一种在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统及抛光方法

1.本发明涉及激光加工技术领域，具体而言，涉及一种在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统及抛光方法。


背景技术：

2.近年来，随着激光技术在工业领域内的应用，激光抛光技术作为一种高效环保的表面抛光技术备受关注。其原理是利用激光热效应熔化原始材料薄层，熔化的材料在表面毛细力和热毛细力的作用下流动填平表面微小凹陷，从而获得平滑的抛光表面，并且研究表明激光抛光的热影响区较小，同时材料的表面性能得到增强。
3.然而，在激光抛光技术领域，研究人员发现激光抛光环境对抛光材料能够产生相应的有害影响，例如，钛及钛合金在空气中进行激光抛光会导致表面出现裂纹；钢在空气中进行激光抛光会出现氧化现象，表面呈黄色或碳黑色等。因此，为了避免影响激光抛光效果，需要对激光抛光过程中待抛光材料所处的环境加以控制。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是如何避免抛光环境对激光抛光效果产生不利影响。
5.为解决上述问题，本发明提供一种在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统，包括：
6.密封舱，所述密封舱内适于放置抛光试样，所述密封舱上设置有充气阀；
7.真空泵，所述真空泵与所述密封舱相连接以抽取所述密封舱内的气体；
8.激光器，所述激光器与所述密封舱相连接，所述激光器包括激光发射器、激光工作头和光纤传导结构，所述光纤传导结构的两端分别与所述激光发射器和所述激光工作头相连接；所述密封舱上设置有通孔，所述通孔上安装有光纤过真空通管，所述激光工作头设置于所述密封舱内部，所述光纤传导结构通过所述光纤过真空通管穿过所述通孔与设置于所述密封舱外部的所述激光发射器相连通；
9.控制柜，所述控制柜分别与所述密封舱、所述真空泵和所述激光器电性连接。
10.进一步地，所述光纤传导结构包括第一光纤传导结构和第二光纤传导结构，所述第一光纤传导结构的一端与所述激光工作头相连接，另一端与所述光纤过真空通管位于所述密封舱内部的一端相连接；所述第二光纤传导结构的一端与所述光纤过真空通管位于所述密封舱外部的一端相连接，另一端与所述激光发射器相连接。
11.进一步地，所述密封舱内还设置有真空检测机构和气体传感器，所述真空检测机构适于检测所述密封舱的真空度，所述气体传感器适于检测所述密封舱内的气体种类和气体浓度。
12.进一步地，所述在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统还包括视觉检测机构，所述视觉检测机构包括设置于所述密封舱内部的ccd相机和设置于所述密封舱上的视窗结构。
13.进一步地，所述在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统还包括xyz三维移动平台，所述xyz三维移动平台设置于所述密封舱内部适以放置所述抛光试样并带动所述抛光试样沿x、y、z三个维度移动。
14.进一步地，所述真空泵包括相互连接的前级泵和复合分子泵，所述复合分子泵与所述密封舱相连接以压缩所述密封舱内的空气并配合所述前级泵抽取所述密封舱内的气体。
15.本发明的在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统相较于现有技术的优势在于，本发明通过将抛光试样置于密封舱内，并通过真空泵抽取密封舱内的气体，实现抛光试样在真空环境下的激光抛光，又通过充气阀向密封舱内充入相应的保护气体或者活性气体，实现在多种气氛环境下的激光抛光，减少抛光环境对抛光试样产生的不利影响，如氧化、变色等。本发明将激光工作头设置于密封舱内部，避免了现有技术中将激光工作头设置于密封结构外部，需要透过玻璃等密封消耗件对密封舱内部的抛光试样进行抛光的操作，减少了消耗件的使用，降低了成本；本发明将激光发射器设置于密封舱的外部，减少了密封舱的体积，加快了真空泵抽真空以及充入保护气体或活性气体的速度，避免了激光发射器产生的热量对密封舱内环境的影响，提高了抛光过程的安全性；激光发射器发出的激光进入光纤传导结构后，又经过光纤过真空通管进入密封舱到达激光工作头，由于激光通过光纤传导结构到达激光工作头对抛光试样进行抛光的传导方式，能够在不影响激光传输的前提下，实现激光工作头灵活转动，有利于提高抛光效果，减少抛光死角；同时光纤过真空通管的设置，有利于激光由空气中进入真空环境时的稳定，减少能量损耗。
16.本发明还提供了一种在真空或多种气氛环境下的激光抛光方法，基于所述的在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统实现，包括如下步骤：
17.在将抛光试样放入密封舱内后，启动真空泵以对所述密封舱进行抽真空；
18.当所述密封舱内的真空度达到真空度阈值时，启动激光器以对所述抛光试样进行抛光。
19.进一步地，在所述启动激光器以对所述抛光试样进行抛光之前，还包括：当所述密封舱内的真空度达到真空度阈值时，关闭所述真空泵，向所述密封舱内充入保护气体；
20.当所述密封舱内的保护气体浓度达到气体浓度阈值时，启动所述激光器，在保护气体环境下进行激光抛光。
21.进一步地，当激光抛光完成后，打开所述充气阀以使所述密封舱内气压与外界气压相同后，打开所述密封舱，取出所述抛光试样。
22.进一步地，激光抛光过程中，通过视觉检测机构获取所述抛光试样实时图像，并传输到控制柜以判断是否达到预设抛光效果，达到后所述控制柜控制激光器停止工作以及xyz三维移动平台回复初始位置。
23.本发明的在真空或多种气氛环境下的激光抛光方法相较于现有技术的优势与在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
24.图1为本发明实施例中的在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统的分解示意图一；
25.图2为本发明实施例中的在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统的分解示意图二；
26.图3为本发明实施例中的在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统的整体示意图一；
27.图4为本发明实施例中的在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统的整体示意图二；
28.图5为本发明实施例中的密封舱的剖面图；
29.图6为本发明实施例中的在真空或多种气氛环境下的激光抛光方法的流程图；
30.图7为本发明实施例中抛光试样的原始表面-激光抛光表面的形貌图；
31.图8为本发明实施例中抛光试样的原始表面形貌放大图；
32.图9为本发明实施例中激光抛光后抛光试样的表面形貌放大图。
33.附图标记说明：
34.1-密封舱；2-充气阀；3-真空泵；31-前级泵；32-复合分子泵；4-激光发射器；5-激光工作头；6-光纤过真空通管；7-气体传感器；8-ccd相机；9-视窗结构；10-xyz三维移动平台；11-第一支架；12-第二支架；13-控制柜。
具体实施方式
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
36.需要说明的是，本文提供的坐标系xyz中，x轴正向代表的右方，x轴的反向代表左方，y轴的正向代表前方，y轴的反向代表后方，z轴的正向代表上方，z轴的反向代表下方。同时，要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
37.结合图1至图5所示，本发明实施例提供了一种在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统，包括：
38.密封舱1，密封舱1内适于放置抛光试样，密封舱1上设置有充气阀2；
39.真空泵3，真空泵3与密封舱1相连接以抽取密封舱1内的气体；
40.激光器，激光器与密封舱1相连接，激光器包括激光发射器4、激光工作头5和光纤传导结构，光纤传导结构的两端分别与激光发射器4和激光工作头5相连接；密封舱1上设置有通孔，通孔上安装有光纤过真空通管6，激光工作头5设置于密封舱1内部，光纤传导结构通过光纤过真空通管6穿过密封舱1的通孔与设置于密封舱1外部的激光发射器4相连通，激光发射器4发出的激光经过光纤传导结构、光纤过真空通管6进入到密封舱1内的激光工作头5后，对抛光试样进行激光抛光；本发明实施例所述的激光器可以根据实际抛光需要更换，例如采用连续激光器、短波长的紫外或绿光激光器或超短脉宽的皮秒或飞秒激光器等。
41.控制柜13，控制柜13分别与密封舱1、真空泵3和激光器电性连接。
42.本发明实施例中的在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统通过将抛光试样置于密封舱1内，并通过真空泵3抽取密封舱1内的气体，实现抛光试样在真空环境下的激光抛
光，或在密封舱1处于真空的基础上再通过充气阀2向密封舱1内充入相应的保护气体或者活性气体，如充入n2，不仅保证了抛光材料表面不会发生氧化、变色，并且在激光作用下n2可与待加工材料中的cr元素发生反应形成硬质相crn，从而可以强化材料表面；若在惰性气体环境下充入少量的co2气体，则有助于进一步降低抛光试样表面的粗糙度。由此实现在多种气氛环境下的激光抛光，有利于减少抛光环境对抛光试样产生的不利影响，提高抛光试样的表面质量。本发明实施例在上述结构的基础上，将激光工作头5设置于密封舱1内部，避免了现有技术中透过玻璃等消耗件对密封舱1内部的抛光试样进行抛光的操作，减少了消耗件的使用，降低了成本；将激光发射器4设置于密封舱1的外部，减少了密封舱1的体积，加快了真空泵3抽真空以及充入保护气体或活性气体的速度，同时避免了激光发射器4产生的热量对密封舱1内环境的影响，提高了安全性；激光发射器4发出的激光经过光纤传导结构和光纤过真空通管6后，到达密封舱1内的激光工作头5，由于激光通过光纤传导结构到达激光工作头5对抛光试样进行抛光的传导方式，能够在不影响激光传输的前提下，实现激光工作头5灵活转动，有利于提高抛光效果，减少抛光死角；同时光纤过真空通管6的设置，有利于激光由空气中进入真空环境时的稳定，减少能量损耗。
43.在一些具体的实施例中，光纤传导结构包括第一光纤传导结构和第二光纤传导结构，第一光纤传导结构的一端与激光工作头5相连接，另一端与光纤过真空通管6位于密封舱1内部的一端相连接；第二光纤传导结构的一端与光纤过真空通管6位于密封舱1外部的一端相连接，另一端与激光发射器4相连接，以使激光发射器4发出的激光通过第二光纤传导结构、光纤过真空通管6、第一光纤传导结构到达激光工作头5，实现对抛光试样的激光抛光。
44.在本实施例中，采用光纤过真空通管6将激光从密封舱1外部的第二光纤传导结构中导入到密封舱1内处于真空环境或者保护气体环境中的第一光纤结构后，再到达激光工作头5，实现了激光向真空环境或保护气体环境的导入，并有利于减少激光能量损失。同时第一光纤传导结构的一端与激光工作头5相连接的方式，在不影响激光传输的前提下，有利于提高激光工作头5移动的灵活度，提高抛光效率，减少抛光死角。在一些具体的实施例中，第一光纤传导结构和第二光纤传导结构可为带有光纤连接接头的光纤结构，光纤过真空通管6的两端带有分别与第一光纤传导结构和第二光纤传导结构的光纤连接接头相连接的金属连接接头。连接方式简单快捷。
45.在一些具体的实施例中，密封舱1内还设置有真空检测机构和气体传感器7，真空检测机构适于检测密封舱1的真空度，气体传感器7适于检测密封舱1内的气体种类和气体浓度。
46.如图3和图4所示，在本实施例中的真空检测机构包括真空规和真空计，以实时监测密封舱1能的真空度，同时控制柜13与真空规和真空计电连接，当密封舱1内达到设定的真空度时，控制真空泵3关闭。由此，实现对密封舱1内真空环境的精密控制，进而提高后续抛光效果的可控性。
47.本实施例中的气体传感器7与控制柜13电连接，可检测密封舱1内的气体种类及相应的气体浓度，具体地，例如，检测密封舱1内氧气浓度或者氮气浓度以及惰性气体浓度等。由此，对保护气体环境下进行激光抛光的效果实现更精确地控制。
48.在一些具体的实施例中，在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统还包括视觉检
测机构，视觉检测机构包括设置于密封舱1内部的ccd相机8和设置于密封舱1上的视窗结构9。
49.如图1至图4所示，在本实施例中，ccd相机8和视窗结构9的设置是为了方便观测抛光试样的抛光效果是否达到预期，其中视窗结构9可具体为设置在密封舱1上的至少一个可视玻璃窗，能够直观地观测到抛光试样的状态；同时考虑到需要近距离详细观测抛光试样表面并保留相应观测图像等，设置了与控制柜13相连接的ccd相机8，可根据不同像素的需要，更换不同型号的ccd相机8，以增加对抛光效果的掌握程度，并将获取到的抛光试样图像传输到控制柜13中进行相应处理，例如存储、识别等。
50.在一些具体的实施例中，在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统还包括xyz三维移动平台10，xyz三维移动平台10设置于密封舱1内部适以放置抛光试样并带动抛光试样沿x、y、z三个维度移动。
51.如图1和图2所示，在本实施例中，为了提高激光抛光的灵活度，实现多角度多方位的激光抛光，将工作台设置为在x、y、z三个维度可灵活移动的xyz三维移动平台10，且与控制柜13电连接。具体地，如图2所示，xyz三维移动平台10包括支撑面板、伺服电机模块、x向伺服移动模组、y向伺服移动模组、z向伺服移动模组以及底座，底座设置于密封舱1底部，支撑面板用于放置抛光试样，伺服电机模块用去驱动x向伺服移动模组、y向伺服移动模组和z向伺服移动模组运动，进而实现抛光试样沿x、y、z三个维度的灵活移动，提高抛光范围。在一个较佳的实施例中，还可以增加旋转平台，设置于所述支撑面板上方并与伺服电机模块相连接，在实现三维移动的同时还可以旋转移动。
52.在一些具体的实施例中，如图1和图2所示，真空泵3包括相互连接的前级泵31和复合分子泵32，复合分子泵32与密封舱1相连接以压缩密封舱1内的空气并配合前级泵31抽取密封舱1内的气体。
53.在本实施例中，前级泵31和复合分子泵32与控制柜13相连接，同时为了避免前级泵31的抽气速率或者真空度满足不了使用要求，增加了复合分子泵32，通过插板阀与密封舱1连接，用来提高前级泵31的真空度跟抽气量，实现对密封舱1的快速抽真空，并达到较高的真空度。具体地，复合式分子泵可以是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合，该组合方式具有较大的抽速和较高的压缩比，大大提高了泵的出口压力，进而实现高真空环境(10-4
pa)下的激光加工，且结合真空计和气体传感器7共同实现对激光抛光环境的精确控制，提高抛光所需的环境范围值，提高本发明实施例的适用广度。
54.在一些具体的实施例中，在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统还包括支架，支架设置于密封舱1内部，支架包括第一支架11和第二支架12，第一支架11与ccd相机8相连接以支撑ccd相机8，第二支架12与激光工作头5活动连接。
55.如图1和图2所示，本实施例中的第一支架11支持所述ccd相机8，实现对抛光试样的抛光状态的检测，结构简单，空间占用小；第二支架12与激光工作头5活动连接，实现激光工作头5移动的灵活度，同时与xyz三维移动平台10相配合，大大减少了抛光死角，提高激光抛光范围，提高抛光试样的整体抛光效果。
56.如图6所示，本发明实施例还提供了一种在真空或多种气氛环境下的激光抛光方法，基于的在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统实现，包括如下步骤：
57.在将抛光试样放入密封舱1内后，启动真空泵3以对密封舱1进行抽真空；
58.当密封舱1内的真空度达到真空度阈值时，启动激光器以对抛光试样进行抛光。
59.结合图8和图9所示，本发明实施例中的在真空或多种气氛环境下的激光抛光方法通过将抛光试样置于密封舱1内，并通过真空泵3抽取密封舱1内的气体，通过真空检测机构检测密封舱1内是否达到真空度阈值，若达到真空度阈值，启动激光器，在真空环境下对抛光试样进行激光抛光。真空度阈值为适于抛光试样达到最佳抛光效果的较佳真空度，由此，控制精确，提高抛光效果。由于本发明实施例基于在真空或多种气氛环境下的激光抛光系统实现，因此，在此基础上，实现在多种气氛环境下的激光抛光，有利于减少抛光环境对抛光试样产生的不利影响的同时，减少了消耗件的使用，降低了成本，提高了工作效率，且安全性高、抛光灵活、能量损耗少。
60.结合图1和图2所示，在一些具体的实施例中，打开密封舱1的舱门，将抛光试样放入密封舱1内的xyz三维移动平台10上，关闭密封舱1，启动真空泵3对密封舱1抽真空。优选地，真空泵3采用前级泵31和复合分子泵32相结合的方式，提高抽真空效率和真空度范围。
61.在一些具体的实施例中，若需在真空环境下进行激光抛光，则在密封舱1抽真空后，通过控制柜13设定激光抛光的各项参数，启动激光器，在激光工作头5和位于xyz三维移动平台10上的抛光试样配合下，对抛光试样进行激光抛光。
62.在一些具体的实施例中，通过视觉检测机构观察抛光是否达到预期效果，否，则继续进行激光抛光，当达到预期抛光效果，即激光抛光完成后，打开充气阀2，使密封舱1内部与外界相连通，实现密封舱1内部的气压与外界的气压相同后，打开密封舱1的舱门，取出完成激光抛光的抛光试样。
63.如图6所示，为了进一步精确控制激光抛光的效果，在一些具体的实施例中，在启动激光器以对抛光试样进行抛光之前，还包括：当密封舱1内的真空度达到真空度阈值时，关闭真空泵3，向密封舱1内充入保护气体；
64.当密封舱1内的保护气体浓度达到气体浓度阈值时，启动激光器，在保护气体环境下进行激光抛光。
65.结合图1和图4所示，当抛光试样需在保护气体环境下进行激光抛光时，则在密封舱1抽真空后，关闭真空泵3，通过充气阀2充入保护气体后，保护气体可以是氧气、氮气、惰性气体或其他气体，通过控制柜13设定激光抛光的各项参数，启动激光器，在激光工作头5和位于xyz三维移动平台10上的抛光试样配合下，对抛光试样进行激光抛光。
66.在一些具体的实施例中，激光抛光过程中，通过视觉检测机构获取所述抛光试样实时图像，并传输到控制柜13以判断是否达到预设抛光效果，达到后所述控制柜13控制激光器停止工作以及xyz三维移动平台10回复初始位置。
67.如图7所示，本实施例通过视觉检测机构对抛光效果实现实时监测，并将获取的图像经过识别处理，与预设抛光效果进行对照，判断是否达到预设抛光效果，例如，预设抛光效果为完成抛光试样表面100％激光抛光或50％激光抛光，或完成划定区域内的激光抛光等。若未达到相应的预设抛光效果，则继续进行激光抛光；若达到预设抛光效果，则控制停止激光抛光，关闭激光器，xyz三维移动平台10回复初始位置，以及与控制柜13相连接的机构停止工作并恢复初始状态以等待进行下一次激光抛光。
68.在一些具体的实施例中，当激光抛光完成后，打开充气阀2以使密封舱1内气压与外界气压相同后，打开密封舱1，取出抛光试样。
69.在激光抛光完成后，通过视觉检测机构观察抛光是否达到预期效果，如否，则继续进行激光抛光，当达到预期抛光效果，即激光抛光完成。此时，打开充气阀2，使密封舱1内部与外界相连通，实现密封舱1内部的气压与外界的气压相同后，打开密封舱1的舱门，取出完成激光抛光的抛光试样，完成抛光试样在真空或多种气氛环境下的激光抛光。
70.虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。