一种金属表面激光发蓝处理装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属表面处理技术领域，涉及一种金属表面发蓝处理的装置和方法，尤其是一种利用激光对金属表面发蓝处理的装置和方法。
【背景技术】
[0002]发蓝工艺是一种材料保护技术，其实质是钢铁等金属表面通过化学反应，主要是氧化反应，从而生成一种均匀致密、有一定厚度、附着力强、耐蚀性能好的蓝黑色氧化膜，起到美化、耐腐蚀和保护工件的作用。目前金属表面发蓝的主要工艺有:热碱发蓝、常温发蓝、石墨流态床发蓝、电阻加热发蓝、铅浴加热发蓝、电磁感应加热发蓝和含氧蒸汽发蓝。这些工艺主要存在的问题是，工件发蓝的程度很难实时监控，只能通过对完成发蓝处理后样品的测试评估，并调整发蓝溶液、时间等参数，以获得最佳的工艺参数，给实际生产加工带来不便，同时容易造成浪费和环境污染。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种基于激光辐照的金属表面发蓝处理装置和方法，可通过对激光参数的实时监测，进而对发蓝处理过程进行实时控制，具有操作简单、处理过程可控等特点。
[0004]本发明的解决技术方案为:
[0005]—种金属表面激光发蓝处理装置，包括激光器、光束整形系统和散射光监测系统；激光器的出射光束经过光束整形系统匀化和整形后入射至待发蓝工件表面，散射光监测系统用于待发蓝工件表面的散射光强信号进行监测。
[0006]上述金属表面激光发蓝处理装置中，散射光监测系统包括积分球、光电探测器和信号记录仪，待发蓝工件设置在积分球的输出口位置，入射光束经积分球的输入口入射至待发蓝工件的表面，待发蓝工件表面的散射光经过积分球收集后，由在积分球上设置的光电探测器和后端的信号记录仪记录散射光的强度幅值信号。
[0007]上述金属表面激光发蓝处理装置中，光束整形系统包括扩束镜和限孔光阑。
[0008]上述金属表面激光发蓝处理装置中，光束整形系统包括微透镜阵列和限孔光阑。
[0009]上述金属表面激光发蓝处理装置中，激光器为连续或重频脉冲激光器。
[0010]上述金属表面激光发蓝处理装置中，待发蓝工件表面为平面。
[0011]上述金属表面激光发蓝处理装置中，激光均匀入射至待发蓝工件的整个表面。
[0012]上述金属表面激光发蓝处理装置中，待发蓝工件的材料为铁、镍、铝等常用金属材料以及碳钢等常用合金材料。
[0013]一种金属表面发蓝的方法，包括以下步骤:
[0014][I]对待发蓝工件表面进行打磨抛光和清洁处理；
[0015][2]激光对待发蓝工件表面进行加热，实现发蓝处理；
[0016][3]散射光监测系统实时监测待发蓝工件表面的散射光信号，并与事先获取的金属表面散射光信号与工件表面发蓝程度的关系进行比较，实现对发蓝过程的监测；
[0017][4]根据监测的金属表面散射光信号控制激光器的开启和关闭，获得所需要的发蓝工件。
[0018]本发明具有的有益效果如下:
[0019]1、本发明提出了一种基于激光辐照金属表面的发蓝处理工艺，利用激光辐照到铁、镍等金属表面，在空气中发生氧化反应，使得金属表面产生致密的氧化膜，实现金属表面的发蓝，达到美化、耐腐蚀和保护工件的目的。
[0020]2、本发明在发蓝处理中，通过实时监测激光的散射光信号随时间的变化，并与事先标定获取的散射光信号与发蓝程度的关系结果相比较，实现对工件的发蓝过程的实时监测，并随时开启或停止激光器，达到对发蓝过程的控制，具有环境污染小，能量利用率高等特点，尤其适用于批量试件的发蓝处理。
[0021]3、本发明的发蓝处理可根据工件的材料、种类和尺寸改变激光器的参数来实现，比如激光扩束或聚焦、大功率或小功率、连续或重频脉冲等，具有较强的适应性。
【附图说明】
[0022]图1是本发明可实时监控的金属表面激光发蓝处理装置示意图；
[0023]图2为金属工件在激光发蓝过程中散射光信号随时间变化规律；
[0024]其中I一激光器；2—光束；3—光束整形系统；4一积分球；5—光电探测器；6—待发蓝工件；7—信号记录仪。
【具体实施方式】
[0025]下面以给金属铁表面进行发蓝处理为例，介绍本发明的加工原理。
[0026]如图1所示，激光器I输出的光束2经过光束整形系统3光束均匀化和整形后，通过积分球4的输入口入射至待发蓝工件6的表面，待发蓝工件6设置在积分球4的输出口位置，其表面的散射光经过积分球收集后，由在积分球4上设置的光电探测器5和后端的信号记录仪7记录散射光的强度幅值信号。光电探测器5的型号可根据激光束的实际功率和波长进行选取。
[0027]当具有一定功率密度的激光束可以快速加热金属铁表面，在空气环境中，被加热的铁表面能快速同空气中的氧气发生氧化反应，生成数层致密的氧化膜，也就是发蓝过程。
[0028]对于金属铁而言，通过激光功率控制样品的表面温度，使其低于570°C，由铁-氧相图，氧化膜主要由外层的Fe2O3和内层的Fe 304组成。其中Fe 203对激光基本透明，对入射的激光产生干涉作用，Fe3O4则强烈吸收激光，随着氧化膜的增厚，样品对激光的散射光将呈现出周期性衰减的特征。这就说明不同的氧化膜厚对应特定的散射光强，如此即可直接测量散射光信号，实现对金属表面发蓝程度的监测。
[0029]为保证发蓝效果的均匀性，所用激光束必须整形为均匀的光斑，并且是激光光斑辐照于整个工件平面，以实现均匀加热。若工件尺寸较大，由于散热的影响，会导致工件表面温度不均匀，此时可通过重频激光加热的方式，并对工件整体温度加以控制，亦可实现表面的均匀发蓝处理。<