CN114939727A - 激光表面处理方法和激光表面处理站 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了激光表面处理方法和激光表面处理站。所述激光表面处理方法用于车辆白车身零件的铸造件（2）的待胶粘面（21），其中，所述激光表面处理方法包括如下步骤：S1：提供车辆白车身零件的铸造件（2），所述铸造件（2）经脱模和机加工处理，S2：对所述铸造件（2）的待胶粘面（21）进行激光表面处理，所述待胶粘面（21）用于后续的、所述铸造件（2）连接用的涂胶工艺，其中，采用脉冲激光进行所述激光表面处理，并且所述激光表面处理采用如下的参数：激光平均功率大于500 W；激光频率为5 kHz至10 kHz；以及激光单点能量大于50 mJ。
Description
技术领域
本发明涉及铸件激光清洗领域，具体而言，涉及一种激光表面处理方法和激光表面处理站。
背景技术
随着汽车行业轻量化、电动化、智能化等新的技术趋势出现，为提升设计制造效率，提高体系化能力，汽车白车身在设计制造过程也呈现出集成化设计的概念，越来越大尺寸的结构铸造件在车身结构设计上的应用就是一个例子。由于胶接工艺的需要，对于铸造件，需要对其进行表面处理，以确保胶粘强度和胶粘面的防腐能力。传统的铸造件表面处理工艺一般采取钛锆涂层，该工艺需要一条占地面积很大的表面处理产线，这样的产线不仅污染环境，表面处理成本也随着零件尺寸增加而增加，同时对大尺寸的铸造件进行包面处理技术上的难度也会很大。钛锆涂层处理方案的环境污染问题和与当前的行业发展趋势不相匹配。
发明内容
本发明的目的在于解决钛锆涂层工艺的高污染、高成本、技术难度大的问题，并且保证理想的激光处理效率、能量和效果。
此外，本发明还旨在解决或者缓解现有技术中存在的其它技术问题。
本发明通过提供一种激光表面处理方法和激光表面处理站来解决上述问题，具体而言，根据本发明的一方面，提供了：
一种用于车辆白车身零件的铸造件的待胶粘面的激光表面处理方法，其中，所述激光表面处理方法包括如下步骤：
S1：提供车辆白车身零件的铸造件，所述铸造件经脱模和机加工处理，
S2：对所述铸造件的待胶粘面进行激光表面处理，所述待胶粘面用于后续的、所述铸造件连接用的涂胶工艺，
其中，采用脉冲激光进行所述激光表面处理，并且所述激光表面处理采用如下的参数：
激光平均功率大于500 W；
激光频率为5 kHz至10 kHz；以及
激光单点能量大于50 mJ。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述激光表面处理还采用如下参数中的一个或多个：
激光脉冲宽度50 ns至70 ns；
激光移动速度大于5000 mm/s；
相邻的激光光斑中心之间连线的距离为0.5 mm至1 mm；
激光光斑的形状、大小为对角线长度大于0.8 mm的方形或直径大于0.8 mm的圆形；
任何相邻的激光光斑的重合比例大于18%。
可选地，根据本发明的一种实施方式，只对所述待胶粘面进行激光表面处理。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述激光移动速度为5000 mm/s至6000 mm/s，所述激光光斑的重合比例为20%至30%，使得所述待胶粘面经所述激光表面处理之后形成蜂窝状多孔微观结构。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述铸造件为后底板总成、机舱扭力盒和扭力梁一体铸造件或者上车身部分的铸造件。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述铸造件为铝合金压铸件。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种用于车辆白车身零件的铸造件的待胶粘面的激光表面处理站，其中，所述激光表面处理站用于上述任一种激光表面处理方法，其中，所述激光表面处理站包括带有激光头的激光器以及工业机器人，从所述激光头射出的激光束能够射到所述铸造件的待胶粘面上，
所述激光头安装在所述工业机器人上并且能够被所述工业机器人带动，或者所述激光头固定设置并且所述工业机器人用于安装和带动所述铸造件。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述激光器还包括两个振镜，所述两个振镜布置于所述激光头之内，用于在不同方向上对激光光路进行调节。
所提供的激光表面处理方法和激光表面处理站的有益之处包括：1）经本发明的处理工艺处理过的表面进行胶粘试验，粘接强度、稳定性和防腐能力优于现有技术的处理方案；2）表面处理的成本由现有技术的70元每车左右降低到大约7元左右；3）制造过程对能源消耗大大降低，设备功率从300 kW以上降低到7 kW左右；4）制造过程更加环保，几乎没有废物排放；5）占地面积更小。
附图说明
参考附图，本发明的上述以及其它的特征将变得显而易见，其中，
图1示出了根据本发明的一种激光表面处理方法的流程示意图；
图2示出了根据本发明的一种激光表面处理站的设计示意图；以及
图3示出了根据本发明的另一种激光表面处理站的设计示意图。
具体实施方式
容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等或类似表述仅用于描述与区分目的，而不能理解为指示或暗示相应的构件的相对重要性。
参考图1，其示出了根据本发明的一种激光表面处理方法的流程示意图。
所述激光表面处理方法用于车辆白车身零件的铸造件2的待胶粘面21，其中，所述激光表面处理方法包括如下步骤：
S1：提供车辆白车身零件的铸造件2，所述铸造件2经脱模和机加工处理，
S2：对所述铸造件2的待胶粘面21进行激光表面处理，所述待胶粘面21用于后续的、所述铸造件2连接用的涂胶工艺，
其中，采用脉冲激光进行所述激光表面处理，并且所述激光表面处理采用如下的参数：
激光平均功率大于500 W；
激光频率为5 kHz至10 kHz；以及
激光单点能量大于50 mJ。
应当理解，白车身并非是对车身颜色的严格限定，而是涵盖了车身结构件及覆盖件总成，可以是已经完成组装（如焊接连接），但尚未涂漆的车身。因此，白车身零件应当是广义理解的术语，可涵盖车身各种结构件、覆盖件。在本方法中，车辆白车身零件的铸造件经过脱模和机加工（例如车削、铣削、压力加工），因此已经基本上形成了相应零件的最终形状。然而，之前的铸造过程需要进行表面处理，以便于后续的胶接过程使用，所述胶接过程或者说涂胶工艺用于将经过表面处理的铸造件与其它相关零件进行连接，例如冲压铝、钢板、挤出铝型材、甚至是非金属零件。在此，所述铸造件的待在后续的胶接过程中涂胶的面（例如用于与上面提到的相关零件连接）被称为待胶粘面。举例来说，所述铸造件2可以为白车身大型一体式在铸造件，比如后底板总成（集成了纵梁底板和部分轮罩的一体式铸造件）、机舱扭力盒和扭力梁一体铸造件，以及上车身部分大型的铸造件。其材质可以选用铝合金压铸件。
根据本方法的技术方案，采用激光对所述铸造件2的待胶粘面21进行表面处理，代替了现有技术中的钛锆涂层工艺方式，因此克服了其所带来的表面处理产线占地面积大、污染环境、表面处理成本大、大尺寸铸造件的包面处理技术难度大的缺点。与此同时，采用激光表面处理的方式能够使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，高速有效地清除表面的污染物或涂层。这种方式属于干洗，不需有机溶剂，没有废液排放，残渣少，不会造成环境污染、能有效清除其它方法难以去除干净的吸附在物体表面的污物、例如亚微米粒子。该技术柔性高、可控性好、易于选区定位精密处理，易于远距离遥控处理难以到达或危险的地方。特别地，利用激光能量对铸件表面进行烧蚀，在清除零件表面原有的油污、脱模剂残留以及原有疏松氧化层的同时，在烧蚀区域形成一层新的、较为致密的氧化层，该氧化层的厚度根据参数可达几十纳米到几微米之间。由于这种新的致密氧化层的存在，提高了激光处理表面的防腐能力，从而让胶粘后的防腐能力大大提升。通过试验发现，对激光处理过的铸件进行胶粘，然后对胶粘样品进行500小时以上的中性盐雾试验，试验之后发现，胶粘强度未出现明显下降。故，本发明的激光表面处理方法相对于现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步。
本实施例采用脉冲激光、例如大功率的脉冲激光进行所述激光表面处理，能够在保证胶粘强度的前提下解决钛锆涂层工艺的高污染、高成本技术难度大的问题。应当理解，脉冲激光指的是激光器以脉冲的工作方式进行激光发射，脉冲的工作方式是指每间隔一定时间工作一次的方式。因此，以激光“打点”的方式进行表面处理。脉冲激光具有较大的输出功率，适合于激光打标、切割、测距等。
此外，采用激光平均功率大于500 W，以用于实现所需的处理效率；激光频率5 kHz至10 kHz，采用了较高的频率用于保证4000 mm2/s以上的处理效率，可满足节拍要求，与此同时频率不会过高，以免导致脉冲能量下降；激光单点能量大于50 mJ，用于实现所需的激光处理效果。应当理解的是，激光平均功率=激光频率*单点能量。通过上述三种参数组合可以实现容易地进行激光清洗，确保了清洗效率和清洗效果。还可选的是，将选用脉冲单点峰值功率为十几千瓦至几百千瓦，较高的脉冲单点峰值功率能够保证理想的单点清洗效果和单点清洗深度，提高了干净程度。
在一些实施例中，所述激光表面处理还可以采用如下参数中的一个或多个：
激光脉冲宽度50 ns至70 ns，与脉冲能量有关，保证了激光光束具有较大的能量密度，从而保证了对铸造件2的表面具有足够的烧蚀深度；
激光移动速度大于5000 mm/s，以保证能实现4000 mm2/s以上的激光处理效率；
相邻的激光光斑中心之间连线的距离为0.5 mm至1 mm，以同时保证激光处理效果以及所需的效率；
激光光斑的形状、大小为对角线长度大于0.8 mm的方形或直径大于0.8 mm的圆形，这样的光斑可以被称之为大光斑，以用于实现所需的处理效率；
任何相邻的激光光斑的重合比例大于18%，该参数为实现不遗漏地进行表面处理的最小值。
应当理解，激光线是指一系列激光光斑打在铸造件的表面上所形成的线。激光光斑的重合是指打在铸造件的表面上的激光光斑彼此间并非是完全间隔开的，而是具有重合部分。此外，激光移动速度是指激光光斑在铸造件的表面上的移动速度或“行进”速度。
还可选的是，只对所述待胶粘面21进行激光表面处理，而对其余其余不做处理。现有技术的技术方案是需要对整个零件进行钛锆涂层覆盖，因此本发明的这种技术方案的好处在于大幅度地节约了处理时间和金钱成本，特别是在某些铸造件的一些表面区域形状复杂的情况下。
此外，通过一系列的参数优化，例如不同的激光光斑重合比例会产生不同的微观形貌，这些微观的形貌会使得激光处理区域的粗糙度发生变化，从而对胶粘面的剪切强度有一定的提升。例如，所述待胶粘面21经所述激光表面处理之后形成蜂窝状多孔微观结构，蜂窝状多孔微观结构形式能够提高胶粘面的表面能，从而保证胶粘效果。在此，所述激光移动速度为5000 mm/s至6000 mm/s，所述激光光斑的重合比例为20%至30%。
参考图2和图3，它们分别示出了根据本发明的一种和另一种激光表面处理站的设计示意图。
所述激光表面处理站1用于车辆白车身零件的铸造件2的待胶粘面21，其中，所述激光表面处理站1用于上述任一种激光表面处理方法，其中，所述激光表面处理站1包括带有激光头111的激光器11以及工业机器人12，从所述激光头111射出的激光束112能够射到所述铸造件2的待胶粘面21上，所述激光头111安装在所述工业机器人12上并且能够被所述工业机器人12带动（如图2，此时铸造件2可以通过夹具3进行夹持），或者所述激光头111固定设置并且所述工业机器人12用于安装和带动所述铸造件2（如图3）。
应理解的是，关于本激光表面处理站的具体实施方式及其技术效果，可以参阅之前有关激光表面处理方法的描述进行解读。不过，需要额外说明的是，工业机器人12应当广义理解，其不仅包括了人形的机器人形态，也可以包括机械臂、例如六轴机械臂，泛指能够用于电子、物流、化工等各个工业领域中的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。例如如图所示，所述工业机器人12为多轴多自由度机械臂，其臂端部用于安装待配合的零件。在图2的情况中，该端部可通过法兰连接的方式与激光头111连接，在图3的情况中，该端部构造成或装配有抓取器（如抓手），以便抓取并带动铸造件2。此外，示例性的是，所述激光头111通过光纤115与激光器本体114连接，并且所述激光器本体114位置固定。
如图3所示的实施方式中，所述激光表面处理站1还可以包括支架13，所述支架13位置固定并且用于装配所述激光头111，以提供所述激光头111的固定安装位。
这两幅图中还示出的是，所述激光器11还包括两个振镜113，所述两个振镜113布置于所述激光头111之内，用于在不同方向上对激光光路进行调节。应当理解，所谓的振镜是指在工作中以绕一转动轴枢转的方式来发生振动的镜子，因此振镜能够对入射而来的激光光束进行反射并且同时控制这种反射的角度。在设置有两个所述振镜113的情况下，能够对激光光束的反射在二维层面上进行控制，也即在二维层面上对激光光路进行调节，因此能够实现在铸造件2的整个表面平面上进行激光处理。由于振镜113的转速通常较高，这种振镜的组合方式也可以被称为二维高速振镜。
在实际应用中可以配合机器人的运动，以实现更大范围的激光处理。具体可以有多种实现方式，其中一种是振镜以单轴模式往复运动，以工业机器人代替振镜的一个轴运动，以完成表面处理。另外一种方式是以“飞行”的方式工作，即振镜以2维模式对待胶粘面进行处理，同时机器人带着激光头移动，激光头控制器实时获取机器人的运动信息，以控制振镜的扫描参数，确保光斑之间的重合比例。
需要说明的是，实际待胶粘面不一定是平面，也可以是非平面，特别是在后者的情况下，在机器人带动激光头进行表面处理的过程中，通过实验发现，±5 mm的离焦量（即焦点偏离待处理表面的量）对测试结果并无太大影响。
综上所述，本提案与现有技术的区别在于：
1）原本的钛锆技术方案，需要一条完整的表面处理线，包括高温酸洗、碱洗、超声波清洗、多道清水洗，然后进行钛锆处理、烘干等工艺需求，而激光处理方案，可以只有一个工位，可以只有激光处理一个工序；
2）原本的钛锆技术方案，存在酸雾污染、产生酸性和碱性等废水，或涉及到污水处理费用，并污染环境，酸雾环境对设备、人员有身体伤害，而激光处理方案仅产生少量粉尘，可通过小型除尘设备进行收集处理，几乎不污染环境，没有污染处理费用，属于环境友好性工艺；
3）费用对比：对于像是后地板这样的大型铸造件，钛锆处理的费用大概是70人民币左右，而激光清洗费用大约是其十分之一；
4）能源消耗：原本的钛锆产线需要消耗大量的能量对槽液进行加热，以及运输零件，整个线体需要24小时运转，消耗功率超过300 kW，而采用激光处理，单个工作站的功率只有不到10 kW，可以大大节约能源消耗。
应当理解的是，所有以上的优选实施例都是示例性而非限制性的，本领域技术人员在本发明的构思下对以上描述的具体实施例做出的各种改型或变形都应在本发明的法律保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于车辆白车身零件的铸造件（2）的待胶粘面（21）的激光表面处理方法，其特征在于，所述激光表面处理方法包括如下步骤：
S1：提供车辆白车身零件的铸造件（2），所述铸造件（2）经脱模和机加工处理，
S2：对所述铸造件（2）的待胶粘面（21）进行激光表面处理，所述待胶粘面（21）用于后续的、所述铸造件（2）连接用的涂胶工艺，
其中，采用脉冲激光进行所述激光表面处理，并且所述激光表面处理采用如下的参数：
激光平均功率大于500 W；
激光频率为5 kHz至10 kHz；以及
激光单点能量大于50 mJ。
2.根据权利要求1所述的激光表面处理方法，其特征在于，所述激光表面处理还采用如下参数中的一个或多个：
激光脉冲宽度50 ns至70 ns；
激光移动速度大于5000 mm/s；
相邻的激光光斑中心之间连线的距离为0.5 mm至1 mm；
激光光斑的形状、大小为对角线长度大于0.8 mm的方形或直径大于0.8 mm的圆形；
任何相邻的激光光斑的重合比例大于18%。
3.根据权利要求1所述的激光表面处理方法，其特征在于，只对所述待胶粘面（21）进行激光表面处理。
4. 根据权利要求2所述的激光表面处理方法，其特征在于，所述激光移动速度为5000mm/s至6000 mm/s，所述激光光斑的重合比例为20%至30%，使得所述待胶粘面（21）经所述激光表面处理之后形成蜂窝状多孔微观结构。
5.根据权利要求1所述的激光表面处理方法，其特征在于，所述铸造件（2）为后底板总成、机舱扭力盒和扭力梁一体铸造件或者上车身部分的铸造件。
6.根据权利要求1所述的激光表面处理方法，其特征在于，所述铸造件（2）为铝合金压铸件。
7.一种用于车辆白车身零件的铸造件（2）的待胶粘面（21）的激光表面处理站（1），其特征在于，所述激光表面处理站（1）用于根据权利要求1至6中任一项所述的激光表面处理方法，其中，所述激光表面处理站（1）包括带有激光头（111）的激光器（11）以及工业机器人（12），从所述激光头（111）射出的激光束（112）能够射到所述铸造件（2）的待胶粘面（21）上，
所述激光头（111）安装在所述工业机器人（12）上并且能够被所述工业机器人（12）带动，或者所述激光头（111）固定设置并且所述工业机器人（12）用于安装和带动所述铸造件（2）。
8.根据权利要求7所述的激光表面处理站（1），其特征在于，所述激光器（11）还包括两个振镜（113），所述两个振镜（113）布置于所述激光头（111）之内，用于在不同方向上对激光光路进行调节。
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