CN115415673A - 一种千瓦级大功率激光清洗设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种千瓦级大功率激光清洗设备，所述设备为可移动式设备，包括电器柜、控制单元、激光器单元、制冷单元、清洗加工头单元和清扫净化单元，所述控制单元完成对激光器单元、制冷单元、清洗加工头单元和清扫净化单元的控制，激光器单元实现千瓦级大功率激光输出，清洗加工头单元包括准直扫描聚焦系统和清洗头，完成激光清洗，制冷单元完成激光器单元和清洗加工头单元的温度控制。本发明提出的一种千瓦级大功率激光清洗设备，采用高功率密度激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净化的工艺过程，提高清洗效率。
Description
技术领域
本发明涉及表面清洗技术领域，尤其涉及一种千瓦级大功率激光清洗设备。
背景技术
现有工业清洗技术主要采用机械打磨、喷砂、高压水射流、化学剂、超声波等方法，但是这些方法都存在着一些问题，如机械打磨法和喷砂法均需要和工件进行直接接触，损伤基材；高压水射流法和化学剂法均需要消耗大量水资源，会产生污水、废液，对环境污染较为严重，而且清洗后的工件容易发生再次污染；超声波清洗法难以清除次微米级的污物颗粒，而且清洗后的工件不容易干燥。
激光清洗是近些年发展起来的新的清洗方式，激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应和适用于各种材质的物体等清洗特点，正得到越来越广泛的应用和研究，但是现有的激光清洗设备存在这样那样的问题，有的设备因为功率不够，无法实现快速高效的清洗，有的设备结构复杂，操作繁琐、价格昂贵。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提出一种千瓦级大功率激光清洗设备，采用高功率密度激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净化的工艺过程，提高清洗效率。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种千瓦级大功率激光清洗设备为可移动式设备，包括：电器柜、控制单元、激光器单元、制冷单元、清洗加工头单元和清扫净化单元，其中，控制单元完成对激光器单元、制冷单元、清洗加工头单元和清扫净化单元的控制，激光器单元实现千瓦级大功率激光输出，清洗加工头单元包括准直扫描聚焦系统和清洗头，完成激光清洗，制冷单元完成激光器单元和清洗加工头单元的温度控制；所述激光器单元与清洗加工头单元连接，制冷单元分别与激光器单元和清洗加工头单元相连接，清扫净化单元设置在清洗加工头单元上。
其中，准直扫描聚焦系统包括准直组件和扫描聚焦组件，准直组件包含一个准直器和一个扩束装置，扫描聚焦组件包含二维扫描振镜和聚焦镜组；千瓦级大功率激光经过能量传输光纤输出的发散光束，通过准直器后，变为近平行光束，再通过扩束装置，将近平行光束束腰半径扩大并进一步优化，取得更高质量的平行光束，扩束装置输出的平行光束进入二维扫描振镜和聚焦镜组，最终实现平面扫描输出，以线光斑形式实现激光清洗。
进一步，所述激光清洗设备还包括电源系统，主要由供电单元、驱动单元、电控单元和机头控制电路组成；供电单元将电网或发电机提供的三相AC220V电源通过整流模块变换为600V直流高压，输出给驱动单元；驱动单元将输入的直流高压变换为可调的直流电流输出给激光器，具备负载开路、短路保护功能，同时还负责把实际的输出电流、电压、状态参数上传到电控单元，对激光器进行监测和控制；电控单元控制电源系统的自检，完成各路激光器驱动源启动和停止，监测各路激光器及制冷状态，采集电压、电流、温度、湿度、激光功率状态参数，向上位机传送；机头控制电路完成激光功率监测、温度、湿度检测，并将监测数据通过串口传送给电控单元。
进一步，准直器、扩束装置、聚焦镜组中所使用的都是合成石英玻璃透镜。
进一步，激光器单元采用多路脉冲激光合成方式，4路300W脉冲光纤激光器通过纤芯激光合束器后形成单纤输出，输出功率大于1kW。
进一步，所述的脉冲光纤激光器包括光纤种子源、光纤预放大器、光纤放大器；光纤种子源采用光纤耦合输出激光二极管作为泵浦源，指示光和泵浦光均通过一个(2+1)×1的光纤合束器耦合进入双包层增益光纤，输出峰值功率应保证大于1kW，脉宽小于85ns；光纤预放大器采用光纤耦合输出激光二极管作为泵浦源，增益光纤为30μm/250μm大模场双包层光纤，其输出峰值功率大于20kW，脉宽小于90n；光纤预放大器输出的信号光和光纤放大器的泵浦光通过一个(6+1)×1光纤合束器耦合进入增益光纤，泵浦源为3个中心波长在915nm的激光二极管。
进一步，扩束装置出口设置了限制光阑孔径，光阑孔径略小于透镜输出光斑直径，有效保证准直光的输出光斑直径是一个恒定值。
进一步，聚焦镜组将准直组件输出的平行光束在工作区域内聚焦为点光斑，采用两组聚焦镜组，焦距分别为300mm和400mm。
进一步，清洗头采用两轴高速扫描振镜，将激光反射到工件表面，形成线光斑，对工件进行清洗加工，同时配备了激光窗口气帘保护、同轴指示光。
进一步，制冷单元采用开放式水路的水冷方式进行散热，采用分组的方式安装，组内的LD采用正负极首尾相接的方式串联连接，配备有低温水及常温水两组冷却水，常温水和低温水的水温自动控制在±0.2℃以内，兼具补水功能。
进一步，清扫净化单元针对清洗过程中产生的工业废气烟尘、烟雾而设计的空气净化器，由吸尘管道、高效过滤器、活性炭过滤器、吸尘风机及微电脑控制器组成的一个完整的空气净化系统；该系统通过风机引力作用，将生产中产生的废气经进气口吸入吸尘管道，废气经过装备内部的预过滤层、主过滤层、气体过滤层逐级净化，通过净化后的气体重新排放到室内；其中预过滤层能够吸附废气中比较大的粒子；主过滤层由HEPA高效过滤芯组成；气体过滤层由化学滤芯组成，能有效的去除废气中的有害气体。
进一步，各组件与电气柜的水电连接管线通过快速接插件相连接，同时电气柜也具备与外部电连接管线连接的快速接插功能。
进一步，控制单元包括硬件和操作软件两部分，硬件部分包括主控集成电路和计算机，主控集成电路与计算机通过以太网进行通讯，计算机具备用双网口通讯功能，可实现远程控制功能；软件部分对设备中激光器、清洗头及其他部件进行控制和监视，具备与外部机器人设备系统精准联控的功能，实现多工位、不同形状、不同作业要求的复杂工件清洗作业。
进一步，控制单元的主要功能包括：对激光器进行控制；对二维扫描振镜进行控制；对空气吹扫进行控制；系统故障的巡检和记录；清扫净化单元的控制和预警；制冷单元的控制和预警；网络通讯功能及远程控制；与机器人设备系统的精准联控。
本发明的有益效果在于：（1）采用高功率激光清洗有效解决了现有激光清洗技术无法快速高效清洗基体表面顽固附着物的问题；（2）激光光斑经过聚焦后可以准确定位在清洗作用处并高效率的清除亚微米级的污染物微粒；（3）通过光纤传输与机器人相配合，实现远距离操作，能清洗传统方法不易达到的部位，在危险场所使用可以确保人员的安全；（4）设备成本低廉，有利于工程化应用。
附图说明
图1为本发明的激光清洗设备的外形示意图；
图2为本发明的设备主要组成示意图；
图3为本发明的千瓦级大功率激光器方案示意图；
图4为本发明的300W脉冲光纤激光器的方案图；
图5为本发明的激光器布局示意图；
图6为本发明的聚焦镜组示意图；
图7为本发明的清洗头示意图；
图8为本发明扫描振镜精度误差示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出简要说明。
参见图1和图2，千瓦级大功率激光清洗设备为可移动式设备，配备有滚轮，主要具备激光清洗、聚焦瞄准和除尘净化三大设计功能，包括：电器柜体、控制单元、激光器单元、制冷单元、清洗加工头单元和清扫净化单元，其中，控制单元完成对激光器单元、制冷单元、清洗加工头单元和清扫净化单元的控制，激光器单元实现千瓦级大功率激光输出，清洗加工头单元包括准直扫描聚焦系统和清洗头，制冷单元为激光器单元和清洗加工头单元提供精确的温度控制。设备主要技术指标见下表：
如图3所示，从用户的使用、控制、体积、功耗、安全性与稳定性角度出发，激光器单元为千瓦级大功率激光器，优选多路脉冲激光合成技术方案，本实施例采用4路300W脉冲光纤激光器通过纤芯激光合束器后形成单纤输出，输出尾纤的芯径为600μm，合成效率大于95%，输出功率大于1kW。所述的脉冲光纤激光器包括光纤种子源、光纤预放大器、光纤放大器；为了对输出功率进行精确控制，采用了功率采样闭环控制技术来补偿因为外界环境改变引起的功率波动和长时间工作功率衰减，在每组激光的输出端接入一个高精度功率采样PD探测器，其取样精度可达0.05%，依据探测信号反馈电路的电流输出，最终达到实时功率矫正的目的，矫正后精度可达0.5%。300W脉冲光纤激光器的方案如图4所示，种子源是一个调Q光纤激光器。由于调Q光纤激光器腔长较长，输出激光的脉宽较宽，且其脉冲波形在高增益放大过程中不易发生畸变，是千瓦级大功率激光器的理想种子光。
光纤种子源采用1个中心波长在976 nm的光纤耦合输出激光二极管作为泵浦源，该泵浦源的最大输出功率为9W，输出尾纤为105μm / 125μm光纤，数值孔径NA为0.22。种子源采用的增益光纤为10μm/130μm掺Yb3+双包层光纤，其纤芯直径为10μm，数值孔径为0.075，内包层形状为八面形，内切圆直径为130μm，NA为0.46，对976nm的包层抽运光的吸收为5dB/m。指示光和泵浦光均通过一个(2+1)×1的光纤合束器耦合进入双包层增益光纤，该合束器的信号光输入光纤和输出光纤均为10μm/125μm双包层光纤，纤芯数值孔径为0.075。在输出端接入了一只隔离度大于30dB的隔离器将各级隔离开来，防止反馈光对前级系统造成干扰。其输出峰值功率应保证大于1kW，脉宽小于85ns。
光纤预放大器采用1个中心波长在976 nm的光纤耦合输出激光二极管作为泵浦源，该泵浦源的最大输出功率为50W，输出尾纤为105μm / 125μm光纤，NA为0.22。放大器采用的增益光纤为30μm/250μm大模场双包层光纤，其纤芯直径为30μm，数值孔径为0.06，内包层形状为八面形，内切圆直径为250μm，NA为0.46，对976nm的包层抽运光的吸收为8dB/m。泵浦光通过一个(6+1)×1的光纤合束器耦合进入双包层增益光纤，该合束器的信号光输入光纤和输出光纤均为30μm/250μm双包层光纤，纤芯数值孔径为0.06。在输出端接入了一只隔离度大于30dB的隔离器将各级隔离开来，防止反馈光对前级系统造成干扰。由于光纤预放大器为小信号放大，放大器会产生大量的ASE光，故隔离器集成了5nm带通滤波器滤除其中的ASE光，以防止ASE光对放大器造成饱和而使信号光放大效率下降。其输出峰值功率大于20kW，脉宽小于90ns。
光纤预放大器输出的信号光和光纤放大器的泵浦光通过一个(6+1)×1光纤合束器耦合进入增益光纤。该光纤合束器的信号光输入输出光纤均为30μm/125μm双包层光纤。为了防止前段光纤增益过大引起的次脉冲拖尾现象，泵浦源选用了3个中心波长在915 nm的激光二极管，该激光二极管的最大输出功率为150W，输出尾纤为105μm/125μm光纤，纤芯数值孔径为0.22。增益光纤为三包层掺Yb3+光纤，其纤芯和内包层直径分别为100μm和400μm。
本发明的激光清洗设备还包括电源系统，所述电源系统主要由供电单元、驱动单元、电控单元和机头控制电路组成，供电单元的主要作用是将电网或发电机提供的三相AC220V电源通过整流模块变换为600V直流高压，输出给各个激光器；驱动单元主要作用是将输入的直流高压通过功率模块变换为可调的直流电流输出给激光器，输出的电流值按控制器的指令可调，并提供负载开路、短路等保护功能，同时还负责把实际的输出电流、电压、状态等参数上传到控制器，以便于对激光器监测和控制；电控单元的作用是控制电源系统的自检，各路激光器驱动源启、停；监测各路激光器驱动源、激光器、水冷系统等状态，测量处理电压、电流、温度、湿度、激光功率等参数值；向上位机传送各状态参数，接收上位机传来的指令，并按程序执行操作等；机头控制电路主要完成激光功率监测、温度、湿度检测等，并将监测数据通过串口传送给电控单元。
为了尽量缩小激光器的体积，将两路激光器集成在1个块水冷板模块内。如果采用电路与光学模块混合封装的模式会造成总体功能的混叠，因此，脉冲激光器采用独立的光学模块设计，将所有的泵浦LD和光纤器件集中在一个平面上，并形成密闭的机壳。通过光纤合束器在该机壳内完成泵浦的合束、信号光输出。该机壳内的泵浦LD通过内部电缆实现与背面的电路模块机壳之间互联，实现独立的模块化作用，具体布局如图5所示。
准直扫描聚焦系统包括准直组件和扫描聚焦组件，准直组件包含一个准直器和一个扩束装置。此外，预准直单元保证了即插即用性能。预准直意味着在调试过程中，透镜的任何有效焦距（EFL）公差都可以被补偿。对于1064nm波长的光学优化来说，有效焦距（EFL）通常是在设计焦距（DFL）的±2.5%范围内。
准直器：可将光纤输出的千瓦级发散光束变为近平行光束，为了得到最佳的高功率性能，准直器采用水冷冷却。
扩束装置：可将准直器输出的近平行光束束腰半径扩大并进一步优化，取得更高质量的平行光束。出口设计了孔径限制光阑孔径，光阑孔径略小于透镜输出光斑直径，有效保证准直光的输出光斑直径是一个恒定值。
高速扫描聚焦组件包含二维扫描振镜和聚焦镜组。准直组件输出的平行光束进入清洗头中的二维扫描振镜和聚焦镜组，最终实现平面扫描输出，以线光斑形式实现激光清洗。
二维扫描振镜:扩束装置输出的平行光束进入清洗头中的二维扫描振镜和聚焦镜组，最终实现平面扫描输出。
如图6所示，聚焦镜组:可将准直组件（或中间光学元件）输出的平行光束在工作区域内聚焦为点光斑。拟选用两组聚焦镜组，分别为焦距300mm和400mm聚焦镜组，300mm聚焦镜组可满足最宽180mm幅面清洗要求，400mm聚焦镜组可满足最宽280mm幅面清洗要求。
本申请的激光清洗设备的激光光斑经过聚焦后可以准确定位在清洗作用处并高效率的清除亚微米级的污染物微粒；本申请的扫描振镜重复定位精度误差：＜4 uRad，为了保证扫描振镜的摆动精度，对伺服电机进行水冷冷却。按照扫描振镜最大精度误差计算，如图8所示为扫描振镜精度误差示意图，图8中点a为反射镜反射点，角θ为扫描振镜最大精度误差角度，线y为清洗头工作距离，线x为工作面最大误差，
tanθ=x/y
x=y×tanθ
即： x=300×（180/π×4×10-6）
x≈0.07mm
机器人重复定位精度误差＜6um，扫描振镜重复定位精度误差＜70um，机器人与扫描振镜联控的重复定位精度误差76um。可以实现准确定位在清洗作用处。
清洗头采用两轴高速扫描振镜，将激光反射到工件表面，形成线光斑，对工件进行清洗加工，扫描速度、激光线宽可调，如图7所示；该系统同时配备了激光窗口气帘保护、同轴指示光。
制冷单元采用开放式水路设计的水冷方案进行散热，降低加工难度，避免在加工的过程中出现堵住水路的情况，同时便于检查，调试。出于安全与工作稳定性方面的考虑，同时兼顾电源的单路负载能力，在安装过程中采用分组的方式，组内的LD采用正负极首尾相接的方式串联连接。连续工作的激光器对于控温精度和水质要求极高，水冷机配备有低温水及常温水两组冷却水，来满足光纤激光器、激光头、准直器、清洗头等部件的恒温冷却需求；常温水和低温水的水温自动控制在±0.2℃以内 ，水冷机还配备了一键补水功能 ，保障用户在使用、保养过程中补水快捷、方便。
清扫净化单元是针对清洗过程中产生的工业废气烟尘、烟雾而设计的高效空气净化器，结构由吸尘管道、高效过滤器、活性炭过滤器、吸尘风机及微电脑控制器等组成的一个完整的空气净化系统。该系统通过风机引力作用，将生产中产生的废气经进气口吸入装备，废气经过装备内部的预过滤层、主过滤层、气体过滤层逐级净化，通过净化后的气体能达到环评标准，可重新排放到室内。其中装备内部的预过滤层能够吸附废气中比较大的粒子；主过滤层由HEPA高效过滤芯组成，对直径0.3微米的微粒过滤效率达99.997%；气体过滤层由化学滤芯组成，能有效的去除废气中的有害气体。
千瓦级大功率激光清洗设备结构上注重人性化设计以及组部件稳定性考虑，各类单元组件应具有一致性、互换性，尽量减少同种器件尺寸规格以便提高系统工作可维性。各组件与电气柜的水、电连接管线应通过快速接插件相连接，同时电气柜也应具备与外部电连接管线连接的快速接插功能。
控制单元包括硬件（计算机和主控集成电路等部件）和操作软件两部分。主控集成电路与计算机通过以太网进行通讯，计算机需具备用双网口通讯功能，可实现远程控制功能。操作软件对设备中激光器、清洗头等部件进行控制和监视，是设备长期可靠运行的主要保障组件。系统控制程序应满足现场独立控制的基本要求，控制系统应满足高效、无（低）错、高抗干扰能力和长寿命的要求，在功能上要满足各单元功能要求外，具备与机器人设备系统精准联控的功能。操作软件中可编辑、存储、调用清洗工艺文件 。满足工艺参数和清洗图形可打包存储、调用。可通过与机器人联控实现多工位、不同形状、不同作业要求（除锈、脱漆、去氧化层等）的复杂工件清洗作业。
控制单元的主要功能包括：对激光器驱动源进行控制；对二维扫描振镜进行控制；对空气吹扫进行控制；系统故障的巡检和记录；净化系统的控制和预警；制冷单元的控制和预警；网络通讯功能，远程控制；与机器人设备系统的精准联控，例如：路径规划设计：①机器人携带清洗头到达待清洗区域后，由清洗头独立完成一定范围内的清洗，清洗完成后，机器人再携带清洗头进入下一待清洗区域进行作业；②清洗头以固定线宽输出激光，机器人携带清洗头匀速清洗。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种千瓦级大功率激光清洗设备，所述设备为可移动式设备，其特征在于：包括：电器柜体、控制单元、激光器单元、制冷单元、清洗加工头单元和清扫净化单元，所述控制单元用于完成对激光器单元、制冷单元、清洗加工头单元和清扫净化单元的控制，激光器单元采用多路脉冲激光合成方式，用于实现千瓦级大功率激光输出，清洗加工头单元包括准直扫描聚焦系统和清洗头，实现激光清洗，制冷单元完成激光器单元和清洗加工头单元的温度控制；所述激光器单元与清洗加工头单元连接，制冷单元分别与激光器单元和清洗加工头单元相连接，清扫净化单元设置在清洗加工头单元上。
2.根据权利要求1所述的一种千瓦级大功率激光清洗设备，其特征在于，所述准直扫描聚焦系统包括准直组件和扫描聚焦组件，准直组件包含一个准直器和一个扩束装置，扫描聚焦组件包含二维扫描振镜和聚焦镜组；千瓦级大功率激光经过能量传输光纤输出的发散光束，通过准直器后，变为近平行光束，再通过扩束装置，将近平行光束束腰半径扩大并进一步优化，取得更高质量的平行光束，扩束装置输出的平行光束进入二维扫描振镜和聚焦镜组，最终实现平面扫描输出，以线光斑形式实现激光清洗。
3.如权利要求1所述的一种千瓦级大功率激光清洗设备，其特征在于：还包括电源系统，由供电单元、驱动单元、电控单元和机头控制电路组成；供电单元将电网或发电机提供的三相AC220V电源通过整流模块变换为600V直流高压，输出给驱动单元；驱动单元将输入的直流高压变换为可调的直流电流输出给激光器，具备负载开路、短路保护功能，同时还负责把实际的输出电流、电压、状态参数上传到电控单元，对激光器进行监测和控制；电控单元控制电源系统的自检，完成各路激光器驱动源启动和停止，监测各路激光器及制冷状态，采集电压、电流、温度、湿度、激光功率状态参数，向上位机传送；机头控制电路完成激光功率监测、温度、湿度检测，并将监测数据通过串口传送给电控单元。
4.如权利要求2所述的一种千瓦级大功率激光清洗设备，其特征在于：准直器、扩束装置、聚焦镜组中所使用的均为合成石英玻璃透镜。
5.如权利要求1所述的一种千瓦级大功率激光清洗设备，其特征在于：激光器单元由4路300W的脉冲光纤激光器通过纤芯激光合束器后形成单纤输出，输出功率大于1kW；所述的脉冲光纤激光器包括光纤种子源、光纤预放大器、光纤放大器；光纤种子源采用光纤耦合输出激光二极管作为泵浦源，指示光和泵浦光均通过一个(2+1)×1的光纤合束器耦合进入双包层增益光纤，输出峰值功率大于1kW，脉宽小于85ns；光纤预放大器采用光纤耦合输出激光二极管作为泵浦源，增益光纤为30μm/250μm大模场双包层光纤，其输出峰值功率大于20kW，脉宽小于90n；光纤预放大器输出的信号光和光纤放大器的泵浦光通过一个(6+1)×1光纤合束器耦合进入增益光纤，泵浦源为3个中心波长在915 nm的激光二极管。
6.如权利要求2所述的一种千瓦级大功率激光清洗设备，其特征在于：扩束装置出口设置了限制光阑孔径，光阑孔径小于透镜输出光斑直径，有效保证准直光的输出光斑直径是一个恒定值。
7.如权利要求2所述的一种千瓦级大功率激光清洗设备，其特征在于：聚焦镜组将准直组件输出的平行光束在工作区域内聚焦为点光斑，采用两组聚焦镜组，焦距分别为300mm和400mm；所述清洗头采用两轴高速扫描振镜，将激光反射到工件表面，形成线光斑，对工件进行清洗加工，同时配备了激光窗口气帘保护、同轴指示光。
8.如权利要求1所述的一种千瓦级大功率激光清洗设备，其特征在于：制冷单元采用开放式水路的水冷方式进行散热，采用分组的方式安装，组内的LD采用正负极首尾相接的方式串联连接，配备有低温水及常温水两组冷却水，常温水和低温水的水温自动控制在±0.2℃以内，兼具补水功能。
9.如权利要求1所述的一种千瓦级大功率激光清洗设备，其特征在于：清扫净化单元为针对清洗过程中产生的工业废气烟尘、烟雾而设计的空气净化器，包括吸尘管道、高效过滤器、活性炭过滤器、吸尘风机及微电脑控制器，组成的一个完整的空气净化系统；所述清扫净化单元通过风机引力作用，将生产中产生的废气经进气口吸入吸尘管道，废气经过装备内部的预过滤层、主过滤层、气体过滤层逐级净化，通过净化后的气体重新排放到室内；所述预过滤层能够吸附废气中比较大的粒子；主过滤层由HEPA高效过滤芯组成；气体过滤层由化学滤芯组成，能有效的去除废气中的有害气体。
10.如权利要求1所述的一种千瓦级大功率激光清洗设备，其特征在于：控制单元包括硬件和操作软件两部分，硬件部分包括主控集成电路和计算机，主控集成电路与计算机通过以太网进行通讯，计算机具备用双网口通讯功能，实现远程控制功能；软件部分对设备中激光器、清洗头及其他部件进行控制和监视，具备与外部机器人设备系统精准联控的功能，实现多工位、不同形状、不同作业要求的复杂工件清洗作业。
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