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《新型工业化》杂志论文

手持式激光清洗系统的研制

2019-3-19 14:17:07 | 浏览467次 | 《新型工业化》论文 | 全部杂志

  摘要:本文主要研究激光清洗与传统清洗方式的差异性,采用自主搭建的手持式激光清洗系统,通过调整激光的工艺参数,采用适当的扫描功率和合适的扫描速度,再结合Ezcad软件,实现金属表面的清洗工作。结果表明:采用慢速、快速组合的扫描方法可以达到极好的清洗效果。同时激光的扫描频率对金属表面激光清洗也有影响,频率过高会导致二次氧化,频率过低又会导致清洗不彻底。

  关键词:激光清洗系统;激光清洗原理;激光清洗工艺;二次氧化

  0 引言

  激光清洗技术主要是用过低功率、高能量密度的脉冲激光束作用于工件表面,使表面的污物、氧化物或涂层产生瞬间气化或热膨胀而脱离,从而实现表面清洗的结果[1]。传统的除锈方法有机械除锈、化学除锈、高压水射流法、超声波清洗法等[2-3],激光清洗方法之所以被称为当今比较先进的清洗技术,其优势是:① 清洗的程度高,且不会损伤基体材料;② 在材料领域的应用范围广,例如钛和钛合金、镁合金、7075铝合金、金属基复合材料等等;③ 清洗速度快,切且对基体损伤程度小;④ 该技术属于零接触式清洗方式,所以基体变形量小且对环境污染小。自20世纪80年代以来,激光清洗技术就已经得到广泛应用,当时主要是对激光清洗技术的清洗机理的研究更为深入。Tam和Zapka[4]等人对颗粒进行激光清洗的原理进行分析,发现在固体表面覆盖一层液体“辅助层”更有利于污染颗粒的清洗。林乔[5-6]等人对激光清洗的清洗机理进行了进一步的解析,主要包括光气化分解、共振破碎、污物粒子热膨胀、机体表面振动和粒子振动四个方面。此外,施曙东[7]等人通过一系列的传热学公式对激光干式清洗中的振动效应和烧灼效应进行论证,并通过实验深入研究并探讨了激光峰值功率密度和激光扫描频率对激光清洗效果的影响,同时验证了激光清洗过程中振动效应和烧灼效应的存在。

  激光清洗系统在现在的先进加工技术中广泛应用,例如:模具的清洗,激光清洗可以做到无死角的清洗;武器装备的清洗,激光清洗可以实现零接触清洗,这样对于装备的损坏就会减少;还有飞机旧漆的清除,激光清洗可以在短时间内有效的完成清洗,且金属表面不会损坏等等,相同的还有很多,电子工业、精密机械、核电站反应堆内管道、汽车行业、文物保护等等,综上所述,激光清洗在很多领域发挥着重要作用。

  本文对现有激光清洗技术加以创新,自主搭建了手持式激光清洗系统,实现了操作灵活,无清洗幅面限制的功能。本装置采用波长为1.06μm的光纤激光器,以Q235钢作为材料,研究激光打标速度和扫描速度对除锈效果的影响。

  1 激光清洗机理

  激光清洗是一种复杂的变化,目前被广泛认同的激光清洗的机理主要有以下几种:① 激光可以实现能量在时间和空间上的高度集中,聚焦的激光束在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温,使污垢瞬间蒸发、气化或分解。 ② 激光束的发散角小,方向性好,通过聚光系统可以使激光束聚集成不同直径的光斑。在激光能量相同的条件下,控制不同直径的激光束光斑可以调整激光的能量密度,使污垢受热膨胀。当污垢的膨胀力大于污垢对基体的吸附力时,污垢便会脱离物体的表面。③ 激光光束可以通过在固体表面产生超声波,产生力学共振,使污垢破碎脱落[8]。

  激光清洗过程是各种机理共同作用的结果,取决于基体材料和污染物的物理化学性质,激光束的物理性质以及清洗环境等因素。

  激光束的物理性质分别是:① 当需要处理的工件表面有污染,那么激光器发出的激光束就会被污染层吸收。② 激光束具有很大的能量,这些大能量会导致急剧膨胀的等离子体,产生冲击波。③ 冲击波可以将污染层震碎并且清除。④ 激光器的脉冲宽度短。

  2 激光清洗装置

  本实验系统由激光系统和控制系统两部分组成。其中激光系统包括光纤激光器、高速扫描振镜、场镜、合束镜等,控制系统包括电控机柜、工控电脑、打标卡等。

  光纤激光器(图1)是波长为1.06μm的光纤激光,光纤激光器是固体激光器的一种,采用掺稀土元素玻璃光纤的激光器应用最为广泛,而且现在光纤激光器的输出功率也越来越高。光纤激光器与其他的激光器一样,组成部分也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本要素组成,其工作原理是泵浦光作用于光纤内的稀土离子,稀土离子吸收光子能量,激励到最高射级,实现离子数反转,然后加入谐振腔就会形成激光振荡输出(图2)。光纤放大器通过适当反馈机理形成光纤激光器。

  图1 光纤激光器

  Fig.1 Fiber laser

  图2 光纤激光器结构原理图

  Fig.2 Structure schematic of fiber laser

  振镜扫描系统(图4)是由光学扫描器和伺服控制两部分组成。振镜的原理是通电线圈在磁场中产生力矩,在转子上加有复位力矩,大小与转子偏离平衡位置的角度成正比,给线圈一定的电流,转子就会发生偏转,到一定角度时,电磁力矩和复位力矩大小相等,不会旋转,只会偏转。振镜内部有扫描镜X和扫描镜Y,发出的激光经过多次反射照到工件上。高速扫描振镜具有扫描角度大、峰值力矩大、负载惯量大、机电时间常数小、工作速度快、稳定可靠等优点。

  图3是自主设计的系统主机箱内部接线实物图,电路设计以功能完整、设计轻量化为原则。在开关的控制方面尽量是单个开关多个控制,使电路板的布局简易。机柜中放的主要是激光电源、开光电源、金橙子打标卡等主要结构。

  图3 机柜内部视图

  Fig.3 Interior view of the cabinet

  图4 振镜图

  Fig.4 Galvanometer

  控制系统我们采用的还是通过计算机软件Ezcad来实现对激光清洗的控制,图7是软件Ezcad的主界面,在现代的机械加工中,使用计算机进行整体的控制与指挥是很常见的,计算机控制系统是整体的控制中心,它可以装载软件,也可以将各系统很好的联系起来,使得对整机的控制更加的标准化和简易化。

  激光结构中最重要的部分是聚焦系统,我们需要把平行光聚焦于一点,我们主要采用f−θ透镜,不同的f−θ透镜的焦距不同,打标效果和范围也不一样,光纤激光打标机选用进口高性能聚焦系统,其标准配置的透镜焦距f=160mm,有效扫描范围Φ110mm。

  图6 激光清洗系统结构图

  Fig.6 Structure diagram of laser cleaning system

  图7 软件主界面

  Fig.7 Software master interface

  3 试验结果

  激光清洗装置不仅在激光清洗方面应用广泛,我们的整机装置还具有激光打标的相关应用,下面是运用激光清洗整机系统进行试验的研究内容,主要是对激光器,以及整个整机系统的各方面性能进行检测。图8中的图片主要是在金属材料表面的加工效果。

  图8 打标效果展示

  Fig.8 Display of standard effect

  接下来讨论影响激光除锈的因素:其中影响激光除锈的因素是激光在单位面积中的能量的大小,单位面积内沉积激光能量越多,则除锈效果越显著。影响激光能量的因素有扫描速度、脉冲频率、扫描方式、扫描线间距和离焦量等,这些工艺参数是可控的,因此可以通过调节这些可控参数来探究其影响效果。

  使用普通的Q235钢作为研究材料,将Q235钢板切割成15mm×30mm×5mm大小的钢片,对每个钢片都使用酒精进行清洗,酒精主要是清洗钢片表面的油渍和其他的一些污物,然后在将钢片表面本来存在的锈蚀采用喷砂的方式清洗干净。做完以上的所有处理之后我们在本文中主要研究激光的扫描速度和脉冲频率对除锈效果的影响。

  3.1 激光扫描速度

  在激光的所有可控的工艺参数中,激光的扫描速度是影响除锈效果的最直接的因素。所以为保证良好的除锈效果需要选择合适的扫描速度,固定激光功率为30W,实验采用三种不同速度,如表1。

  表1 不同扫描速度

  Tab.1 Different scanning speed

  除锈效果如图9所示:

  图9 除锈效果展示

  Fig.9 Display of rust removal

  样品1采用的是低速扫描,可以有效的清洗锈蚀,有清洗锈蚀之后的明显变化,但是也导致了二次氧化;样品2采用中速扫描,可以清洗掉大部分的锈蚀,但是清洗的不够彻底,好处是避免了二次氧化;样品3采用高速扫描,但是相比于之前的扫描效果并不理想。导致这样的原因是材料的表面并不是完全平整的,而且发生锈蚀的情况也是不尽相同,各个地方的锈蚀情况不相同,采用统一的扫描速度会导致有的地方清洗不彻底,而有的地方就会清洗过度而导致二次氧化。由此可得出结论:需先采用适当的低速对样品进行处理将严重的锈蚀处理掉,再采用适当的高扫描速度对二次氧化产物进行清除,才能得到比较理想的除锈结果。

  3.2 激光脉冲频率

  前面通过研究激光的扫描速度对除锈效果的影响,了解到扫描速度对除锈的结果影响比较大,所以综合前面的研究结果,我们在研究激光的脉冲频率对清洗效果的影响前先对样品进行扫描方式的处理,先用低速进行扫描,再用高速进行扫描,如表2。

  表2 低速高速处理

  Tab.2 Low speed and high speed processing

  激光的扫描脉冲频率也是很重要的影响因素,主要影响的是激光的能量密度,不同重复频率的激光脉冲频率对清洗效果的影响,如表3。

  表3 不同扫描频率

  Tab.3 Different scanning frequency

  结果如图10所示:

  图10 实验效果展示

  Fig.10 Experimental results display

  实验结果分析:通过以上实验可看出,脉冲频率从小到大,对于样品的锈蚀情况可以清洗干净,只是清洗的程度不同,样品1和样品2的清洗效果基本上干净,但是部分地方出现了二次氧化,但是频率低的比频率高的氧化程度更严重,样品3的清洗效果最为理想,且没有出现氧化现象,样品4表面的锈蚀部分已经清洗干净,但是仍然有一部分比较顽固的锈蚀没有清除干净。

  实验表明,脉冲能量过大或者过小都会对除锈结果又影响,脉冲能量过大,可以有效的去除锈蚀,但是也因为脉冲能量过大而且比较集中,就会导致样品基体表面温度过高而引起二次氧化。适当的脉冲能量能有效的去除锈蚀,且不会引起二次氧化[13]。另外,激光脉冲的重复频率也会对锈蚀的去除有一定的影响,主要是影响了样品表面粗糙度。

  4 结论

  本文在总结国内外激光除锈研究现状的基础上,对现有激光清洗设备加以创新,并对工艺参数进行探索。实验表明本系统应用领域广、实用性强,选择合理的试验工艺参数会大大提升工作效率。

  实验的研究过程,主要是自发研制的手持式激光清洗系统,并在此基础上对其影响因素进行分析。手持式的激光清洗系统在使用方面比较便携,且清洗范围比较广,对于一些比较大型的工件进行除锈会比台式的更加方便,应用的领域也在不断地拓展。另外对于影响除锈效果的因素,我们主要在激光扫描速度和脉冲频率两方面进行分析,研究得出:在激光清洗的过程中采用低速、高速相结合的扫描速度可以得到更好的除锈效果。但是对于不同的材料的实验效果并不相同,对于不同的材料采用不同的扫描速度格式最好的清洗效果。另外激光的脉冲重复频率也对除锈有很大的影响,重复频率过高会因为单脉冲能量过低而无法将锈蚀清除干净,重复频率过低则会因为单脉冲能量过高而导致二次氧化。激光清洗的工艺参数都是因材料而异,不同的材料的清洗的工艺参数不同。

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  Development of Hand Held Laser Cleaning System

  (College of Mechanical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun, Jilin 130022, China )

  Abstract:This paper mainly studies the difference with the traditional laser cleaning cleaning method, using hand-held laser cleaning system set up by ourselves,The cleaning of metal surface is realized by adjusting the technological parameters of the laser, using appropriate scanning power and appropriate scanning speed, and then combining with Ezcad software.The results show that the combination of slow and fast scanning method can achieve excellent cleaning effect.At the same time,the laser scanning frequency also has an impact on the laser cleaning of metal surface, the high frequency will lead to the two oxidation, the frequency is too low will lead to incomplete cleaning.

  Key words:Laser cleaning system; Principle of laser cleaning; Laser cleaning process; Reoxidation

  Citation: WANG Man-man, ZHANG Xin-ming, DING Yun-feng. Development of Hand Held Laser Cleaning System[J]. The Journal of New Industrialization,2017,7(12):1-6.

  本文引用格式:王曼曼,张心明,丁蕴丰.手持式激光清洗系统的研制[J]. 新型工业化,2017,7(12):1-6.

  DOI:10.19335/j.cnki.2095-6649.2017.12.001

  (长春理工大学机电工程学院 吉林 长春 130022)

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