基于激光器阵列和集束光纤的高功率激光清洗系统的制作方法

本发明涉及激光表面处理技术领域，具体涉及一种基于激光器阵列和集束光纤的高功率激光清洗系统。

背景技术：

在工业生产和日常生活中，各类设备和产品表面会不可避免的附着来自环境的或自身运行产生的各类污染物。这些污染物会对设备和产品的表面美观和功能性能产生严重影响。此外，在船舶和飞机的日常维护中，由于船舶常年处在高盐分潮湿的环境中，船舶的各处非常容易锈蚀，同样的，飞机的定期维保过程中也需要对表面漆层进行彻底的去除。

目前常规的做法是采用一系列物理或者化学的清洁手段来去除这些污染物。手工/机械打磨法存在费时费力、容易损伤基底、工作环境差等缺点；化学清洗法存在清洗选择性强、化学药剂的回收和排放处理很难、环境污染严重等问题；喷丸清洗法存在成本较高、劳动强度大、对操作者危害大等缺点。因此，常规的清洁技术和方法存在环境污染、效率低下、劳动强度大、易损物件等缺点。

因此，应运而生了一种激光清洗技术，激光清洗利用高能量密度的激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净化的工艺过程。激光辐照待清洗物体表面至少可以产生三个方面的作用：1)热膨胀效应，即利用基底与表面污染物对某一波长激光能量吸收系数的差别，使基底物质与表面污物吸收能量产生热膨胀，从而克服基底对污染物的吸附力而脱落；2)分子的光分解或相变，即在瞬间使污垢分子或使人为涂上的辅助液膜汽化、分解、蒸发或爆沸，使表面污垢松散并随此作用脱离基底表面；3)激光脉冲的冲击振动效应，利用高频率的脉冲激光辐照待清洗表面，使光束转变为声波产生共振使污垢层或凝结物振动碎裂。激光清洗技术具有绿色环保、精细精准、无损微损、远程高效等优点，能够有针对性的调节激光参数，对多种表面污染物进行安全有效的清洗。

现有的激光清洗系统尽管在激光器类型、激光参数、操作方法上存在差异，但主要都是利用脉冲或者连续激光作为单一能量场作用于对象表面，使得清洗的效果受到一定局限；并且激光器功率较小，清洗效率也会受到限制。特别是一些采用单光纤输出的激光器，当待清洗工件的宽度较大时，需要增大工件表面与光束调整系统之间的距离，从而会导致照射在工件表面的激光光斑面积过大而使其能量密度过低，无法保证清洗质量和清洗效率。

解决以上问题成为当务之急。

技术实现要素：

为解决现有激光清洗系统清洗质量和效率低下的技术问题，本发明提供了一种基于激光器阵列和集束光纤的高功率激光清洗系统。

其技术方案如下：

一种基于激光器阵列和集束光纤的高功率激光清洗系统，其要点在于，包括激光器阵列、集束光纤以及与集束光纤输出端连接的激光输出头，所述激光器阵列包括若干阵列分布的激光器单元，所述集束光纤包括由若干与各个激光器单元一一对应的传输光纤集束而成，各个激光器单元产生的激光分别经对应的传输光纤传输到激光输出头，并由激光输出头准直、整形和聚焦后向外输出。

采用以上结构，多个激光器单元产生的激光通过集束光纤传输到激光输出头输出，并且，通过对激光器阵列的单元化、模块化设计，可独立控制每个激光器单元来控制总输出功率，每个激光器单元可同步输出，也可独立控制输出功率、重复频率等参数。与传统的单路激光清洗技术相比，输出激光的能流密度高，可以快速达到需要的能量进行激光清洗，极大提高了清洗效率和清洗效果，增大了适用范围，能够实现高效率、大范围、高质量、低成本的激光清洗作业。

作为优选：所述激光器单元各自通过一根输出光纤将激光引入对应传输光纤的输入端中。采用以上结构，相比空间直接传输的方式，更加稳定可靠，抗外界干扰能力强。

作为优选：所述集束光纤的输入端与各根输出光纤的输出端之间通过光纤激光耦合部件连接，以将各根输出光纤输出的激光耦合进对应的传输光纤中。采用耦合部件连接的方式，灵活性高，易于根据实际情况调整耦合光纤的数量。

作为优选：各根所述输出光纤的输出端分别对应传输光纤的输入端熔接。采用熔接的方式，能量衰减小。

作为优选：在所述集束光纤的输入端设置有空间激光光耦合部件，各个激光器单元发出的激光均射向该空间激光光耦合部件，并通过空间激光光耦合部件引入对应传输光纤的输入端中。采用以上结构，相比光纤传输的方式，成本更低。

作为优选：各根所述传输光纤的输出端或为直线阵列分布，或为矩形阵列分布，或为圆形阵列分布。采用以上结构，能够根据具体的应用场景进行灵活地选择，针对不同幅面的清洗场景，集束光纤可以用多种形式排列，提高工作效率。

作为优选：所述激光输出头包括依次布置的耦合准直镜单元、振镜单元、光束整形匀化单元和光束聚焦单元，各根传输光纤的输出端与耦合准直镜单元的输入端连接。采用以上结构，激光束经过耦合准直镜单元的准直作用变为平行光，平行激光束经过振镜单元，振镜镜片在振镜电机的驱动下摆动，从而使振镜镜片的反射光斑在空间移动，该光斑再经过整形匀化单元，形成能量分布均匀的光斑，最后由光束聚焦单元聚焦到清洗对象表面形成清洗激光。其中，通过光束整形匀化单元形成的均匀能流密度的光斑，避免了清洗过程中点斑衔接时存在的清洗不均匀现象。

作为优选：在所述激光输出头上设置有辅助单元，该辅助单元包括用于收集激光输出头附近扬尘的集尘装置和用于对激光输出头窗口玻璃吹气的吹气装置。采用以上结构，能够保证激光清洗持续高效地进行。

作为优选：还包括水冷单元，该水冷单元的循环水路流经激光器阵列、集束光纤和激光输出头。采用以上结构，能够有效地对激光器阵列、集束光纤和激光输出头进行散热，保证激光清洗的稳定进行。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上技术方案的基于激光器阵列和集束光纤的高功率激光清洗系统，结构新颖，设计巧妙，通过激光器阵列配合集束光纤能够灵活地控制输出激光束的总能流大小，输出激光的能流密度高，可以快速达到需要的能量进行激光清洗，极大提高了清洗效率和清洗效果，增大了适用范围，能够实现高效率、大范围、高质量、低成本的激光清洗作业。

附图说明

图1为本发明采用光纤传输方式，通过光纤激光耦合部件耦合输出光纤和传输光纤的示意图；

图2为本发明采用光纤传输方式，输出光纤与传输光纤熔接的示意图；

图3为本发明采用空间直接传输方式的示意图；

图4为激光输出头其中一个实施方式的示意图；

图5为传输光纤输出端排列方式的示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1-图3所示，一种基于激光器阵列和集束光纤的高功率激光清洗系统，包括激光器阵列1、集束光纤2以及与集束光纤2输出端连接的激光输出头3，所述激光器阵列1包括若干阵列分布的激光器单元11，所述集束光纤2包括由若干与各个激光器单元11一一对应的传输光纤21集束而成，各个激光器单元11产生的激光分别经对应的传输光纤21传输到激光输出头3，并由激光输出头3准直、整形和聚焦后向外输出，对待清洗工件8进行清洗，激光清洗的对象包括但不限于：金属表面漆层、锈层的去除；金属表面氧化层去除；焊接前预处理与焊接后处理；复合材料表面涂层的去除等。

各个激光器单元11与对应传输光纤21的传输主要有光纤传输和空间直接传输两种方式，激光器单元11的激光输出工作方式可以为连续、准连续或脉冲输出，包括但不限于nd:yag固体激光器、teaco2激光器、光纤激光器或半导体激光器中的任意一种。通过对激光器阵列1的单元化、模块化设计，可独立控制每个激光器单元11来控制总输出功率，每个激光器单元11可同步输出，也可独立控制输出功率、重复频率等参数。

关于光纤传输：请参见图1和图2，所述激光器单元11各自通过一根输出光纤12将激光引入对应传输光纤21的输入端中。具体地说，各输出光纤12与对应传输光纤21的连接方式主要有以下两种：

方式一：请参见图1，所述集束光纤2的输入端与各根输出光纤12的输出端之间通过光纤激光耦合部件7连接，以将各根输出光纤12输出的激光耦合进对应的传输光纤21中。采用耦合部件连接的方式，灵活性高，易于根据实际情况调整耦合光纤的数量。

方式二：请参见图2，各根所述输出光纤12的输出端分别对应传输光纤21的输入端熔接。采用熔接的方式，能量衰减小。

关于空间直接传输：请参见图3，在所述集束光纤2的输入端设置有空间激光光耦合部件6’，各个激光器单元11发出的激光均射向该空间激光光耦合部件6’，并通过空间激光光耦合部件7’引入对应传输光纤21的输入端中。采用这种方式，相比光纤传输的方式，成本更低。

请参见图5，为了能够更好地适应于具体的应用场景，各根所述传输光纤21的输出端或为直线阵列分布，或为矩形阵列分布，或为圆形阵列分布。

请参见图4，所述激光输出头3包括依次布置的耦合准直镜单元31、振镜单元32、光束整形匀化单元33和光束聚焦单元34，各根传输光纤21的输出端与耦合准直镜单元31的输入端连接。激光束经过耦合准直镜单元31的准直作用变为平行光，平行激光束经过振镜单元32，振镜镜片在振镜电机的驱动下摆动，从而使振镜镜片的反射光斑在空间移动，该光斑再经过整形匀化单元33，形成能量分布均匀的光斑，最后由光束聚焦单元34聚焦到清洗对象表面形成清洗激光。其中的振镜单元32可使用一维振镜、二维振镜、三维振镜或者多面转镜等。光束整形匀化单元33可使用微透镜阵列、衍射光学元件等。光束聚焦单元34可使用场镜、复合透镜、非球面透镜等。

其中，所述振镜单元32包括第一扫描振镜321、第二扫描振镜322、用于调节第一扫描振镜321位置和姿态的第一扫描振镜电机323以及用于调节第二扫描振镜322位置和姿态的第二扫描振镜电机324。经过耦合准直镜单元31准直的平行光依次经第一扫描振镜321和第二扫描振镜322反射后射向整形匀化单元33。

请参见图1-图3，在所述激光输出头3上设置有辅助单元6，该辅助单元6包括用于收集激光输出头3附近扬尘的集尘装置和用于对激光输出头3窗口玻璃吹气的吹气装置。所述集尘装置可以采用hepa负压集尘装置，能够有效地收集处理清洗过程中产生的污染。所述吹气装置可以采用空压机，空压机产生压缩空气，向激光输出头3的窗口玻璃吹气，在窗口表面形成正压，保持窗口玻璃的洁净。

请参见图1-图3，本基于激光器阵列和集束光纤的高功率激光清洗系统还包括控制单元5，通过控制单元5的设置，能够控制整个系统的启动、运行和关闭。通过控制单元5还能够调整集束光纤2的输出方式和输出功率，并通过控制单元5的显示面板实时显示各激光器单元11的功率大小，以实现可控制的激光输出与不同幅面待清洗工件8的匹配。

请参见图1-图3，本基于激光器阵列和集束光纤的高功率激光清洗系统还包括水冷单元4，该水冷单元4的循环水路能够给激光器阵列1、集束光纤2和激光输出头3提供循环冷却水。

进一步地，在所述水冷单元4上还集成有电源，该电源给激光器阵列1、激光输出头3和控制单元5单元供电。

以下是本发明的一个实施例：

首先将待清洗工件8以安全稳固的方式合理地置于清洗台上，并将待清洗区域调整到合适的位置。机柜上电，打开系统电源，检查水冷却单元4、辅助单元6等模块的工作状态，对激光器阵列1、集束光纤2等各部分参数分别进行设定，将激光输出头3以合适的距离对准待清洗区域，打开激光输出头3的出光开关，多个激光器单元11组成的激光器阵列1产生激光，通过光纤激光耦合部件7使激光耦合进入集束光纤2，通过集束光纤2传输激光，集束光纤2另一端连接到激光输出头3。多个激光器单元11发出的多路激光束经由集束光纤2变成单路具有较大发散角的激光束，经过耦合准直镜单元31变为平行光，光斑的形状由集束光纤2横截面的传输光纤21排列形状决定。通过激光输出头3内的光束整形匀化单元33将激光整形成清洗粗线状光斑，再经过光束聚焦单元34，形成均匀能流密度的光斑。清洗光从激光输出头3输出，到达清洗台完成激光清洗工作。清洗结束后关闭输出的出光开关，检查各模块工作状态，关闭系统电源，机柜断电。

本实施例中，采用了5台脉冲光纤激光器组成激光器阵列1，其中每台激光器的参数为：中心波长：1064±1nm；输出方式：脉冲输出；最高平均功率500w；脉宽：40-250ns；重复频率：20khz-230khz；最大单脉冲能量20mj。集束光纤2采用5路输入和1路输出的结构，其中5组传输光纤5的纤芯直径为200μm。集束光纤的5路传输光纤5的输入端与5台脉冲光纤激光器通过输出光纤12耦合连接，集束光纤2的输出端口的光纤排布形式为“一”字形线状排列，组成最高输出功率为2500w的激光清洗光源；该激光清洗系统的扫描装置参数如下：二维振镜扫描单元，工作波长1064nm，最大输入光斑直径20mm；f-theta平场聚焦透镜，透镜焦距为420mm，扫描幅面290*290mm。扫描光斑的线宽可达290mm，对铝合金基材表面的油漆涂层实施了激光清洗，清洗速度达60㎡/h，实现了高效率激光清洗。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。