一种小能量激光高效清洗钢材表面锈层的方法和装置与流程

本发明涉及一种钢材表面锈蚀的清洗方法及装置，具体来说是一种小能量激光高效清洗钢材表面锈层的方法和装置。

背景技术

对于钢铁表面的锈蚀，目前的除锈方法有：喷砂除锈，抛丸除锈，酸洗除锈，超声波除锈，高压水射流除锈法等。这些传统清洗技术大都是通过溶解、化学反应或施加机械力等手段来清除材料表面上的污染物，传统清洗技术不仅容易损伤工件表面，而且很难除去亚微米级的吸附粒子。正如公开号为cn102985193a的专利申请提出了一种除锈装置，该装置用于钢带表面的锈蚀去除，具体来说是将高压流体与研磨剂混合喷射在钢带表面，使研磨颗粒高速冲击钢带表面的锈蚀，从而达到去除锈蚀的目的，这种机械除锈方法简单易操作，是目前工业应用最广泛的方法之一，但这种方法也有一些不足：(1)对于空间很小的基体如窄缝，夹角等区域，很难将锈蚀去除干净；(2)很难除去微米级或更小尺寸的污染物，去污效果不彻底；(3)研磨颗粒会镶嵌残留在冲击坑里，造成二次污染。

其次，传统清洗方法往往会造成更大范围的新污染，给后续的工作带来不便，如公开号为cn104451727a的专利申请提出的一种利用除锈剂去除金属表面锈蚀的方法，该方法是将硅酸钠、磷酸、十二烷基硫酸钠、次磷酸钙等试剂按一定比例混合制成除锈剂，该发明能在不腐蚀钢铁的前提下去除锈蚀，且试剂成分的成本低廉，可大规模推广使用，但也存在着一些缺陷：(1)清洗完后的废液处理不当很容易污染环境；(2)清洗完后的钢铁表面还需二次清洗除锈剂，增加工作量。

激光清洗技术因为其与清洗材料无接触、可准确定位、可实时控制与反馈、对清洗对象有选择性及清洗过程无污染等优点，已成为当今炙手可热的新颖清洗技术。如专利号为cn101332541b的专利提出了一种金属表面的短脉冲激光清洗方法，该专利主要针对钛合金、铝合金等焊前表面的一层氧化薄膜在保护气氛下进行激光清洗，采用光斑搭接处理金属表面和双面倾斜激光入射方式处理端面，获得比常规激光清洗更高的表面质量，但是这种方式仅限于薄层污染物，不适用于厚且不均匀的污染层。

利用激光产生冲击波进行清洗的方法也层出不穷，如专利号为cn103100537b的专利申请提出了一种水下激光清洗方法及清洗头，该方法是用光纤将激光引入水下，经会聚透镜产生空化泡，利用空化泡产生的冲击波实现对材料表面的清洗。这种方法简单易实现，开拓激光清洗新领域，但也存在着一些缺点：(1)废料不易收集处理，浪费水资源；(2)在水下处理易生锈的钢铁等材料时，材料容易返锈。公开号为cn107321720a的专利申请提出了一种高效激光清洗技术，该方法是利用激光照射热膨胀微胶囊，在待清洗物表面的液膜中逸出的发泡剂产生爆炸性气化，使基底表面污染物松散后脱离物件表面，从而达到激光清洗的目的。这种方法使激光清洗的效率有了一定的提高，但是也存在一定的缺陷：(1)预处理复杂，热膨胀微胶囊的制备过程繁琐；(2)清洗后的材料表面还需二次处理，增加工作量。

较传统的除锈方法比，激光除锈有很大的优势，但是对于一些不要求表面粗糙度等清洗质量的大面积清洗，相对于喷砂清洗来说，激光清洗的效率不高，且激光清洗的成本较高，目前仅适用于中高端市场，应用领域有局限。因此，降低激光清洗成本，提高激光清洗的清洗效率是当务之急。

技术实现要素：

本发明所述的小能量激光高效清洗钢材表面锈层的方法和装置。该发明

针对目前对锈蚀等氧化层的清洗功耗大，效率低，不环保等问题，为了提高激光清洗的效率，降低清洗成本，本发明提出了一种小能量激光高效清洗钢材表面锈层的方法和装置，将小能量激光作为引燃装置，引起锈蚀表面及内部的粉尘发生爆炸，使锈蚀层破碎剥落，去除钢材表面锈蚀。弥补目前清洗技术所存在的不足，在节约成本的前提下提高清洗效率并保证清洗质量，符合工业发展的需求。

本发明的技术方案之一是：

一种小能量激光高效清洗钢材表面锈层装置，其特征在于，包括载气式送粉系统、激光清洗系统、废料收集系统和检测控制系统；

激光清洗系统包括激光器、反光镜和锥形斗，所述激光器发射的激光通过反光镜反射后进入锥形斗，所述锥形斗位于试样台上方；

所述载气式送粉系统包括粉末储存仓、混合室、气体输送管、气体储存罐、浓度传感器、阀门以及出粉口，所述气体输送罐通过气体输送管与混合室连通，粉末储存仓通过与与混合室连通，粉末储存仓内设有螺旋送粉杆，螺旋送粉杆由旋转电机驱动；所述浓度传感器设置在混合室内，混合室的出粉口位于试样台的上方，且出粉口处设置有阀门；

废料收集系统包括集尘装置、废料运输管及废料仓，所述集尘装置设置在试样台的上方、且通过废料运输管与废料仓连通；

检测控制系统包括控制系统、ccd图像传感器、固定平台、移动伸缩平台，ccd图像传感器安装在箱体外，与箱体内的安装的出粉口、锥形斗、集尘装置在同一直线上，用于采集清洗完成后样品表面的图像，箱体通过螺母固定在固定平台上，带锈蚀层的试样放置在移动伸缩平台上，移动伸缩平台在固定平台上移动；

所述激光器、移动伸缩平台、旋转电机、浓度传感器、阀门、ccd图像传感器均由控制系统控制；

所述控制系统通过旋转电机控制螺旋送粉杆的送粉量，根据浓度传感器所检测数据控制阀门的开闭，根据ccd图像传感器检测试样表面是否有残留锈蚀，对试样表面进行再处理，直至获得清洁表面。

进一步地，所述的出粉口是锥形斗，且底部距锈蚀面0.5-1mm。

进一步地，所述锥形斗由防爆板制成。

本发明的技术方案之二是：

一种小能量激光高效清洗钢材表面锈层的方法，其特征在于，

将可燃粉尘喷吹在锈蚀表面及裂缝处，以小能量激光作为热源引燃粉末，燃粉末爆炸，释放的热量，产生高温高压，形成热传导及火焰辐射，在锈蚀面及内部产生爆炸，爆炸冲击波的热-力效应使锈蚀层碎裂剥落，钢材表面锈蚀被清除干净。

进一步地，所述小能量激光高效清洗钢材表面锈层的方法包括以下几个步骤：

a)将锈蚀试样放置在移动伸缩平台上，调节焦距；

b)关闭阀门、开启浓度传感器，利用载气式送粉装置将气体和粉末在混合室内充分混合；

c)混合粉末达到爆炸浓度值时，开启阀门，混合粉末经出粉口被喷吹在锈蚀面上；

d)开启激光器，激光束照射锈蚀表面粉末，锈蚀表面及内部发生小区域爆炸，使锈蚀层碎裂剥落；

e)集尘装置收集剥落的锈蚀、粉末及产生的烟尘；

f)移动伸缩平台匀速向右运动，除锈工作持续进行；

g)ccd图像传感器检测试样表面是否有残留锈蚀，进行反馈；

h)控制系统根据反馈信息对试样表面进行再处理，直至获得清洁表面。

进一步地，所用气体是n2或者co2。

进一步地，所述可燃粉末是镁粉、铝粉、碳粉中的一种或多种的混合物。

进一步地，所述钢材表面锈层的锈蚀等级为c、d级。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用激光引燃粉尘产生爆炸冲击波，去除钢材表面锈蚀层，大幅提高清洗效率。

(2)本发明所用激光能量较小，保证清洗表面质量的同时降低了成本。

(3)本发明装置结构简单、操作方便。

附图说明

图1为本发明所述小能量激光高效清洗钢材表面锈层装置的结构示意图。

图2为本发明所述小能量激光高效清洗钢材表面锈层的方法的工作原理流程图。

图中：1、激光器；2、反光镜；3、锥形斗；4、螺母；5、固定平台；6、移动伸缩平台；7、控制系统；8、旋转电机；9、螺旋送粉杆；10、粉末；11、粉末储存仓；12、混合室；13、气体输送管；14、气体储存罐；15、浓度传感器；16、感应头；17、阀门；18、出粉口；19、集尘装置；20、废料运输管；21、废料仓；22、试样；23、锈蚀层；24、ccd图像传感器；25、箱体。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的小能量激光高效清洗钢材表面锈层的装置，包括载气式送粉系统、激光清洗系统、废料收集系统和检测控制系统。

激光清洗系统包括激光器1、反光镜2和锥形斗3，所述激光器1发射的激光通过反光镜2反射后进入锥形斗3，所述锥形斗3位于试样台上方。

载气式送粉系统包括气体储存罐14、气体输送管13、粉末储存仓11、混合室12、浓度传感器15、阀门17以及出粉口18。所述气体输送罐14通过气体输送管13与混合室12连通，粉末储存仓11设置在箱体25内部、且与混合室12连通，粉末储存仓11内设有螺旋送粉杆9，螺旋送粉杆9由旋转电机8驱动；所述浓度传感器15设置在混合室12内，混合室12的出粉口18位于试样台的上方，且出粉口18处设置有阀门17。

废料收集系统包括集尘装置19、废料运输管20及废料仓21，所述集尘装置19设置在试样台的上方、且通过废料运输管20与废料仓21连通。

检测控制系统包括控制系统7、ccd图像传感器24、固定平台5、移动伸缩平台6，ccd图像传感器24安装在箱体25外，与箱体25内的安装的出粉口18、锥形斗3、集尘装置19在同一直线上，用于采集清洗完成后样品表面的图像，箱体25通过螺母4固定在固定平台5上，带锈蚀层23的试样22放置在移动伸缩平台6上，移动伸缩平台6在固定平台5上移动；所述激光器1、移动伸缩平台6、旋转电机8、浓度传感器15、阀门17、ccd图像传感器24均由控制系统7控制；所述控制系统7通过旋转电机8控制螺旋送粉杆9的送粉量，根据浓度传感器15所检测数据控制阀门17的开闭，根据ccd图像传感器检测试样表面是否有残留锈蚀，对试样表面进行再处理，直至获得清洁表面。

带锈蚀层23的试样22放置在移动伸缩平台6上，移动伸缩平台6在固定平台5上移动，完成后续的清洗动作。

气体存储罐14设置在箱体25外，粉末储存仓11设置在箱体25内，箱体25由螺母4固定在固定平台5上。开始清洗前先在锈蚀面喷吹粉末，即旋转电机8带动螺旋送粉杆9转动，使粉末进入混合室12，和气体混合后，当浓度传感器15所检测数据达到爆炸浓度后，开启阀门17，混合粉末经出粉口18被喷吹向锈蚀表面及缝隙，完成粉末喷吹动作。所述的出粉口18是锥形斗，增加气体压力，且底部距锈蚀面0.5-1mm，保证粉末喷吹覆盖在锈蚀面上。

激光器1出射的激光经反光镜2进入锥形斗3，照射在锈蚀面的粉末上，点燃可燃粉末产生爆炸冲击，使锈蚀碎裂剥落。所述锥形斗3由防爆板制成，作用是防止崩落的锈蚀四处飞溅。

如图2所示，本发明所述的小能量激光高效清洗钢材表面锈层的方法，利用粉尘爆炸原理，将可燃性粉尘和气体充分混合后，达到一定浓度时被喷吹在锈蚀表面及裂缝处，形成沉积粉尘，小能量激光照射在粉尘上，粉尘集聚大量的热并释放，形成爆炸冲击，使锈蚀层碎裂从材料基体上剥落。具体的，它包括以下步骤：

a)将试样22放置在移动伸缩平台6上，调节焦距；

b)关闭阀门17、开启浓度传感器15，利用载气式送粉装置将气体(n2)和粉末10(可燃性粉末)在混合室12内充分混合；

c)达到粉尘爆炸的浓度值时，开启阀门17，混合粉末经出粉口18被喷吹向锈蚀面23；

d)开启激光器1，小能量光束照射在锈蚀面23的粉末上，发生小区域爆炸，使锈蚀块碎裂剥落；

e)集尘装置19收集剥落的锈蚀、粉末及产生的烟尘；

f)移动伸缩平台6匀速向右运动，除锈工作持续进行；

g)ccd图像传感器24检测试样表面是否有残余锈蚀，进行反馈；

h)控制系统7根据反馈对试样22表面进行再处理，直至获得清洁表面。

以使用本发明方法及装置清洗ah32船用钢板表面锈蚀为例。激光器1采用单脉冲能量密度可达20j/cm²的ylp系列光纤脉冲激光器。实施具体过程如下：

a)将表面有锈蚀的ah32试样块22放置在移动伸缩平台6上，调节焦距；

b)关闭阀门17、开启浓度传感器15，利用载气式送粉装置将n2和镁粉10在混合室12内充分混合；

c)浓度值达到0.01-0.025mg/cm³时，打开阀门17，混合粉末经出粉口18被喷吹向锈蚀面23；

d)开启激光器1，能量为0.01-0.015mj的激光束照射在锈蚀面23的镁粉上，发生小区域爆炸，使锈蚀块碎裂剥落；

e)集尘装置19收集剥落的锈蚀、镁粉及产生的烟尘；

f)移动伸缩平台6匀速向右运动，除锈工作持续进行；

g)ccd图像传感器24检测ah32试样表面是否还残留有锈蚀，进行反馈；

h)控制系统7根据反馈对试样22表面进行再处理，直至获得清洁表面。

根据vhx-600超景深三维显微系统观测的三维形貌结果，利用本发明获得的清洗表面与机械除锈表面相比，表面平整，粗糙度接近原始基体粗糙度，清洗表面质量较好。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。