CN201223863Y - 窄脉宽激光自动除污机 - Google Patents

Abstract

一种窄脉宽激光自动除污机，包括激光器装置(31)、光束整形传输装置(32)、辅助移动装置(33)、超声实时接收装置(34)、反馈控制装置(35)、污物回收装置(36)。它通过利用窄脉宽激光照射被清洗物表面，使其在很短的时间内产生强烈的振动冲击波从而将污物从介质表面去除，同时利用仪器装置监测和分析清洗过程中振动所形成的超声波，来保证介质表面完好以及实现清洗过程自动化。它可以用来清除金属、半导体、建筑物等介质表面的氧化物、锈蚀物、油漆、油渍、残留物等各种污物，具有效果好、无损伤、效率高、自动化等优点。

Description

窄脉宽激光自动除污机

【技术领域】

本实用新型是属于激光技术应用领域，涉及一种利用窄脉宽激光与物质相互作用的效应来清除金属、半导体、建筑物等介质表面的氧化物、锈蚀物、油漆、油渍、残留物等各种污物，同时利用该效应所形成的超声信号来保证被除污后介质表面的完好，并可以实现自动化除污的装置。

【背景技术】

任何工件或物质在长期使用过程中其表面都会形成某种污染物，或者是被附着上某种物质，它们的存在会给该物质的正常使用带来危害，需要加以清除。目前清除污物的手段包括手工/机械摩擦法、化学试剂法等，这些常规清洗方法具有费时费力、损伤工件、成本高昂等缺点，相比之下激光除污法作为一种新型除污手段能够基本上克服上述缺点。一般地讲，激光除污的过程比较复杂，目前已知的主要机制可以分为烧蚀效应和振动效应两种。

常规的激光除污装置的除污机制主要是烧蚀效应，即利用激光能量高度集中的特点，通过集中照射被污染介质的表面，使污染物吸收激光能量达到高温，从而使污染物燃烧分解或气化来将污物清除的方法。原理如图1所示。污物附着在工件表面(图1.a)，选择合适波长的激光进行照射，使污物吸收大部分激光能量，污物吸收激光能量之后温度会上升，当温度达到污物的沸点时便会产生气化现象(图1.b)，最终使其从样品表面脱离(图1.c)。在这种情况，我们可以假设污物两端满足绝热条件，设入射激光平均功率密度为I0，则有热传导方程：

$\mathrm{\&rho;c}\frac{\&PartialD;T(z,t)}{\&PartialD;t}=\mathrm{\&lambda;}\frac{{\&PartialD;}^{2}T(z,t)}{{\&PartialD;z}^2}+{\mathrm{\&alpha;I}}_0{\mathrm{Ae}}^{-\mathrm{Az}}(0\&le;t<\mathrm{\&tau;},0\&le;z\&le;l)---\left(1\right)$

其中，ρ是物体的密度，c是物体的比热容，λ是物体的热导率，α是物体对激光的吸收率，A是物体对激光的吸收系数，τ是脉冲激光作用时间即激光脉宽，1是物体的厚度，a_t是物体的热扩散率。设初始温度T＝300K，则相应的可以得到污物升高的温度ΔT的解为：

$\mathrm{\&Delta;T}(z,t)=T(z,t)-T(z,0)$

     $=\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{C_n}{a_t}{\left(\frac{l}{\mathrm{n\&pi;}}\right)}^2\cos \left(\frac{\mathrm{n\&pi;}}{l}z\right)[1-e^{-a_t{\left(\frac{\mathrm{n\&pi;}}{l}\right)}^{2}t}]+C_{0}t\left(K\right)(n=\mathrm{1,2,3}...)---\left(2\right)$

其中系数 $\left\{\begin{array}{c}{C}_0=\frac{{\mathrm{\&alpha;I}}_0}{\mathrm{\&rho;cl}}(1-e^{-\mathrm{Al}})\\ C_n=\frac{2{\mathrm{\&alpha;I}}_0}{\mathrm{\&rho;cl}}\frac{1}{1+{\left(\frac{\mathrm{n\&pi;}}{\mathrm{lA}}\right)}^2}(1-e^{-\mathrm{Al}}\cos \mathrm{n\&pi;})\end{array}\right.$

这样当ΔT超过一定的临界值时就可以使污物发生燃烧分解或气化，从而将污物去除。从公式中可知，要将污物清除必须要使样品处于高温状态，即使用高能量激光，同时为了保证基底介质不被损坏就需要精确控制激光辐射时间，避免高能量激光或高温污物对介质本身的热损坏。这样不仅增加了清洗成本，同时也限制了其使用范围和对象。

目前激光除污装置普遍采用的激光器装置主要是连续CO₂激光器或准连续Nd：YAG激光器，也就是采用前面所述的激光烧蚀效应来清除污物，这种类型的激光除污装置除污效果虽尚可，但是由于采用了烧蚀效应，普遍具有激光能量不好控制并且缺乏有效的监测手段，这样也不仅不能提高清洗效率，也很容易使介质本身受高温影响而变性或受损。

因此，非常有必要在已有的激光除污原理和技术上寻求突破，发明设计一种能够利用激光与物质作用的其他效应，在高效清除污物的同时能够实现有效的实时监控，保证介质表面不被损坏，同时最大限度的提高清洗效率，从而实现自动化除污的激光除污机。

【发明内容】

本实用新型的目的在于提供一种不使用高能量激光，而是采用窄脉宽激光的激光除污装置。本实用新型中涉及的窄脉宽激光自动除污机，与常规的激光除污装置有着根本的区别，它并不强调激光的高能量，而是激光的窄脉宽，也就是充分利用激光除污中的振动效应，即通过对被清洗介质表面在极短时间内进行激光辐射，使其在温度升高不是很大的情况下产生强烈的热弹性冲击波，从而克服污物与基底介质的附着力，使污物从介质表面振荡去除。

窄脉宽激光除污的原理如图2所示。与烧蚀效应正相反，在这种情况中，基底介质吸收了一部分激光能量(图2.a)，有些情况下甚至可以通过选择激光波长使污物吸收较少的能量而使大部分能量被基底吸收。这样基底的温度就会升高进而产生热膨胀，基底的热膨胀会使整个污物产生热波动(图2.b)，由于整个作用过程时间很短，所以产生的强烈的热弹性冲击波从而使污物脱离(图2.c)，下面以一维情况简单计算说明如下：

激光照射在样品表面使基底升高的温度为ΔT，其计算可参考前面的公式(2)，区别是这里计算的是基底的温升因而参数都要换成基底的。由此可以计算出由温度引起的热胀长度Δl＝γΔTl，其中γ为基底的热胀系数，l为基底长度。再根据加速度公式

可知基底膨胀对污物所造成的冲击力

其中m为污物质量，τ为激光脉冲宽度。当冲击力F大于污物与基底之间的粘附力时污物就会被清除掉。

由前面计算可知对于温度的升高ΔT∝I₀，而 $I_0=\frac{\mathrm{Power}}{\mathrm{\&tau;}}$ (Power为激光脉冲能量密度)，再由公式(3)可知 $F\&Proportional;\frac{\mathrm{Power}}{{\mathrm{\&tau;}}^3}$ 即冲击力与脉冲宽度的三次方成反比，由此可见相同激光能量密度的情况下，激光脉冲越短，产生的对污物冲击力越大，而且效果要比单纯地提高激光能量要好很多。实验证明，对于汽车喷漆铁合金基底样品(样品参数参见表1)，采用1064nmNd：YAG激光器，当激光脉冲宽度达到10～20ns，激光脉冲能量为500mJ，光斑大小为1cm²，即激光脉冲能量密度达到0.5J/cm²时，激光脉冲产生的冲击力就可以使漆片脱离样品。这样相对于常规的激光清洗装置，该装置只需要较低的能量就可以实现同样的清洗效果甚至更好，也就降低了清洗成本。同时实验还表明在相同的实验条件下，当激光脉冲宽度为1ns或更短时，所需的激光能量密度会明显小于0.5J/cm²，因此可知如果使用脉冲宽度更窄的激光器，激光除污所需的激光能量会更低，效果更好。

表1 实验样品各种参数

值得注意的是前面的计算中只考虑介质本身吸收大部分激光适用于大多数情况，主要是考虑介质基底本身的热振动产生的冲击波强度更大。事实上，介质和污物都可以产生冲击波，有的时候两种冲击波同时存在共同作用，同样也可以达到使污物脱离介质表面的目的。特别是对于一些特殊介质，比如玻璃，其本身几乎不吸收激光能量，这个时候就需要使污物吸收大部分激光能量，同样也可以产生冲击波使其脱离，只不过强度相对弱一些。

尽管采用窄脉冲激光除污可以有效地提高清洗效果且节约能量，然而如何适时准确地控制清洗过程，既保证清洗过程中污物能够被清除，又使样品本身不受损伤，对于提高除污效率和实现自动化除污至关重要。本实用新型针对窄脉冲激光除污的原理特点设计了一套超声检测分析系统来实现上述要求。其工作原理如下：

由于采用窄脉宽激光产生振动冲击波的原理来清除污物，这样当激光照射污染物表面时，强烈的热弹性波在清除污物的同时也会激发空气产生超声波，超声波的强度与样品基底振动的情况有很大的关系，而基底振动的强度又取决于对激光能量的吸收情况。计算表明，基底表面的振幅E与激光的能量密度Power成正比，又由于超声信号强度I与振幅E存在关系I∝E²，由此可知所产生的超声信号强度I∝Power²，这样就建立了超声信号与清洗程度的直接关系，即超声信号的强度会随着污物的厚度变化而呈现一定规律的改变：当污物未被清除时由于激光能量被污物损耗相当部分，因而超声信号强度会降低，当污物被清除后基底吸收更多激光能量，则超声信号强度也就会明显提高。

因此利用超声检测分析系统，通过采集窄脉冲激光清洗中产生的超声信号，并分析其信号变化情况，我们就可以判断出污物是否被清除干净。采用超声检测，其好处还在于超声波信号不会被清洗过程中产生的其他声响以及外界环境的噪音等普通声音信号所干扰，所以具有良好的抗干扰性和可靠性。

窄脉宽激光自动除污机就是根据上述原理设计的，其装置具体结构如图3所示，包括：激光器装置(1)、光束整形传输装置(2)、辅助移动装置(3)、超声实时接收装置(4)、反馈控制装置(5)、污物回收装置(6)，激光器装置采用窄脉宽激光器，与窄脉宽激光器相连的是光束整形传输装置，按照与激光器的连接顺序包括光束耦合装置、光束传导装置和激光输出头等，激光输出头放置在辅助移动装置上面，从光束整形传输装置中导出来的激光直接照射在待清洗物品的表面上。超声实时接收装置和污物回收装置放置在靠近待清洗物品的位置，以便于超声实时检测和污物回收。反馈控制装置通过线路与其它各个部分相连，具体包括：

激光器装置(31)用于产生窄脉宽激光，包括激光器主体、调Q装置、冷却装置、电源装置。它输出的激光脉宽为15ns以下，激光脉冲能量为100mJ～10J。可以根据实际的污物和介质的吸收波长来选择不同类型的激光器，以产生紫外、红外、可见等波段的激光。激光器的开启和关闭、输出能量、工作频率的控制电路与反馈控制装置电路连接以实现自动控制。

光束整形传输装置(32)包括光束耦合装置(321)、光束传导装置(322)、激光输出头(323)。其中光束耦合装置内部主要部件为耦合透镜与整形透镜，可以根据需要将光束整形为一般线状光束或平顶分布线状光束；光束传导装置可以是导光臂或传能光纤；激光输出头内部包括准直透镜，外部安装小型固体激光器或LED作为定位光束设备(324)，三个部分驳接在一起并由金属壳连接保护。为了提高工作效率，也可以采用单台激光器输出的单个光束分成多束激光分别耦合到几个输出端同时工作。

辅助移动装置(33)由步进电机或机械臂、导轨(331)(332)、清洗平台组成。清洗平台上配有用以放置和固定激光输出头(用于被清洗表面较大不方便移动)或小型样品的多孔和固定架。一个以上步进电机或机械臂可以带动清洗平台作二维、三维或更多维移动；移动方式可以是直线运动、旋转或其他复杂运动；移动速度和精度可以调节。同时步进电机或机械臂装置电路与反馈控制装置电路连接以实现自动控制。对于简单的作业，也可以用手持输出端的方法来替代辅助移动装置。

超声实时接收装置(34)可以接收清洗中样品产生的特殊波段的超声信号(341)，并将产生的数字/模拟信号通过数据线传递给反馈控制装置进行处理，使用时将接收端正对被清洗介质即可。

反馈控制装置(35)是一台PLC、单片机或计算机组成的控制电路，它接收超声实时接收装置传递来的信号，再经过事先编制的窄脉宽激光清洗中超声波信号变化规律程序软件处理，分析出此刻的清洗状态，并通过连接控制线路(351)控制激光器装置、辅助移动装置的工作状态和参数。反馈控制装置采用人工控制或自动控制，根据工作状态指令来控制激光器装置、辅助移动装置的工作状态和参数。

污物回收装置(36)由抽气口(361)、导气管(362)、抽尘压缩机或鼓风机、储物室构成，使用时固定在被清洗样品附近，抽气口正对样品，及时吸排已清除污物避免其造成二次污染，同时将污物回收，其工作电路受反馈控制装置控制。

本实用新型针对传统激光除污装置的不足，采用了新的除污原理并结合独特的超声检测手段，具有如下优点：

1、除污效果好，无污染。相对于传统的采用烧蚀效应的激光除污装置，本装置除污彻底干挣，能够满足目前的除污标准，且在除污过程中不会燃烧产生各种有毒废烟，同时具备污物回收装置，十分环保。

2、除污效率高，能耗少。以除漆为例，试验表明对于一般漆层(透过率不低于0.09)和钢铁基底(吸收率0.36左右)，若采用1064nmNd：YAG激光器，脉冲宽度10ns，单脉冲能量不低于500mJ，重复频率20Hz，保守估计除漆效率至少可以达到5m²/h甚至更高，其效率明显高于常规除漆方法。而对于传统的激光清洗装置如此低的激光功率几乎不可能清除漆层。这样就可以减少能耗，从而有效的降低了除污成本，提高工作效率。

3、由于采用了超声检测分析系统，实时监测除污过程，可以在高效除污的同时不损伤样品表面，从而能够实现自动化除污，可以满足工厂等自动化程度较高的使用要求。

【附图说明】

图1为激光烧蚀效应除污的原理图

其中，11为污物，12为基底，13为入射激光束，14为熔化污物，15为气化污物，16为污物被清除干净部分

图2为窄脉冲激光除污的原理图

其中，21为污物，22为激光辐射基底，23为入射激光束，24为透射激光束，25为膨胀振动部分基底，26为污物受冲击力部分，27为污物脱离基底部分

图3为窄脉宽激光自动除污机结构示意图

其中，31为激光器装置，311为输出激光束，32为光束整形传输装置，321为光束耦合装置，322为光束传导装置，323为激光输出头，324为定位光束设备，33为辅助移动装置，331为横向导轨，332为纵向导轨，34为超声实时接收装置，341为超声信号，35为反馈控制装置，351为控制线路，36为污物回收装置，361为抽气口，362为导气管，37为除污样品，371为表面污物

【具体实施方式】

以下结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明，但是本实用新型的使用方法和应用对象不局限于这些实施例。

实施例1：清除铁合金表面的汽车喷漆层

实施步骤：

(1)根据具体的样品和污物性质，通过反馈控制装置输入激光器工作参数。激光器工作参数为：1064nmNd:YAG激光器或其它类型的激光器，脉冲宽度例如为15ns、10ns、5ns或其它适应于该工作过程的脉宽，单脉冲能量为500mJ、200mJ或在100mJ～10J范围内根据污物的具体情况确定；重复频率20Hz至60Hz范围。对于清除铁合金表面的汽车喷漆，激光器工作参数为：1064nmNd:YAG激光器，脉冲宽度15ns，单脉冲能量500mJ、重复频率20Hz。如果不清楚所需激光脉冲能量也可以设为0J，反馈控制装置在清洗过程中会采用试除法进行预处理以选取合适的能量范围；或者从反馈控制装置给出的参数中进行选择，控制系统的软件中预先存有一些常用除污作业(比如除漆、除锈)的工作参数，以便用户选择或参考设置。

(2)利用激光输出头的定位光束对准要清洗的部位并调整激光输出头与被清洗介质表面距离来获得所需要的光斑大小S，对于线状光斑S＝a·b(a为光斑宽度，b为光斑长度)。由于光斑大小是和所用激光脉冲能量相对应的，这里建议取S＝1cm²，根据实际情况大小可以再做适当调整。

(3)设定辅助移动装置横、纵两个方向的移动步长L₁、L₂(通常情况下软件系统默认L₁＝a，L₂＝b)，然后根据除污物体的形状，设定横、纵两个方向的移动步数n₁、n₂，以及切换步数(横向移动多少步后切换到纵向移动，纵向再移动多少步后切换到横向)，例如对于4×2m的矩形样品，可以设定n₁＝1000步，n₂＝500步，且横向每移动1000步后纵向移动1步。

(4)将污物回收装置抽气口放置在样品表面附近，对准样品表面，并使其工作。

(5)启动激光器装置，激光器发出的窄脉冲激光经过光束整形传输装置照射到样品表面，对样品表面进行除漆操作，此时污物回收装置也开始工作及时将清除的漆片抽走回收。

(6)在除污过程中，超声信号检测分析系统可以判断漆片是否能被清除，如果不可以清除漆片，控制系统会逐步提高激光器的能量，直到漆片可以清除为止；若漆片可以被清除干净，控制系统就会恢复预设的激光能量值，并控制辅助移动装置根据设定的移动步长L带动样品或激光输出头进行移动，如此反复就能够实现对整个样品表面自动化连续清洗。并且当激光能量值持续高于某个数值时，反馈控制装置会用该值替代预设激光能量值，如此就能够根据具体的样品实际情况得到更加准确的除污能量值，这同时也就是在清洗过程中反馈控制装置可以通过试除法来选取合适的能量范围的原理。测试表明，除漆效率至少可以达到5m²/h以上。

(7)除漆结束后，关闭整套装置，并从污物回收装置的储物室取出清除掉的污物，并回收处理。

实施例2：清除铁板表面中等锈蚀程度锈层

该实施例与实施例1基本相同，区别在于：

(1)锈蚀清除所需能量密度较除漆能量密度高，因此激光器工作参数中的激光能量应有所提高，可以取600mJ，其他参数可以保持不变。

(2)对于局部某些形状不是非常标准的锈蚀，本装置在自动控制的基础上也加入了人工控制，且二者可以随意切换。这样可以在激光除锈过程中，当激光某个方向的自动扫描接近锈蚀不规则的边缘时切换到人工控制，使激光器停止工作，然后控制辅助移动装置定位到下一个除污位置后再启动激光器开始工作，同时切换到自动控制，这样可以保证精确清除锈蚀而不损伤其他无锈蚀位置的金属表面。

实施例3：清除具有局部形状不规则(物体表面弧度较大)物体表面的油漆或其他污物

根据具体的样品和污物性质，通过反馈控制装置输入激光器工作参数。激光器工作参数为：1064nmNd：YAG激光器或其它类型的激光器，脉冲宽度例如为15ns、10ns、5ns或其它适应于该工作过程的脉宽，单脉冲能量为500mJ、200mJ或在100mJ～10J范围内根据污物的具体情况确定；重复频率20Hz至60Hz范围。如果不清楚所需激光脉冲能量也可以设为0J，反馈控制装置在清洗过程中会采用试除法进行预处理以选取合适的能量范围；或者从反馈控制装置给出的参数中进行选择，控制系统的软件中预先存有一些常用除污作业(比如除漆、除锈)的工作参数，以便用户选择或参考设置。

对于清除物体表面形状规则部分位置的污物，该实施例与实施例1基本相同，区别在于对于局部表面形状不规则位置的污物，可以采用手持激光输出头来进行除漆操作，而不借助辅助移动装置，同时采用人工控制，其他工作参数保持不变。

本实用新型所涉及的窄脉宽激光自动除污机克服了传统激光除污装置的缺点，具有很好的除污效果，同时更加节能，更高的除污效率，不损伤样品本身，自动化除污以及环保等优点。能够适应工厂等自动化程度较高的场所，应用范围十分广泛。

Claims (8)

1、一种可以清除基底物质表面污染物的窄脉宽激光自动除污机，其特征在于该装置包括激光器装置(1)、光束整形传输装置(2)、辅助移动装置(3)、超声实时接收装置(4)、反馈控制装置(5)、污物回收装置(6)，激光器装置采用窄脉宽激光器，与窄脉宽激光器相连的是光束整形传输装置，按照与激光器的连接顺序包括光束耦合装置、光束传导装置和激光输出头等，激光输出头放置在辅助移动装置上面，从光束整形传输装置中导出来的激光直接照射在待清洗物品的表面上；超声实时接收装置和污物回收装置放置在靠近待清洗物品的位置，以便于超声实时检测和污物回收；反馈控制装置通过线路与其它各个部分相连。

2、按照权利要求1所述的窄脉宽激光自动除污机，其特征在于激光器装置的输出激光为窄脉宽激光，激光脉宽为15ns以下激光脉冲能量为100mJ～10J；激光波长可以是全波段；激光器的开启和关闭、输出能量、工作频率的控制电路与反馈控制装置电路连接以实现自动控制。

3、按照权利要求2所述的窄脉宽激光自动除污机，其特征在于激光器装置的激光波长的全波段可以是紫外、红外、可见。

4、按照权利要求1所述的窄脉宽激光自动除污机，其特征在于光束整形传输装置包括光束耦合装置、光束传导装置、激光输出头，其中光束耦合装置内部主要部件为耦合透镜与整形透镜；光束传导装置可以是导光臂或传能光纤；激光输出头内部包括准直透镜，外部安装小型固体激光器或LED作为定位光束，整套装置由金属壳连接保护。

5、按照权利要求1至4其中之一所述的窄脉宽激光自动除污机，其中的辅助移动装置由步进电机或机械臂、导轨、清洗平台组成，其特征在于清洗平台上配有用以放置和固定激光输出头或小型样品的多孔和固定架，1个以上步进电机或机械臂带动清洗平台作二维、三维或更多维移动；移动方式是直线运动、旋转或其他复杂运动；移动速度和精度可以调节。

6、按照权利要求1所述的窄脉宽激光自动除污机，其中的反馈控制装置是一台PLC、单片机或计算机组成的控制电路，其特征在于反馈控制装置接收超声实时接收装置反馈的信号，控制激光器装置、辅助移动装置的工作状态和参数。

7、按照权利要求6所述的窄脉宽激光自动除污机，其特征在于反馈控制装置采用人工控制或自动控制，根据工作状态指令来控制激光器装置、辅助移动装置的工作状态和参数。

8、按照权利要求6、7其中之一所述的窄脉宽激光自动除污机，其特征在于污物回收装置由抽气口、导气管、抽尘压缩机或鼓风机、储物室构成，该污物回收装置固定在被清洗样品附近，抽气口正对样品，吸排已清除污物避免其造成二次污染，同时将污物回收，其工作电路受反馈控制装置控制。

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