CN114289412A - 一种激光清洗-微织构复合加工装备及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光清洗激光微织构复合加工装备及工艺，用于解决激光清洗后需要加工微织构的材料表面质量差、加工效率低、运行成本高的问题。本装置将激光微织构加工与激光清洗两种特种加工方式复合于一体，创新在于通过控制新型复合可旋转的透镜(包括透镜1、透镜2、透镜3)，或者控制复合反射装置(包括反射面1、反射面2、反射面3)，使通过的激光达到理想的要求，采用本装置进行加工时，由控制器控制纳秒激光发射器发射原始激光到激光处理器，经激光处理器对激光进行处理，形成线型，点状或较大横截面积的激光束，从而实现对材料的激光清洗和微织构的复合加工，达到节省时间、提高效率、改善除锈的效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光清洗技术领域、激光微织构加工技术、机床加工技术和自动控制技术领域，具体为一种激光清洗-微织构复合加工装备及工艺。
背景技术
1969年，美国加州大学伯克利分校空间科学实验室和核能工程系的S.M.Beadair和HaroldP.Smith.JR首次提出激光清洗(Laser Cleaning)的概念，经过近五十年的发展，已经被运用在了微电子、建筑、核电站、汽车制造、医疗、文物保护等多个领域。激光清洗技术具有如下优势：
(1)激光清洗是一种非接触性、安全环保的清洗方法，具有无研磨、非接触、无热效应和适用于各种材质等清洗特点，避免了传统清洗行业大量使用水溶性清洗剂对环境的排放污染问题。激光烧蚀(激光清洗学名)或光烧蚀是通过用激光束照射从固体(或有时为液体)表面去除材料的过程。在低激光通量下，材料被吸收的激光能量加热并蒸发或升华。在高激光通量下，材料通常会转换为等离子体。通常，激光烧蚀是指用脉冲激光去除材料，但是如果激光强度足够高，则可以用连续波激光束烧蚀材料。深紫外光的准分子激光器主要用于光烧蚀。用于光烧蚀的激光波长约为200nm。吸收激光能量的深度以及单个激光脉冲去除的材料量取决于材料的光学特性以及激光波长和脉冲长度。每个激光脉冲从靶标烧蚀的总质量通常称为烧蚀率。激光束扫描速度和扫描线覆盖率等激光辐射特征会显着影响烧蚀过程。激光照射在金属表面后的热胀冷缩的反应使表面的绣层从金属表面剥离，由于激光在清洗的过程中会产生高强度的震荡，那么就会使被剥离的绣层直接被激光所震碎。
(2)清洗效果佳：激光清洗采用的是短脉冲激光快速作用到材料表面，使污物发生众多物理化学变化，从而达到清洗的目的。
(3)应用范围广：激光清洗已经运用在了工业和生活的多个方面。
(4)易于自动化控制：激光具有较好的聚焦性，配合机械手等自动化系统可以实现对清洗部位的精确及自动化控制，提高激光清洗效率。
(5)精度高：激光作用的范围为毫米量级的，能清洗传统方法不易达到的部位。而且激光清洗可以选择性地清洗材料表面的污物，不损伤材料的内部组成和结构。
(6)改善表面性能。激光除锈过程中可以对基材表面进行一定程度的处理，改善其表面的形貌与性能，获得更好的防腐性能。
(7)激光去污设备可以长期稳定地使用，一般只需要电费和维护费用，运行成本低，而且可以方便地实现自动化操作。
基于这些的突出优势，激光清洗与清洗剂、超声波和机械方式清洗形成鲜明对照，未来有望部分或完全替代传统清洗方法。
激光表面微织构是指通过激光对材料表面进行烧蚀气化，形成一定形状纹理的一种表面处理工艺，其在润滑、抗摩减磨、改变材料表面特性、提高材料力学性能等方面均有研究前景与应用价值。随着激光技术的不断发展，激光微织构研究正朝着精细化、复杂化、多元化方向发展，在不断提高激光微织构加工系统智能化水平的同时，也对激光微织构加工方法提出了更高要求。
激光热处理是一种表面热处理技术。即利用激光加热金属材料表面实现表面热处理。激光加热具有极高的功率密度，即激光的照射区域的单位面积上集中极高的功率。由于功率密度极高，工件传导散热无法及时将热量传走，结果使得工件被激光照射区迅速升温到奥氏体化温度实现快速加热。当激光加热结束，因为快速加热时工件基体大体积中仍保持较低的温度，被加热区域可以通过工件本身的热传导迅速冷却，从而实现淬火等热处理效果。
当前激光清洗和微织构加工方法多依托已有数控机床系统的控制方案，然而传统的数控机床系统的控制方法往往封闭在系统框架内部，控制方法繁琐臃肿、开放性较低，无法满足新型设备的特殊需求，例如在搭载高性能激光器的多轴机床上，对多种形状工件进行激光微织构加工，就需要针对激光微织构加工需求，设计专用的加工方法。并且激光清洗和激光微织构加工这两种加工方法仍存在许多不足：清洗效率低，整机成本高，对材料边缘烧蚀过强；加工工艺选择匮乏、加工效果可视性差等。对此我们借鉴了《一种激光清洗-毛化复合加工方法》这一专利的激光光学系统，解决了加工效率低、运行成本高等问题，达到了节省时间、提高效率、改善清洗微织构加工效果、提高材料表面质量等目的，但该专利仍存在以下不足之处：加工不稳定，适配性不好，应用范围小等；所以综合以上优点以及存在的缺点，我们改进并重新设计了这个专利。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种激光清洗-微织构复合加工装备及工艺，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光清洗-微织构复合加工装备，包括纳秒激光发射器、激光处理器、控制器、传送机构；
所述纳秒激光发射装置包括能够从激光照射区采集光信号的光路元件，激光头连接与光信号采集光路系统的光谱仪，与所述控制器和激光处理装置相连接，用于发射原始激光束；
所述激光处理器包括振镜组和创新型复合可旋转的透镜，与所述控制器相连接，用于对所述纳秒激光发射器所输入的原始激光进行加工；
所述控制器与所述激光发射装置、激光处理器、控制器和传送机构相连接用于控制这些机构的工作状态；
所述传送机构与所述控制器和激光处理器相连接，用于带动激光处理器再三维空间内自由移动。
作为本发明的优选技术方案，所述的振镜组包括两个反射镜面并与所述控制器连接，用于调节创新型复合可旋转透镜的入射光参数；入射光参数包括出光角度、出光范围和出光形状。
作为本发明的优选技术方案，所述的创新型复合可旋转的透镜包括透镜、透镜和透镜，与所述控制器连接与所述控制器连接，根据不同的指令将不同的透镜旋转到由振镜反射的激光的光路上，透镜可将由振镜反射过来的光束折射为线型光束用于激光清洗；透镜可以将振镜反射过来的光束折射成点状光斑，具有较高强度，用于微织构加工；透镜可将振镜反射过来的光束折射成横截面积更大的光束用于对材料的热处理。
作为本发明的优选技术方案，所述的传送机构包括固定支架、驱动装置、移动基板，所述的驱动装置通过所述的固定支架连接到移动面板上；可以实现X轴传动机构、Y轴传动机构、Z轴传动机构，传动机构可带动激光处理器在三维空间内进行自由移动，方便进行调焦与加工不同位置或者体积面积较大的材料。
一种激光清洗-微织构复合加工工艺，所述纳秒激光发射器与所述控制器连接，当对控制器输入相对应的指令后，激光发射器发射原始激光，激光先经过振镜组反射，形成高速、高精度的激光束；用控制器控制振镜的反射角度，使激光可以沿着X或Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，再由控制器旋转新型复合透镜，使激光入射到透镜上，经过折射后形成线型激光并按照指令要求对材料进行激光清洗；再利用控制器控制新型复合透镜旋转，使激光束入射到透镜上，激光经过透镜的折射变化为对材料的点加工，从而对材料进行微织构加工，同时由于振镜组的作用可以进行高效的微织构加工工作；再利用控制器控制复合透镜旋转，使激光束入射到透镜上，激光经过折射作用形成横截面积更大的激光束，从而对材料进行热处理。
一种激光清洗-微织构复合加工装置，包括纳秒激光发射器、激光处理器、控制器、传送机构；
所述纳秒激光发射装置包括能够从激光照射区采集光信号的光路元件，激光头连接与光信号采集光路系统的光谱仪，与所述控制器和激光处理装置相连接，用于发射原始激光束；
所述激光处理器包括振镜和创新型复合可旋转的反射装置，与所述控制器相连接，用于对所述纳秒激光发射器所输入的原始激光进行加工；
所述控制器与所述激光发射装置、激光处理器、控制器和传送机构相连接用于控制这些机构的工作状态；
所述传送机构与所述控制器和激光处理器相连接，用于带动激光处理器再三维空间内自由移动。
作为本发明的优选技术方案，所述的振镜包括一个反射镜面并与所述控制器连接，用于调节创新型复合可旋转反射装置的入射光参数；入射光参数包括出光角度、出光范围和出光形状。
作为本发明的优选技术方案，所述的创新型复合可旋转的反射装置包括反射面、反射面和反射面，与所述控制器连接，根据不同的指令将不同的反射面旋转到由振镜反射的激光的光路上，可以由控制器控制前后左右旋转，与振镜相配合，反射面可将由振镜反射过来的光束反射为线型光束用于激光清洗；反射面可以将振镜反射过来的光束反射成点状光斑，具有较高强度，用于微织构加工；反射面可将振镜反射过来的光束反射成横截面积更大的光束用于对材料的热处理。
作为本发明的优选技术方案，所述的传送机构包括固定支架、驱动装置、移动基板，所述的驱动装置通过所述的固定支架连接到移动面板上；可以实现X轴传动机构、Y轴传动机构、Z轴传动机构，传动机构可带动激光处理器在三维空间内进行自由移动，方便进行调焦与加工不同位置或者体积面积较大的材料。
一种激光清洗-微织构复合加工工艺，所述纳秒激光发射器与所述控制器连接，当对控制器输入相对应的指令后，激光发射器发射原始激光，激光先经过振镜反射，入射到新型复合反射装置，经二者配合形成高速、高精度的激光束；用控制器控制振镜和新型符合装置复合的反射角度，使激光可以沿着X或Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，再由控制器旋转新型复合反射装置，使激光入射到反射面上，激光经过反射后形成线型激光并按照指令要求对材料进行激光清洗；再利用控制器控制新型复合透镜旋转，使激光束入射到反射面上，激光经过反射后变化为对材料的点加工，从而对材料进行微织构加工，同时由于振镜和复合反射装置的作用可以进行高效的微织构加工工作；再利用控制器控制复合反射装置旋转，使激光束入射到反射面上，激光经过反射作用形成横截面积更大的激光束，从而对材料进行热处理。
与现有技术相比，本发明提供了一种激光清洗-微织构复合加工装备，具备以下有益效果：
1、该激光清洗微织构复合加工装置，驱动装置通过所述的固定支架连接到移动面板上；可以实现X轴传动机构、Y轴传动机构、Z轴传动机构，传动机构可带动激光处理器在三维空间内进行自由移动，方便进行调焦与加工不同位置或者体积面积较大的材料；
2、该激光清洗微织构复合加工装置，透镜1可将由振镜反射过来的光束折射为线型光束用于激光清洗；透镜2可以将振镜反射过来的光束折射成点状光斑，具有较高强度，用于微织构加工；透镜3可将振镜反射过来的光束折射成横截面积更大的光束用于对材料的热处理。
附图说明
图1为本发明激光清洗微织构复合加工装置的结构示意图；
图2为本发明激光处理器1刨面结构示意图；
图3为本发明激光处理器2刨面结构示意图；
图4为本发明激光激光清洗流程图；
图5为本发明微织构加工流程图；
图6为本发明新型复合透镜的三维简图；
图7为本发明新型复合折射装置的三维简图。
图中：1、纳秒激光发射器；2、激光处理器；3、传动装置；4、控制器；5、振镜组；6、新型复合透镜；7、振镜；8、新型复合折射装置。
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做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。
请参阅图1-7，本实施方案中：一种激光清洗-微织构复合加工装备，包括纳秒激光发射器、激光处理器、控制器、传送机构；纳秒激光发射装置包括能够从激光照射区采集光信号的光路元件，激光头连接与光信号采集光路系统的光谱仪，与控制器和激光处理装置相连接，用于发射原始激光束；激光处理器包括振镜组和创新型复合可旋转的透镜，与控制器相连接，用于对纳秒激光发射器所输入的原始激光进行加工；控制器与激光发射装置、激光处理器、控制器和传送机构相连接用于控制这些机构的工作状态；传送机构与控制器和激光处理器相连接，用于带动激光处理器再三维空间内自由移动。
本实施例中，振镜组包括两个反射镜面并与控制器连接，用于调节创新型复合可旋转透镜的入射光参数；入射光参数包括出光角度、出光范围和出光形状；创新型复合可旋转的透镜包括透镜1、透镜2和透镜3，与控制器连接与控制器连接，根据不同的指令将不同的透镜旋转到由振镜反射的激光的光路上，透镜1可将由振镜反射过来的光束折射为线型光束用于激光清洗；透镜2可以将振镜反射过来的光束折射成点状光斑，具有较高强度，用于微织构加工；透镜3可将振镜反射过来的光束折射成横截面积更大的光束用于对材料的热处理；传送机构包括固定支架、驱动装置、移动基板，驱动装置通过固定支架连接到移动面板上；可以实现X轴传动机构、Y轴传动机构、Z轴传动机构，传动机构可带动激光处理器在三维空间内进行自由移动，方便进行调焦与加工不同位置或者体积面积较大的材料；纳秒激光发射器与控制器连接，当对控制器输入相对应的指令后，激光发射器发射原始激光，激光先经过振镜组反射，形成高速、高精度的激光束；用控制器控制振镜的反射角度，使激光可以沿着X或Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，再由控制器旋转新型复合透镜，使激光入射到透镜1上，经过折射后形成线型激光并按照指令要求对材料进行激光清洗；再利用控制器控制新型复合透镜旋转，使激光束入射到透镜2上，激光经过透镜的折射变化为对材料的点加工，从而对材料进行微织构加工，同时由于振镜组的作用可以进行高效的微织构加工工作；再利用控制器控制复合透镜旋转，使激光束入射到透镜3上，激光经过折射作用形成横截面积更大的激光束，从而对材料进行热处理。
请参阅图1-7，本实施方案中：一种激光清洗-微织构复合加工装置，包括纳秒激光发射器、激光处理器、控制器、传送机构；纳秒激光发射装置包括能够从激光照射区采集光信号的光路元件，激光头连接与光信号采集光路系统的光谱仪，与控制器和激光处理装置相连接，用于发射原始激光束；激光处理器包括振镜和创新型复合可旋转的反射装置，与控制器相连接，用于对纳秒激光发射器所输入的原始激光进行加工；控制器与激光发射装置、激光处理器、控制器和传送机构相连接用于控制这些机构的工作状态；传送机构与控制器和激光处理器相连接，用于带动激光处理器再三维空间内自由移动。
本实施例中，振镜包括一个反射镜面并与控制器连接，用于调节创新型复合可旋转反射装置的入射光参数；入射光参数包括出光角度、出光范围和出光形状；创新型复合可旋转的反射装置包括反射面1、反射面2和反射面3，与控制器连接，根据不同的指令将不同的反射面旋转到由振镜反射的激光的光路上，可以由控制器控制前后左右旋转，与振镜相配合，反射面1可将由振镜反射过来的光束反射为线型光束用于激光清洗；反射面2可以将振镜反射过来的光束反射成点状光斑，具有较高强度，用于微织构加工；反射面3可将振镜反射过来的光束反射成横截面积更大的光束用于对材料的热处理；传送机构包括固定支架、驱动装置、移动基板，驱动装置通过固定支架连接到移动面板上；可以实现X轴传动机构、Y轴传动机构、Z轴传动机构，传动机构可带动激光处理器在三维空间内进行自由移动，方便进行调焦与加工不同位置或者体积面积较大的材料。
请参阅图1-7，本实施方案中：一种激光清洗-微织构复合加工工艺，纳秒激光发射器与控制器连接，当对控制器输入相对应的指令后，激光发射器发射原始激光，激光先经过振镜反射，入射到新型复合反射装置，经二者配合形成高速、高精度的激光束；用控制器控制振镜和新型符合装置复合的反射角度，使激光可以沿着X或Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，再由控制器旋转新型复合反射装置，使激光入射到反射面1上，激光经过反射后形成线型激光并按照指令要求对材料进行激光清洗；再利用控制器控制新型复合透镜旋转，使激光束入射到反射面2上，激光经过反射后变化为对材料的点加工，从而对材料进行微织构加工，同时由于振镜和复合反射装置的作用可以进行高效的微织构加工工作；再利用控制器控制复合反射装置旋转，使激光束入射到反射面3上，激光经过反射作用形成横截面积更大的激光束，从而对材料进行热处理。
工作原理：激光发射器可根据控制器要求发射纳秒左右的原始激光束，通过激光光学系统，将原始激光器所发出的激光束入射到材料表面，对材料进行加工；激光先经过振镜组反射，形成高速、高精度的激光束；用控制器控制振镜的反射角度，使激光可以沿着X或Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，再由控制器旋转新型复合透镜，使激光入射到透镜1上，经过折射后形成线型激光并按照指令要求对材料进行激光清洗；再利用控制器控制新型复合透镜旋转，使激光束入射到透镜2上，激光经过透镜的折射变化为对材料的点加工，从而对材料进行微织构加工，同时由于振镜组的作用可以进行高效的微织构加工工作；再利用控制器控制复合透镜旋转，使激光束入射到透镜3上，激光经过折射作用形成横截面积更大的激光束，从而对材料进行热处理。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光清洗-微织构复合加工装备，其特征在于，包括：纳秒激光发射器、激光处理器、控制器、传送机构；
所述纳秒激光发射装置包括能够从激光照射区采集光信号的光路元件，激光头连接与光信号采集光路系统的光谱仪，与所述控制器和激光处理装置相连接，用于发射原始激光束；
所述激光处理器包括振镜组和创新型复合可旋转的透镜，与所述控制器相连接，用于对所述纳秒激光发射器所输入的原始激光进行加工；
所述控制器与所述激光发射装置、激光处理器、控制器和传送机构相连接用于控制这些机构的工作状态；
所述传送机构与所述控制器和激光处理器相连接，用于带动激光处理器再三维空间内自由移动。
2.根据权利要求1所述的一种激光清洗-微织构复合加工装备，其特征在于：所述的振镜组包括两个反射镜面并与所述控制器连接，用于调节创新型复合可旋转透镜的入射光参数；入射光参数包括出光角度、出光范围和出光形状。
3.根据权利要求1所述的一种激光清洗-微织构复合加工装备，其特征在于：所述的创新型复合可旋转的透镜包括透镜1、透镜2和透镜3，与所述控制器连接与所述控制器连接，根据不同的指令将不同的透镜旋转到由振镜反射的激光的光路上，透镜1可将由振镜反射过来的光束折射为线型光束用于激光清洗；透镜2可以将振镜反射过来的光束折射成点状光斑，具有较高强度，用于微织构加工；透镜3可将振镜反射过来的光束折射成横截面积更大的光束用于对材料的热处理。
4.根据权利要求1所述的一种激光清洗-微织构复合加工装备，其特征在于：所述的传送机构包括固定支架、驱动装置、移动基板，所述的驱动装置通过所述的固定支架连接到移动面板上；可以实现X轴传动机构、Y轴传动机构、Z轴传动机构，传动机构可带动激光处理器在三维空间内进行自由移动，方便进行调焦与加工不同位置或者体积面积较大的材料。
5.一种激光清洗-微织构复合加工工艺，其特征在于：所述纳秒激光发射器与所述控制器连接，当对控制器输入相对应的指令后，激光发射器发射原始激光，激光先经过振镜组反射，形成高速、高精度的激光束；用控制器控制振镜的反射角度，使激光可以沿着X或Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，再由控制器旋转新型复合透镜，使激光入射到透镜1上，经过折射后形成线型激光并按照指令要求对材料进行激光清洗；再利用控制器控制新型复合透镜旋转，使激光束入射到透镜2上，激光经过透镜的折射变化为对材料的点加工，从而对材料进行微织构加工，同时由于振镜组的作用可以进行高效的微织构加工工作；再利用控制器控制复合透镜旋转，使激光束入射到透镜3上，激光经过折射作用形成横截面积更大的激光束，从而对材料进行热处理。
6.一种激光清洗-微织构复合加工装置，其特征在于，包括：纳秒激光发射器、激光处理器、控制器、传送机构；
所述纳秒激光发射装置包括能够从激光照射区采集光信号的光路元件，激光头连接与光信号采集光路系统的光谱仪，与所述控制器和激光处理装置相连接，用于发射原始激光束；
所述激光处理器包括振镜和创新型复合可旋转的反射装置，与所述控制器相连接，用于对所述纳秒激光发射器所输入的原始激光进行加工；
所述控制器与所述激光发射装置、激光处理器、控制器和传送机构相连接用于控制这些机构的工作状态；
所述传送机构与所述控制器和激光处理器相连接，用于带动激光处理器再三维空间内自由移动。
7.根据权利要求6所述的一种激光清洗-微织构复合加工装备，其特征在于：所述的振镜包括一个反射镜面并与所述控制器连接，用于调节创新型复合可旋转反射装置的入射光参数；入射光参数包括出光角度、出光范围和出光形状。
8.根据权利要求6所述的一种激光清洗-微织构复合加工装备，其特征在于：所述的创新型复合可旋转的反射装置包括反射面1、反射面2和反射面3，与所述控制器连接，根据不同的指令将不同的反射面旋转到由振镜反射的激光的光路上，可以由控制器控制前后左右旋转，与振镜相配合，反射面1可将由振镜反射过来的光束反射为线型光束用于激光清洗；反射面2可以将振镜反射过来的光束反射成点状光斑，具有较高强度，用于微织构加工；反射面3可将振镜反射过来的光束反射成横截面积更大的光束用于对材料的热处理。
9.根据权利要求6所述的一种激光清洗-微织构复合加工装备，其特征在于：所述的传送机构包括固定支架、驱动装置、移动基板，所述的驱动装置通过所述的固定支架连接到移动面板上；可以实现X轴传动机构、Y轴传动机构、Z轴传动机构，传动机构可带动激光处理器在三维空间内进行自由移动，方便进行调焦与加工不同位置或者体积面积较大的材料。
10.一种激光清洗-微织构复合加工工艺，其特征在于；所述纳秒激光发射器与所述控制器连接，当对控制器输入相对应的指令后，激光发射器发射原始激光，激光先经过振镜反射，入射到新型复合反射装置，经二者配合形成高速、高精度的激光束；用控制器控制振镜和新型符合装置复合的反射角度，使激光可以沿着X或Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，再由控制器旋转新型复合反射装置，使激光入射到反射面1上，激光经过反射后形成线型激光并按照指令要求对材料进行激光清洗；再利用控制器控制新型复合透镜旋转，使激光束入射到反射面2上，激光经过反射后变化为对材料的点加工，从而对材料进行微织构加工，同时由于振镜和复合反射装置的作用可以进行高效的微织构加工工作；再利用控制器控制复合反射装置旋转，使激光束入射到反射面3上，激光经过反射作用形成横截面积更大的激光束，从而对材料进行热处理。
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