一种激光清洗-毛化复合加工方法技术

一种激光清洗‑毛化复合加工方法，它涉及一种加工方法，本发明专利技术的目的是为了解决激光清洗后需要进行激光毛化加工或激光毛化前需要进行激光清洗加工制造的材料的表面质量差、加工效率低、运行成本高的问题，本发明专利技术可以改造现有的激光枪头，设计光路，让激光器发出的激光通过本发明专利技术设计的枪头后分为两束，一束用作激光清洗、一束用作激光毛化，从而实现对材料激光清洗‑毛化的复合加工。或者使用两台激光器分别产生两束激光，一前一后作用在工件表面，清洗激光在前，毛化激光在后，从而实现对材料激光清洗‑毛化的复合加工。达到节省时间、提高效率、改善清洗毛化效果、提高材料表面质量、降低成本等目的。本发明专利技术应用于激光加工领域。

A Laser Cleaning-Texturing Compound Processing Method

【技术实现步骤摘要】
一种激光清洗-毛化复合加工方法
本专利技术涉及激光加工领域。
技术介绍
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(LaserCleaning)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)绿色：激光清洗技术被誉为21世纪最具发展潜力的绿色清洗技术，清洗过程中不需使用有害化学清洗剂，不产生额外的污染物。(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。与此同时，激光毛化技术(LTT)作为近二十多年兴起的毛化技术，在众多的毛化技术当中占据了越来越重要的地位。近年来，随着激光毛化技术基础理论研究的发展，新型激光器件、激光源的不断涌现，激光毛化技术不断的成熟与多层次推广应用，激光毛化技术已经渗透到汽车、家电、计算机、生物医疗等领域，展示出巨大的应用前景。如表1所示，激光毛化技术相对于其他毛化技术展现出的优势有：(1)能毛化表面硬度极高的材料，几乎不受材料硬度的限制；(2)毛化点的分布方式确定，毛化点的形貌和粗糙度可控制；(3)激光毛化过程相当于对基材快速淬火，能够改变被清洗和毛化材料的性能，如硬度和耐磨性等；(4)绿色，对环境几乎不产生污染；(5)运行成本相对低廉。表1.几种毛化技术的比较在实际的工业生产中，激光清洗技术渐渐的应用在了石油管道和高铁车身的清洗上，能够达到绿色高效的目的。但是激光清洗之后，由于金属表面过于光滑，油漆不能有效的附着在石油管道壁和高铁车身上，给喷漆过程带来了困扰。所以，在完成激光清洗后，通常还要对石油管道壁和高铁车身进行激光毛化处理。二者虽然都是用激光进行处理，但是二者采用激光的参数，如功率、能量密度、脉宽、频率，存在很大的不同，因此需要两步分别进行，有时甚至需要在不同的场所进行清洗和毛化。这让生产的效率大大降低，同时也造成了许多资源的浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决激光清洗后需要进行激光毛化加工或激光毛化前需要进行激光清洗加工制造的材料(铝及其合金、钛及其合金、高强钢等)的表面质量差、加工效率低、运行成本高的问题。而提供一种激光清洗-毛化复合加工方法。基于上述问题，提出激光清洗-毛化一体化的复合加工方法，让繁琐的两步工艺合并为一步，一方面提高了效率，节省了加工的空间，另一方面，通过两束激光的复合效应，可以提高能量利用率，获得更好的毛化效果。本专利技术的一种激光清洗-毛化复合加工方法，所述的加工方法是通过激光光学系统将激光器所发出的激光分成两束，一束作为激光清洗光束作用于待处理材料上，另一束激光作为激光毛化光束作用于待处理材料上；激光清洗光束与激光毛化光束的能量比2:1～1:6；激光器所发出的激光的功率为50W-2000W；其中，激光光学系统由分光系统和聚焦系统构成；所述的分光系统为半反半透式系统，半反半透式系统是由半反半透分光镜构成；聚焦系统为透镜聚焦系统，所述的透镜聚焦系统是由透镜构成；或者聚焦系统为反射聚焦系统，所述的反射聚焦系统是由离轴抛物面反射聚焦镜构成。本专利技术的一种激光清洗-毛化复合加工方法，所述的加工方法是通过激光光学系统将激光器所发出的激光分成两束，一束作为激光清洗光束作用于待处理材料上，另一束激光作为激光毛化光束作用于待处理材料上；激光清洗光束与激光毛化光束的能量比1:1～1:9；激光器所发出的激光的功率为50W-2000W；其中，激光光学系统由分光系统和聚焦系统构成；所述的分光系统为屋脊式分光系统，屋脊式分光系统是由屋脊反射镜构成；聚焦系统为透镜聚焦系统，所述的透镜聚焦系统是由透镜构成；或者聚焦系统为反射聚焦系统，所述的反射聚焦系统是由离轴抛物面反射聚焦镜构成。本专利技术的一种激光清洗-毛化复合加工方法，所述的加工方法是通过两个激光器发射两束激光，两束激光分别作用于被加工材料上；其中，一束作为清洗激光，一束作为毛化激光；并保证按激光运动方向，清洗激光束在前，毛化激光束在后；每束激光的功率为50W-2000W。本专利技术的激光清洗-毛化复合加工方法有两种方案：第一种激光清洗-毛化复合加工方案：可以改造现有的激光枪头，设计光路，让激光器发出的激光通过本专利技术设计的枪头后分为两束，一束用作激光清洗、一束用作激光毛化，从而实现对材料激光清洗-毛化的复合加工。该方法涉及的光学系统包括分光系统和聚焦系统。分光系统主要有两种：半反半透式，如图1和图2所示；屋脊式，如图3和图4所示。聚焦系统包括反射聚焦式和透镜聚焦式。应用本专利技术设计的激光枪头于现有的激光器上，主要有下面的优势：1.提高能量利用率。通过控制清洗激光的参数，可以对基材表面起到预加热作用，提高基材表面的激光吸收率，降低烧蚀阈值，使毛化时需要的激光能量降低。采用该复合加工方法，只需50％-80％的激光功率，就能达到单独毛化时同样的效果，大大降低了能量损耗。2.清洗与毛化过程时间间隔大大缩短，时间间隔为毫秒级甚至微秒级，有效地避免了清洗后的表面再次生成氧化物，确保毛化时工件表面的清洁。3.提高毛化质量。清洗激光在清除材料表面污物的同时，其产生的热效应可使基材表面形成很薄的熔融金属层，熔融金属受毛化激光产生的冲击力的作用后迅速冷却，可以得到比单激光毛化更加粗糙的表面，更有利于油漆的附着或者下一步的材料加工。4.简化工艺。避免了传统的设置两次激光参数，通过分光系统直接得到相应的两束激光用于激光清洗和毛化。5.节约成本。只需要一台激光器就能实现激光清洗和毛化，避免购买两台不同的激光器。6.节省时间，提高效率。本专利技术实现激光清洗和激光毛化的一体化，两者可在同一工位进行，省略了更换工位的步骤，使加工的时间大大缩短。7.提高清洗质量。用于毛化的激光也能清洗部分残留的氧化物和污物，进一步提高清洗的质量。第二种激光清洗-毛化复合加工方案是可以使用两台激光器分别产生两束激光，一前一后作用在工件表面，清洗激光在前，毛化激光在后，从而实现对材料激光清洗-毛化的复合加工，如图5所示。也能达到节省时间、提高效率、改善清洗毛化效果、提高材料表面质量、降低成本等目的。附图说明图1为本专利技术半反半透式分光透镜聚焦系统结构示意图；其中，v为激光运动方向的速度；图2为本专利技术半反半透式分光反射聚焦系统结构示意图；其中，v为激光运动方向的速度；图3为本专利技术屋脊式1分光聚焦系统结构示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光清洗‑毛化复合加工方法，其特征在于所述的加工方法是通过激光光学系统将激光器所发出的激光分成两束，一束作为激光清洗光束作用于待处理材料上，另一束激光作为激光毛化光束作用于待处理材料上；激光清洗光束与激光毛化光束的能量比2:1～1:6；激光器所发出的激光的功率为50W‑2000W；其中，激光光学系统由分光系统和聚焦系统构成；所述的分光系统为半反半透式系统，半反半透式系统是由半反半透分光镜构成；聚焦系统为透镜聚焦系统，所述的透镜聚焦系统是由透镜构成；或者聚焦系统为反射聚焦系统，所述的反射聚焦系统是由离轴抛物面反射聚焦镜构成。

【技术特征摘要】
1.一种激光清洗-毛化复合加工方法，其特征在于所述的加工方法是通过激光光学系统将激光器所发出的激光分成两束，一束作为激光清洗光束作用于待处理材料上，另一束激光作为激光毛化光束作用于待处理材料上；激光清洗光束与激光毛化光束的能量比2:1～1:6；激光器所发出的激光的功率为50W-2000W；其中，激光光学系统由分光系统和聚焦系统构成；所述的分光系统为半反半透式系统，半反半透式系统是由半反半透分光镜构成；聚焦系统为透镜聚焦系统，所述的透镜聚焦系统是由透镜构成；或者聚焦系统为反射聚焦系统，所述的反射聚焦系统是由离轴抛物面反射聚焦镜构成。2.根据权利要求1所述的一种激光清洗-毛化复合加工方法，其特征在于半反半透分光镜的基底为ZnSe，分光镜45°放置。3.根据权利要求1所述的一种激光清洗-毛化复合加工方法，其特征在于若聚焦系统为透镜聚焦系统；则激光光学系包括半反半透分光镜一(1)、聚焦透镜一(2)、聚焦透镜二(4)和平面反射镜(3)；激光器所发出的激光通过半反半透分光镜一(1)分成一束透射光，一束反射光；其中，透射光作为激光清洗光束照射于聚焦透镜一(2)上，并通过聚焦透镜一(2)将激光束聚焦于待加工材料一(5)上；反射光照射于平面反射镜(3)上，并通过平面反射镜(3)反射到聚焦透镜二(4)上，通过聚焦透镜二(4)激光束聚焦于待加工材料一(5)上；并保证沿激光运动方向，通过聚焦透镜一(2)作用于待加工材料一(5)上的光束在前，通过聚焦透镜二(4)作用于待加工材料一(5)上的光束在后；若聚焦系统为反射聚焦系统，则激光光学系包括半反半透分光镜二(11)、聚焦透镜(12)和反射聚焦镜(13)；所述的激光器所发出的激光通过半反半透分光镜二(11)分成一束透射光，一束反射光；其中，透射光作为激光清洗光束照射于聚焦透镜(12)上，并通过聚焦透镜(12)将激光束聚焦于待加工材料二(14)上；反射光通过反射聚焦镜(13)反射于待加工材料二(14)上，并保证沿激光运动方向，通过聚焦透镜(12)作用于待加工材料(14)上的光束在前，通过反射射聚焦镜(13)反射于待加工材料二(14)上的光束在后。4.根据权利要求1所述的一种激光清洗-毛化复合加工方法，其特征在于若聚焦系统为透镜聚焦系统，则清洗光束与毛化激光束的焦距均为50mm-500mm；清洗光束与毛化激光束的光斑的间距均为10mm-30mm；扫描速度为200-3000mm/s；若聚焦系统为反射聚焦系统，则清洗光束与毛化激光束的焦距均为200mm-1000mm，清洗光束与毛化激光束的光斑的间距均为10mm-30mm；扫描速度为200-3000mm/s。5.一种激光清洗-毛化复合加工方法，其特征在于所述的加工方法是通过激光光学系统将激光器所发出的激光分成两束，一束作为激光清洗光束作用于待处理材料上，另一束激光作为激光毛化光束作用于待处理材料上；激光清洗光束与激光毛化光束的能量比1:1～1:9；激光器所发出的激光的功率为50...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷正龙，彭睿，王俊杰，田泽，孙浩然，陈彦宾，陈曦，吴世博，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23