一种用于铝合金的双光束激光抛光设备及抛光方法

本申请涉及表面处理技术领域，尤其涉及一种用于铝合金的双光束激光抛光设备及抛光方法。

背景技术：

铝合金是一种以金属铝为基材，并添加一定量的其他合金化元素形成的合金材料，属于轻金属材料的一种。由于铝合金具有较轻的重量和较高的强度，其强度接近高合金钢，作为结构材料在航天、航空、交通运输、建筑、电机、轻化和日用品中有着广泛的应用。

但是，铝合金等铝制品在加工好并放置一段时间后，铝制品的表面与氧气接触会发生氧化，形成一层黑色的致密氧化物薄膜，导致铝制品表面光洁度变低，影响铝制品的使用体验和美观。

技术实现要素：

本申请提供一种用于铝合金的双光束激光抛光设备及抛光方法，能够在对铝合金或者铝制品表面进行抛光时，对铝制品的表面进行改性，从而保持铝制品的表面光洁度，避免形成氧化物薄膜，提高铝制品的使用体验。

根据本申请的第一个方面，提供了一种用于铝合金的双光束激光抛光设备，，包括：机架、设于所述机架上的旋转工作台和光路系统，所述旋转工作台用于承载工件；

所述光路系统包括：第一光纤激光器、第二光纤激光器、第一三维振镜和第二三维振镜；所述第一三维振镜与所述第一光纤激光器通过光纤相连接，所述第二三维振镜与所述第二光纤激光器通过光纤相连接；所述第一三维振镜和所述第二三维振镜沿水平方向并排设置于所述旋转工作台的上方；其中，所述第一光纤激光器和所述第二光纤激光器可发出不同功率的激光光束，并具有不同的激光扫描路径。

在一种可能的设计方式中，所述第一三维振镜内设有第一光束缩放器，所述第二三维振镜内设有第二光束缩放器，所述第一光束缩放器转换所述激光光束后的光斑直径大于所述第二光束缩放器转换所述激光光速后的光斑直径。

在一种可能的设计方式中，所述激光抛光设备还包括设于所述机架上的气路系统，所述气路系统包括：储气罐和惰性气体密封舱，所述储气罐与所述惰性气体密封舱通过输气管相连通，所述惰性气体密封舱设于所述旋转工作台上；所述气路系统用于为工件表面提供惰性气体。

在一种可能的设计方式中，所述激光抛光设备还包括设于所述机架上的焦距调节机构，所述第一三维振镜和所述第二三维振镜设于所述焦距调节机构上，所述焦距调解机构可带动所述第一三维振镜和所述第二三维振镜靠近或远离所述旋转工作台，以调整所述激光光速聚焦到所述工件上的焦距。

在一种可能的设计方式中，所述焦距调节机构包括立柱和设于所述立柱上的驱动件，所述立柱与所述机架固接，所述驱动件活动设于所述立柱上，并可沿所述立柱的高度方向运动。

在一种可能的设计方式中，所述激光抛光设备还包括控制器，所述控制器设于所述机架上，所述控制器分别与所述第一光纤激光器、所述第二光纤激光器、所述第一三维振镜、所述第二三维振镜和所述旋转工作台电信号连接，所述控制器用于根据接收到的第一抛光路径控制所述第一三维振镜的扫描路径，以及根据接收到的第二抛光路径控制所述第二三维振镜的扫描路径。

在一种可能的设计方式中，所述激光抛光设备还包括显示器，所述显示器设于所述机架的一侧，所述显示器分别与所述第一光纤激光器、所述第二光纤激光器、所述第一三维振镜、所述第二三维振镜和所述旋转工作台电信号连接。

在一种可能的设计方式中，所述旋转工作台上设有能场发生器，所述能场发生器可为所述待抛光工件加载能场。

根据本申请的第二个方面，提供了一种用于铝合金的双光束激光抛光方法，用于本申请第一个方面任一可能的设计方式中所提供的用于铝合金的激光抛光设备中，其特征在于，所述方法包括：

将工件安装至所述旋转工作台上；

控制器获取加工扫描轨迹，并结合所述第一三维振镜和所述第二三维振镜发送的倾角传感器、位置传感器和电子调压阀的模拟信号规划所述第一三维振镜和所述第二三维振镜的扫描路径；

控制器发送控制信号给至所述第一三维振镜和所述第二三维振镜，以控制所述第一三维振镜和所述第二三维振镜发出所述激光光速，并分别根据所述第一三维振镜和所述第二三维振镜的扫描路径扫描抛光所述工件。

在一种可能的设计方式中，所述第一三维振镜和所述第二三维振镜的所述扫描路径不同，且所述第一三维振镜形成的所述光斑的直径大于所述第二三维振镜形成的所述光斑的直径。

本申请实施例提供的用于铝合金的激光抛光设备，通过在机架上设置两个可发出不同功率的第一光纤激光器和第二光纤激光器，第一光纤激光器通过光纤连接第一三维振镜，第二光纤激光器通过光纤连接第二三维振镜，并且将第一三维振镜和第二三维振镜的扫描路径设为不同；这样，第一光纤激光器发出的激光可通过第一三维振镜对铝合金制品的表面进行粗抛光，第二光纤激光器发出的激光可通过第二三维振镜对铝合金制品的表面进行精抛光，从而快速实现“熔峰填谷”，能够降低第一光纤激光器抛光产生的次生粗糙度，通过不同功率的激光与铝制品材料的相互作用，可改变铝制品或者铝合金工件表面的晶粒度和进行结构，从而对铝制品工件的表面进行改性，能够在铝制品表面形成钝化层；相比于现有技术，能够避免铝制品表面氧化形成氧化物薄膜，可有效控制铝合金激光抛光裂纹；提高了铝制品或者铝合金制品表面的光洁度和表面力学性能。

本申请的构造以及它的其他目的及有益效果将会通过结合附图进行详细说明，以保证对优选实施例的描述更加明显易懂。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请第一个方面实施例提供的用于铝合金的双光束激光抛光设备的整体结构示意图；

图2是本申请第一个方面实施例提供的用于铝合金的双光束激光抛光设备主视图；

图3是本申请第一个方面实施例提供的用于铝合金的双光束激光抛光设备的右视图；

图4是第一三维振镜的内部结构示意图；

图5是第一三维振镜和第二三维振镜的扫描路径图；

图6是图5中a处的局部放大图；

图7是第一三维振镜和第二三维振镜的具体扫描路径图；

图8是本申请第二个方面实施例提供的用于铝合金的双光束激光抛光方法的实现流程图。

附图标记说明：

10-机架；20-旋转工作台；30-光路系统；40-气路系统；50-焦距调节机构；60-控制器；70-显示器；

21-能场发生器；31-第一光纤激光器；32-第二光纤激光器；33-第一三维振镜；34-第二三维振镜；41-储气罐；42-惰性气体密封舱；51-立柱；52-驱动件；

331-第一光束缩放器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“上”、“底”、“前”、“后”等指示的方位或者位置关系(若有的话)为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者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申请的限制。

根据本申请第一个方面实施例，参照图1-图3所示，图1是本申请第一个方面实施例提供的用于铝合金的双光束激光抛光设备的整体结构示意图，图2是本申请第一个方面实施例提供的用于铝合金的双光束激光抛光设备主视图，图3是本申请第一个方面实施例提供的用于铝合金的双光束激光抛光设备的右视图。本实施例提供了一种用于铝合金的双光束激光抛光设备，包括：机架10、设于机架10上的旋转工作台20和光路系统30，旋转工作台20用于承载工件。

具体的，本申请实施例中，机架10可以是铝合金、不锈钢或者其他合金或金属材料制成。

其中，旋转工作台20的材质可以与机架10相同。在一些可能的示例中，旋转工作台20的材质也可以与机架10不同，例如在用花岗岩、大理石或者陶瓷材料来制作旋转工作台20。

可以理解的是，本申请实施例中，旋转工作台20可以与机架10转动连接，例如通过旋转轴和轴承转动连接旋转工作台20和机架10。

本领域技术人员容易得知的是，为了驱动旋转工作台20转动。本申请实施例中，可以在机架10上设置驱动装置，例如设置同步电机、伺服电机或者步进电机等对旋转工作台进行驱动。

可以理解的是，在旋转工作台20上可以设置夹具，例如三抓夹头或者四抓夹头，对工件进行夹紧。在一些可能的示例中，夹具也可以是电控永磁吸盘。

光路系统30包括：第一光纤激光器31、第二光纤激光器32、第一三维振镜33和第二三维振镜34；第一三维振镜33与第一光纤激光器31通过光纤相连接，第二三维振镜34与第二光纤激光器32通过光纤相连接；第一三维振镜33和第二三维振镜34沿水平方向并排设置于旋转工作台20的上方；其中，第一光纤激光器31和第二光纤激光器32可发出不同功率的激光光束，并具有不同的激光扫描路径。

具体的，本申请实施例中，第一光纤激光器31为连续光纤激光器，其可产生功率为300-1000w(瓦特)的连续激光，第二光纤激光器32为脉冲激光器，其可产生功率为40-60w的脉冲激光。

其中，第一三维振镜33可将第一光纤激光器31产生的连续激光转换为平顶光斑，使得激光在平顶光斑的整个光斑面积上具有均匀的能量分布，其直径较大，能够通过控制激光的能量密度、辐照时间和作用面积，达到一定的预热效果，使得铝合金制品或者铝制品的材料表面温度略低于熔点温度，达到预热和粗抛的效果。

相应的，第二三维振静34可将第二光纤激光器32提供的脉冲激光转化为平顶光斑，其光斑直径小于第一三维振镜33转化的光斑直径，从而可以得到集中的脉冲峰值能量，在较小的局部区域得到较高的激光能量，能够快速融化异形曲面的微观表面波峰，使熔融的材料快速填充至波谷内，即“熔峰填谷”，从而能够降低工件的表面粗糙度。

另外，本申请实施例中，将第一三维振镜33和第二三维振镜34的扫描路径设置为不同，这样，脉冲激光能够更有效的降低连续激光产生的次生粗糙度，通过不同功率的激光与工件表面的相互作用，对铝制品工件的表面进行改性，能够在铝制品表面形成钝化层，能够避免铝制品表面氧化形成氧化物薄膜，有效提高了铝制品或者铝合金制品表面的光洁度，提高了用户使用体验效果。

本申请实施例，通过在机架10上设置两个可发出不同功率的第一光纤激光器31和第二光纤激光器32，第一光纤激光器31通过光纤连接第一三维振镜33，第二光纤激光器32通过光纤连接第二三维振镜34，并且将第一三维振镜33和第二三维振镜34的扫描路径设为不同；这样，第一光纤激光器31发出的激光可通过第一三维振镜33对铝合金制品的表面进行粗抛光，第二光纤激光器32发出的激光可通过第二三维振镜34对铝合金制品的表面进行精抛光，从而快速实现“熔峰填谷”，能够降低第一光纤激光器31抛光产生的次生粗糙度，通过不同功率的激光与铝制品材料的相互作用，可改变铝制品或者铝合金工件表面的晶粒度和进行结构，从而对铝制品工件的表面进行改性，能够在铝制品表面形成钝化层；相比于现有技术，能够避免铝制品表面氧化形成氧化物薄膜，可有效控制铝合金激光抛光裂纹；提高了铝制品或者铝合金制品表面的光洁度和表面力学性能。

可选的，参照图4所示，图4是第一三维振镜的内部结构示意图。第一三维振镜33内设有第一光束缩放器331，第二三维振镜34内设有第二光束缩放器，第一光束缩放器331转换激光光束后的光斑直径大于第二光束缩放器转换激光光速后的光斑直径。

需要说明的是，本申请仅以第一三维振镜33的内部结构作为示例进行说明，可以理解，第二三维振镜34的内部结构与第一三维振镜33的内部结构可以相同。

在第一三维振镜33内可以设有光速缩放器(doetuner，doe)331对高斯激光进行转换后，经过z轴移动镜片和聚焦镜片后可形成平顶光斑。同样的，在第二三维振镜34内也可以设置doe转换器，对高斯激光进行转换。可以理解的是，在第二三维振镜34内的doe转换器转换后的平顶光斑的直径小于第一三维振镜33内的doe转换器转换后的平顶光斑的直径。

这样，可以得到集中的脉冲峰值能量，在较小的局部区域得到较高的激光能量，能够快速融化异形曲面的微观表面波峰，使熔融的材料快速填充至波谷内，即“熔峰填谷”，从而能够降低工件的表面粗糙度。

可选的，参照图1和图2所示，本申请实施例中，用于铝合金的双光束激光抛光设备还包括设于机架10上的气路系统40，气路系统40包括：储气罐41和惰性气体密封舱42，储气罐41与惰性气体密封舱42通过输气管相连通，惰性气体密封舱42设于旋转工作台20上；气路系统40用于为工件表面提供惰性气体。

具体的，本申请实施例中，储气罐41可以是加压储气罐，储气罐41中可以储存有氮气、氦气、氙气或者氩气等惰性气体。

在具体使用时，可将工件放置在惰性气体密封舱42内，对惰性气体密封舱42内通入惰性气体，这样使得抛光过程在惰性气体氛围下进行，能够有效避免在抛光过程中，工件表面被氧化的情况发生，能够有效提高铝合金工件的表面光洁度。

其中，储气罐41可以通过螺栓、螺钉或者螺杆等连接部件固定在机架10上，同样的，惰性气体密封舱42也可以固定在旋转工作台20上，并随旋转工作台20一起转动。

可选的，参照图1和图2所示，本申请实施例提供的用于铝合金的双光束激光抛光设备还包括设于机架10上的焦距调节机构50，第一三维振镜33和第二三维振镜34设于焦距调节机构50上，焦距调解机构50可带动第一三维振镜33和第二三维振镜34靠近或远离旋转工作台20，以调整激光光速聚焦到工件上的焦距。

具体的，焦距调节机构50包括立柱51和设于立柱51上的驱动件52，立柱51与机架10固接，驱动件52活动设于立柱51上，并可沿立柱51的高度方向运动。

其中，立柱51可以是通过前述的螺钉、螺栓或者螺杆等连接部件固定在机架10上。在一些可能的方式中，立柱51也可以是通过焊接的方式焊接在机架10上。

驱动件52具体可以是滑动气缸、直线气缸或者活塞缸等。其中，滑动气缸可在立柱上滑动，并带动设置在滑动气缸的滑块上的第一三维振镜33和第二三维振镜34一起移动。可以理解的是，直线气缸和活塞缸的驱动方式可以与滑动气缸相同或者类似，本申请实施例中不在赘述。

通过设置焦距调节机构50带动第一三维振镜33和第二三维振镜34靠近或者远离旋转工作台20，这样，针对不同尺寸的工件，可以调节适当的抛光焦距，能够提高激光抛光设备的适用范围。

可选的，参照图1和图2所示，本申请实施例提供的用于铝合金的双光束激光抛光设备还包括控制器60，控制器60设于机架10上，控制器60分别与第一光纤激光器31、第二光纤激光器32、第一三维振镜33、第二三维振镜34和旋转工作台20电信号连接，控制器60用于根据接收到的第一抛光路径控制第一三维振镜33的扫描路径，以及根据接收到的第二抛光路径控制第二三维振镜34的扫描路径。

具体的，本申请实施例中，控制器60可以是中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、微控制单元(microcontrollerunit，mcu)或者现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)等。

当然，在一些可能的示例中，控制器60也可以是设有上述cpu、mcu或者fpga等的电脑主机或者计算机等设备。

可选的，参照图1所示，激光抛光设备还包括显示器70，显示器70设于机架10的一侧，显示器70分别与第一光纤激光器31、第二光纤激光器32、第一三维振镜33、第二三维振镜34和旋转工作台20电信号连接。

其中，显示器可以是液晶显示器、液晶显示屏或者其他显示屏，显示屏可以用来显示激光抛光设备的抛光参数或当前控制参数等信息，以便于工人你能够更好的对激光抛光设备进行控制和操作。

可选的，参照图1所示，本申请实施例中，在旋转工作台20上还设有能场发生器21，能场发生器21可为待抛光工件加载能场。

具体的，本申请实施例中，能场发生器21可以是电磁场发生器、超声波发生器或者电磁场发生器和超声波发生器的复合发生器。

具体的，电磁场发生器可发出电磁场，电磁场作用在熔融金属上，可以使得熔融金属在工件表面流动，能够加快工件的抛光效率；另外，超声波发生器可在工件表面产生超声震荡，使得工件表面处于熔融状态的液态金属内产生微型爆炸，将液态金属内的空气和气隙排出，能够是的金属冷却凝固后更加紧密，使得工件表面的强度更高。

在具体使用时，参照图5-图7所示，图5是第一三维振镜和第二三维振镜的扫描路径图，图6是图5中a处的局部放大图，图7是第一三维振镜和第二三维振镜的具体扫描路径图。可先将工件安装到旋转工作台20上，然后，通过控制器60获取图7中示出的第一三维振镜33和第二三维振镜34的扫描路径图。例如，将第一三维振镜33的臊面路径设为如图5中示出的常规的“之”字形或者“z”字形路径s，脉冲激光(即第二三维振镜34)作为亚镜面或者镜面抛光工具，其路径可以具有多样化的选择，例如常规的“之”或“z”字形，或者方波路径、螺旋波路径等。本申请图6和图7中，以第一三维振镜33为“之”或“z”字形路径s1，第二三维振镜34为方波路径s2为例进行说明。从图7中可以看出，“之”或“z”字形路径与方波路径耦合后，脉冲激光光斑可借助连续激光的余热对工件表面进行快速的融化抛光，能够有效提高抛光效果和效率，另外，脉冲激光还能够对连续激光造成的次生粗糙度进行抛光处理，提高了抛光效果。

根据本申请第二个方面的实施例，参照图8所示，图8是本申请第二个方面实施例提供的用于铝合金的双光束激光抛光方法的实现流程图。本实施例提供了一种用于铝合金的双光束激光抛光方法，用于本申请第一个方面实施例任一可选实施方式所提供的用于铝合金的激光抛光设备中，该方法包括以下步骤：

步骤801，将工件安装至旋转工作台20上；

步骤802，控制器60获取加工扫描轨迹，并结合第一三维振镜33和第二三维振镜34发送的倾角传感器、位置传感器和电子调压阀的模拟信号规划第一三维振镜33和第二三维振镜34的扫描路径。

具体的，本申请实施例中，控制器60与第一三维振镜33和第二三维振镜34之间可以通过rs232协议进行通讯。

步骤803，控制器60发送控制信号给至第一三维振镜33和第二三维振镜34，以控制第一三维振镜33和第二三维振镜34发出激光光速，并分别根据第一三维振镜33和第二三维振镜34的扫描路径扫描抛光工件。

其中，第一三维振镜33和第二三维振镜34的扫描路径不同，且第一三维振镜33形成的光斑的直径大于第二三维振镜34形成的光斑的直径。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。