激光清洗方法，其特征在于：采用权利要求1至6任一所述的激光清洗装置，包括以下步骤：
步骤S1：将高温合金待焊部件(70)放置在清洗平台上，启动控制系统(30)，在控制系统(30)上预设激光清洗头(10)与高温合金待焊部件(70)的距离，控制系统(30)控制焦点保持架(50)内的伺服电机调节焦点保持架(50)的长度；
步骤S2：通过控制系统(30)设定工艺参数激光器(20)的参数，激光平均功率为10～100W，激光重复频率为10～200kHz，可调脉宽10～500ns，脉冲能量为0.5～1.5mJ；
步骤S3：手持激光清洗头(10)，使得焦点保持架(50)端部的万向球(501)抵住高温合金待焊部件(70)表面，调整激光清洗头(10)的角度，使激光束(80)沿高温合金待焊部件(70)的清洗面法向方向射入进行清洗；
步骤S4：清洗结束后，关闭激光器(20)、红外激光测距装置(40)以及激光清洗头(10)；
步骤S5：观察清洗区域是否露出高温合金金属光泽，如果未露出高温合金金属光泽，重复步骤S2至步骤S4。
8.如权利要求7所述的一种高温合金焊前激光清洗方法，其特征在于：当高温合金待焊部件(70)表面仅有氧化膜无油污，且氧化膜厚度＜1μm时，激光功率选择20～40W，脉宽选择200～300ns，清洗速度选择1.5～1.8m/min。
9.如权利要求7所述的一种高温合金焊前激光清洗方法，其特征在于：当高温合金待焊部件(70)表面氧化膜厚度＜1μm、且油污厚度为1～20μm时，激光功率选择40～60W，脉宽选择200～300ns，清洗速度选择1.2～1.5m/min。
10.如权利要求7所述的一种高温合金焊前激光清洗方法，其特征在于：当高温合金待焊部件(70)表面氧化膜厚度＜1μm、且油污厚度＞20μm时，激光功率选择60～80W，脉宽选择200～300ns，清洗速度选择0.9～1.2m/min。
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