一种双光源复合激光清洗方法及装置

技术领域

本发明属于激光清洗加工技术，利用连续激光与脉冲激光复合光源清洗金属工件表面涂层，具体是涉及一种双光源复合激光清洗方法及装置。

背景技术

激光清洗技术作为一种高效、环保的工业清洗技术，清洗作业时不会损伤被清洁表面的性能，不产生有毒气体和噪音，对人体和环境无害，具有效率高、机动灵活、容易实现自动化等优点，正在工业领域逐渐推广应用。目前市面上的激光清洗方式按工作模式分主要有两类。

第一类为连续激光清洗，使用连续激光器作为光源加上连续激光清洗头进行激光清洗，这种清洗设备的优势为连续激光清洗设备成本较低、清洗效率较高，缺点为连续激光热输入较大极易造成基材微熔从而损伤基材。连续激光清洗目前主要用于对于基材损伤没有太高要求的除锈、除污垢等民用领域。

第二类为脉冲光清洗，使用脉冲激光器加上脉冲光清洗头进行激光清洗，这类设备的优势为脉冲激光热输入小不易损伤基材，缺点为脉冲激光采用多点搭接方式进行扫描清洗，在搭接区容易出现搭接空位以及重复搭接等问题，从而导致清洗效率较低，尤其在清洗钛合金镀层、涂层等难清洗材质时，其效率低的劣势表现的特别突出。以清洗钛合金基材表面1mm厚度的吸波涂层为例，采用500W纳秒脉冲清洗设备，需要对吸波涂层同一位置扫描5～15次，才能将涂层清除干净，效率极低。

发明内容

本发明主要针对以上问题，提出了一种双光源复合激光清洗方法及装置，旨在防止激光持续照射同一位置产生过热，可以有效避免工件基体烧蚀。

为实现上述目的，本发明提供了一种双光源复合激光清洗方法，包括以下步骤：

确定待清洗区域；

根据所述待清洗区域，设置脉冲激光头和连续激光头入射待清洗层的入射角度、往复摆动角度以及清洗参数；

根据脉冲激光形成的单个脉冲光斑，使所述单个脉冲光斑在扫描振镜的作用下扫描搭接成脉冲光斑阵列，所述脉冲光斑阵列在所述脉冲激光头的往复摆动下，形成脉冲激光扫描区；根据连续激光形成的连续激光光斑，使所述连续激光光斑在扫描振镜的作用下扫描搭接成连续激光扫描矩阵，所述连续激光扫描矩阵在所述连续激光头的往复摆动下，形成连续激光扫描区；

按照所述清洗参数沿扫描路径进行复合激光清洗，其中，在进行复合激光清洗时，使所述脉冲激光扫描区与所述连续激光扫描区至少部分重叠。

进一步地，所述脉冲激光头与所述连续激光头的摆动方向相反。

进一步地，所述清洗参数包括：波长、脉宽、频率、额定功率、扫描速度、往复摆动频率。

进一步地，所述脉冲激光头和连续激光头的往复摆动角度均在±15度范围之间；所述脉冲激光头和所述连续激光头发出的扫描光束与所述待清洗层均呈一个45°～75°的夹角。

进一步地，所述脉冲光斑阵列的长度与所述连续激光扫描矩阵的长度相等。

进一步地，所述脉冲激光扫描区的长度与所述连续激光扫描区的长度相等。

进一步地，在确定清洗区域前，还包括将待清洗工件表面涂层进行预处理，以去除涂层表面胶状异物。

进一步地，在进行所述复合激光清洗时，开启监控装置，进行清洗过程检测，对检测不合格重新进行激光清洗。

为实现上述目的，本发明提供了一种双光源复合激光清洗装置，所述装置包括一脉冲激光清洗头、一连续激光清洗头、两旋转连接板、连接基座、两旋转电机；所述两旋转连接板分别设置在所述连接基座上，所述连接基座上设有所述旋转电机，所述旋转电机与所述旋转连接板相连，用于驱动所述旋转连接板摆动，所述两旋转连接板上分别设置所述脉冲激光清洗头和连续激光清洗头。

进一步地，所述装置还包括监控装置，所述监控装置与所述连接基座固定连接，且所述监控装置位于所述脉冲激光清洗头与所述连续激光清洗头之间，用于对清洗过程进行检测。

本发明的上述技术方案具有如下优点：利用连续激光与脉冲激光两种光源，同时复合作用下进行激光清洗作业，利用脉冲激光的高峰值功率对涂层进行多点深入破坏，形成具有一定深度的小孔破坏效应，同时利用连续激光使待清洗附着物吸收能量产生气化云，在金属材料和附着物之间形成热膨胀压力，降低两者间的结合力，最终通过连续激光与脉冲激光产生的振动冲击波使得涂层剥落，从而实现激光快速清洗。该方法结合了连续激光与脉冲激光的优势，激光清洗效率得到显著提高，且可以防止两束激光持续照射同一位置产生过热，可以有效避免工件基体烧蚀。

附图说明

图1为本发明实施例披露的一种双光源复合激光清洗方法流程图。

图2为本发明实施例披露的一种双光源复合激光清洗结构示意图。

图3为本发明实施例披露的一种矩形脉冲光斑阵列与脉冲扫描区的结构示意图。

图4为本发明实施例披露的一种连续激光扫描矩阵与扫描区的结构示意图。

图5为本发明实施例披露的一种复合光源光斑扫描涂层的结构示意图。

图6为本发明实施例披露的一种复合光源涂层激光清洗流程图。

图中：1、脉冲激光清洗头；2、连续激光清洗头；3、旋转连接板；4、基座；5、待清洗基材；6、待清洗层；7、监控装置；8、旋转电机；1-1、脉冲激光扫描光束；1-2、脉冲光斑阵列；2-1、连续激光扫描光束；2-2、连续激光扫描矩阵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图2所示，用于实施本发明的激光清洗方法的激光清洗装置构成为包含：脉冲激光清洗头1，其用于发出脉冲激光扫描光束1-1；连续激光清洗头2，其用于发出连续激光扫描光束2-1；两旋转连接板3，其用于分别安装所述脉冲激光清洗头1和连续激光清洗头2；连接基座4，其用于在两端设置上述的两旋转连接板3；工作台，其用于放置待清洗基材5；监控装置7，其用于监控涂层清洗厚度；旋转电机8，其用于驱动脉冲激光清洗头1和连续激光清洗头2在旋转连接板3上旋转。

在本例中，作为脉冲激光清洗头1和连续激光清洗头2，可以采用由激光制造商提供并销售的各种激光头。

在本例中，旋转连接板3采用黄铜62制造。用于调整与固定脉冲激光扫描光束1-1与连续激光扫描光束2-1的激光入射角度α、β，同时安装在连接基座4上形成一个整体，激光清洗时沿脉冲激光清洗头1与连续激光清洗头2的清洗方向整体运动。

在本例中，连接基座4采用黄铜62制造，作为安装基座，通过连接基座4的连接使得脉冲激光清洗头1与连续激光清洗头2形成一个整体，激光清洗时沿清洗方向整体运动。

在本例中，监控装置7采用CCD红外相机，配合后置处理软件，用于监控涂层清洗厚度。

作为旋转电机8，用于带动脉冲激光清洗头1与连续激光清洗头2进行往复旋转。

接着，对使用了激光清洗装置的激光清洗方法进行说明，如图1所示。激光清洗方法包括如下步骤：

步骤S100：确定待清洗区域；

步骤S200：根据所述待清洗区域，设置脉冲激光头和连续激光头入射待清洗层的入射角度、往复摆动角度以及清洗参数；

步骤S300：根据脉冲激光形成的单个脉冲光斑，使所述单个脉冲光斑在扫描振镜的作用下扫描搭接成脉冲光斑阵列，所述脉冲光斑阵列在所述脉冲激光头的往复摆动下，形成脉冲激光扫描区；根据连续激光形成的连续激光光斑，使所述连续激光光斑在扫描振镜的作用下扫描搭接成连续激光扫描矩阵，所述连续激光扫描矩阵在所述连续激光头的往复摆动下，形成连续激光扫描区；

步骤S400：按照所述清洗参数沿扫描路径进行复合激光清洗，其中，在进行复合激光清洗时，使所述脉冲激光扫描区与所述连续激光扫描区至少部分重叠。

在上述实施例中，脉冲激光清洗头1作为脉冲激光的发生源头，其主要作用是发出脉冲激光清洗源，其参数优选为波长为1064nm、脉宽为130ns、频率为0～50KHZ、额定功率500W、扫描速度1000mm～10000mm。脉冲激光清洗头1发出的脉冲扫描光束1-1与待清洗层6呈一个β夹角。复合激光清洗作业时，脉冲激光清洗头1在旋转电机8的驱动下往复摆动，β夹角在±15度范围内摆动，摆动频率为每秒钟3～50次。

脉冲扫描光束1-1由脉冲激光清洗头1发出，脉冲扫描光束1-1与待清洗层6呈一个β夹角。脉冲扫描光束1-1并经过脉冲激光清洗头1内部的扫描振镜将单个脉冲光斑快速搭接呈一个长度为D1，宽度为H的脉冲光斑阵列1-2。

由扫描振镜将单个脉冲光斑快速扫描搭接，形成的一个长度为D1，宽度为H的脉冲光斑图形，如图3所示。同时，矩形脉冲光斑阵列1-2，在脉冲激光清洗头1往复摆动下，形成一个宽度为D1、长度为L1的脉冲激光扫描区。

如图4所示，连续激光清洗头2作为连续激光的发生源头，其主要作用是发出连续激光清洗源，参数优选为波长1064nm、额定功率1000W、扫描速度1000mm～10000mm。连续激光清洗头2发出的连续激光扫描光束2-1与待清洗层6呈一个α夹角。复合激光清洗作业时，连续激光清洗头2在旋转电机8的驱动下往复摆动，α夹角在±15度范围内摆动，摆动频率为每秒钟3～50次。

连续激光扫描光束2-1由连续激光清洗头2发出，连续激光扫描光束2-1与待清洗涂层6呈一个α夹角。连续激光扫描光束2-1并经过连续激光清洗头2内部的扫描振镜将连续激光光斑快速扫描呈一个长度为D2，宽度为K的连续激光扫描矩阵2-2，如图4所示。

由扫描振镜将连续激光光斑快速扫描搭接，形成的一个长度为D，宽度为K的扫描图形。同时，连续激光扫描矩阵2-2在连续激光清洗头2往复摆动下，形成一个宽度为D2、长度为L2的连续激光扫描区。

激光清洗作业时，脉冲光斑阵列1-2往复运动形成的脉冲激光扫描区与连续激光扫描矩阵2-2往复运动形成的连续激光扫描区两者至少部分重叠。当在全部重叠时，D1＝D2，L1＝L2，此时由脉冲光斑阵列1-2的高峰值功率对涂层进行多点深入破坏，形成具有一定深度的小孔破坏效应，同时利用连续激光扫描矩阵2-2使待清洗附着物吸收能量产生气化云，在金属材料和附着物之间形成热膨胀压力，降低两者间的结合力，最终通过连续激光扫描矩阵2-2与脉冲光斑阵列1-2产生的振动冲击波使得涂层剥落，从而实现激光快速清洗，形成1+1＞2的效果。

需要特别说明的是，相较于现有技术的复合激光而言，本实施例采用双束激光摆动，可以防止激光持续照射同一位置产生过热，可以有效避免工件基体烧蚀。

针对连续激光清洗与脉冲激光清洗在清洗金属基材表面厚度较大的涂层(≥1mm)材质时，复合光源涂层激光清洗流程见图6所示，包括：

步骤S1：将待清洗工件表面涂层进行预处理，预处理的方式包括采用酒精或丙酮对将涂层表面胶状物进行清洗，去除涂层表面胶状异物。

步骤S2：调整激光入射角度α初始角度为60度，β初始角度为60度，α与β摆动角度为±3度，α与β摆动频率为20次。

步骤S3：设置连续激光参数功率500W、D1＝D2为80mm、K为6mm、扫描速度8000mm/S；脉冲激光参数功率400W、D为80mm、H为3mm、L1＝L2为10mm、扫描速度6000mm/S、频率为45KHZ。整体行进清洗速度2400mm/S。

步骤S4：按照设定的参数进行激光清洗。

步骤S5：清洗过程中开启监控装置7，进行清洗过程检测。

步骤S6：检测合格后完成激光清洗工序。检测不合格重新进行激光清洗。

下面将结合具体示例来对一种双光源复合激光清洗方法进行详细说明。

按照图2结构搭建了一台双光源复合激光清洗装置。1台脉冲激光器额定功率500W、波长为1064nm、脉宽为130ns、频率为0～50KHZ、扫描速度1000mm～10000mm。1台连续激光器波长1064nm、额定功率1000W、扫描速度1000mm～10000mm。采用黄铜62材料制作旋转连接板3与连接基座4。

清洗对象为，TC4钛合金基材(即待清洗基材5)厚度为3mm，NiCrW涂层厚度为1mm(即待清洗涂层6)。

按照表1与表2分别进行清洗试验。

表1

表2

经过测试分别按照表1与表2进行清洗，清洗后检测钛合金基材表面涂层厚度去除情况。通过试验按照表1进行清洗，重复清洗2次去除厚度达到1mm。按照表2进行清洗，重复3次去除厚度达到1mm。

对比单纯连续激光清洗，相同参数下重复6次去除厚度达到1mm，采用复合激光源清洗效率提高约300％，且表面清洗后基材无损伤。

对比单纯脉冲激光清洗，相同参数下重复11次去除厚度达到1mm，效率提高约500％，且表面清洗后基材无损伤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。