一种去除钛合金表面氧化皮的激光清洗方法

摘要

本发明公开了一种去除钛合金表面氧化皮的激光清洗方法，属于钛合金清洗技术领域，其特征在于，包括以下步骤：a、激光聚焦于工件，启动控制器；b、调整激光头角度，使激光束沿清洗面法向方向射入；c、开启烟雾净化器和扫描振镜，启动脉冲激光器，清洗钛合金表面氧化皮；d、清洗完预设次数后，激光清洗停止；e、目视观察清洗区域是否清洗干净，已清洗区域露出钛合金金属光泽，没有氧化皮残留为清洗干净，否则重复步骤b‑步骤d。本发明利用脉冲激光束作用于钛合金表面氧化皮，使氧化皮发生熔化、汽化和烧蚀物理化学变化从而被彻底去除，去除方法绿色环保、效率高并且不损伤钛合金表面，极大的提高了清除效果。

说明书

技术领域

本发明涉及到钛合金清洗技术领域，尤其涉及一种去除钛合金表面氧化皮的激光清洗方法。

背景技术

钛合金具有优良耐蚀性、密度小、高比强度及较好的韧性和焊接性的特点。在航空航天领域得到广泛的应用。在航空制造应用中，钛合金经过高温热成型后，其表面易形成一层致密的氧化皮，既影响其外观、与其他涂层的结合力，又对后续的焊接质量具有非常明显的负作用。由于表面氧化皮与部件连接紧密，如果工件形状复杂，就会加大表面氧化皮去除难度。

国内对于钛合金氧化皮去除主要采用碱爆工艺，即先浸入熔融碱中然后酸洗，此种方法易造成钛合金半成品过早时效强化，可能使钛合金表面氢脆腐蚀，且此工艺生产环境差、能源消耗大、环境污染严重。另外一种方法是酸洗，氢氟酸、硝酸用量较高，酸雾挥发污染严重，并且会增加钛合金吸氢量。

公开号为CN 107338449A，公开日为2017年11月10日的中国专利文献公开了一种钛合金表面氧化皮激光清洗方法，其步骤为：

1)用毛刷将含氧化皮的钛合金表面在水中进行刷洗，是为了去除钛合金表面大颗粒物质；

2)将步骤1)中的样置于激光清洗器下，调整激光清洗器参数，对钛合金表面的氧化皮进行清洗；

3)将步骤2)中清洗好的样经过水洗5s后，再用酒精擦拭，最后用吹风机吹干即可得到干净且光亮的钛合金表面；利用3D视频显微镜对清洗后的钛合金表面进行观察未发现基体损伤。

该专利文献公开的钛合金表面氧化皮激光清洗方法，虽然能够清洗钛合金表面，但是钛合金表面的氧化皮很难被彻底清除，清除效率低，清除效果欠佳。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种去除钛合金表面氧化皮的激光清洗方法，本发明利用脉冲激光束作用于钛合金表面氧化皮，使氧化皮发生熔化、汽化和烧蚀物理化学变化从而被彻底去除，去除方法绿色环保、效率高并且不损伤钛合金表面，极大的提高了清除效果。

本发明通过下述技术方案实现：

一种去除钛合金表面氧化皮的激光清洗方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将钛合金固定在清洗平台上，将激光清洗设备移到工作工位，调节激光清洗头与工件的距离，使激光聚焦于工件，启动控制器；

b、通过控制器设定工艺参数，设定平均功率为20-200W、激光重复频率为10-200kHz、可调脉宽为8-500ns和脉冲能量为0.5-20mJ，调整激光头角度，使激光束沿清洗面法向方向射入；

c、通过控制器开启烟雾净化器和扫描振镜，启动脉冲激光器，开始清洗钛合金表面氧化皮；

d、清洗完预设次数后，关闭脉冲激光器、扫描振镜和烟雾净化器，激光清洗停止；

e、目视观察清洗区域是否清洗干净，已清洗区域露出钛合金金属光泽，没有氧化皮残留为清洗干净，否则重复步骤b-步骤d，直至清洗干净。

所述激光清洗设备包括脉冲激光器、控制器、烟雾净化器和激光清洗头，脉冲激光器、烟雾净化器和光束调节装置分别与控制器电连接；脉冲激光器输出激光至激光清洗头；激光清洗头中设置有光束调节装置，光束调节装置包括准直隔离器、扩束镜、场镜和扫描振镜，用于对激光进行调节输出，准直隔离器的一端与脉冲激光器电连接，另一端与扩束镜连接，扩束镜与扫描振镜连接；烟雾净化器包括净化器和吸尘软管，吸尘软管安装在激光清洗头上；控制器，用于控制脉冲激光器和烟雾净化器的运作以及光束调节装置的光束调节。

所述脉冲激光器为百纳秒级光纤脉冲激光器。

所述脉冲激光器输出的激光波长为1064nm、激光平均功率为20-200W、激光重复频率为10-1000kHz、可调脉宽为8-500ns、激光光斑直径为0.03-0.1mm和脉冲能量为0.5-20mJ。

所述钛合金表面氧化皮厚度为1-20μm时，激光功率选择80-120W、脉宽选择200-300ns和移动速度选择1.2-1.8m/min；钛合金表面氧化皮厚度为20-30μm时，激光功率选择120-160W，脉宽选择200-300ns和移动速度选择1.2-1.8m/min；钛合金表面氧化皮厚度在30μm以上时，激光功率选择160-200W，脉宽选择200-300ns和移动速度选择0.6-1.2m/min。

所述控制器通过光束调节装置实现输出激光扫描，激光扫描线的相邻光斑中心间距小于光斑半径的

本发明的有益效果主要表现在以下方面：

1、本发明，“a、将钛合金固定在清洗平台上，将激光清洗设备移到工作工位，调节激光清洗头与工件的距离，使激光聚焦于工件，启动控制器；b、通过控制器设定工艺参数，设定平均功率为20-200W、激光重复频率为10-200kHz、可调脉宽为8-500ns和脉冲能量为0.5-20mJ，调整激光头角度，使激光束沿清洗面法向方向射入；c、通过控制器开启烟雾净化器和扫描振镜，启动脉冲激光器，开始清洗钛合金表面氧化皮；d、清洗完预设次数后，关闭脉冲激光器、扫描振镜和烟雾净化器，激光清洗停止；e、目视观察清洗区域是否清洗干净，已清洗区域露出钛合金金属光泽，没有氧化皮残留为清洗干净，否则重复步骤b-步骤d，直至清洗干净”，利用脉冲激光束作用于钛合金表面氧化皮，使氧化皮发生熔化、汽化和烧蚀物理化学变化从而被彻底去除。较现有技术而言，去除方法绿色环保、效率高并且不损伤钛合金表面，极大的提高了清除效果。

2、本发明，激光清洗设备包括脉冲激光器、控制器、烟雾净化器和激光清洗头，脉冲激光器、烟雾净化器和光束调节装置分别与控制器电连接；脉冲激光器输出激光至激光清洗头；激光清洗头中设置有光束调节装置，光束调节装置包括准直隔离器、扩束镜、场镜和扫描振镜，用于对激光进行调节输出；准直隔离器的一端与脉冲激光器电连接，另一端与扩束镜连接，扩束镜与扫描振镜连接；烟雾净化器包括净化器和吸尘软管，吸尘软管安装在激光清洗头上；控制器，用于控制脉冲激光器和烟雾净化器的运作以及光束调节装置的光束调节，准直隔离器能够防治激光光束损伤脉冲激光器，扩束镜和场镜，实现光束整形，保证激光质量；采用吸尘软管将清洗产生的烟尘与颗粒收集至净化器中集中处理，产物主要为钛合金氧化皮金属蒸汽及大颗粒，吸尘软管集成在激光清洗头上，实现同步吸尘，清洗过程环保；所使用的激光清洗头为激光清洗钛合金表面氧化皮的执行机构，激光清洗头中内置光束调节装置，并且集成着吸尘软管，可实现清洗污物与收集清洗产物同步进行；控制器可设置脉冲激光器与扫描振镜的工作参数，决定脉冲激光器、扫描振镜及烟雾净化器的工作状态，保障整个清洗过程的稳定性和清洗质量。

3、本发明，钛合金表面氧化皮厚度为1-20μm时，激光功率选择80-120W、脉宽选择200-300ns和移动速度选择1.2-1.8m/min；钛合金表面氧化皮厚度为20-30μm时，激光功率选择120-160W，脉宽选择200-300ns和移动速度选择1.2-1.8m/min；钛合金表面氧化皮厚度在30μm以上时，激光功率选择160-200W，脉宽选择200-300ns和移动速度选择0.6-1.2m/min，可根据钛合金表面氧化皮厚度的不同，选择不同的工艺参数以达到更好的清洗效果，清洗灵活。

4、本发明，控制器通过光束调节装置实现输出激光扫描，激光扫描线的相邻光斑中心间距小于光斑半径的

5、本发明，整体清洗方法简单，易于操作，解决了传统碱爆工艺和酸洗工艺去除钛合金表面氧化皮存在损害钛合金工件、生产环境差、能源消耗大和环境污染严重的技术问题。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：

图1为本发明激光清洗设备的结构示意图；

图2为本发明钛合金表面氧化皮激光清洗示意图；

图中标记：1、激光清洗头，2、控制器，3、扫描振镜，4、脉冲激光器，5、准直隔离器，6、扩束镜，7、场镜，8、净化器，9、吸尘软管。

具体实施方式

实施例1

参见图1和图2，一种去除钛合金表面氧化皮的激光清洗方法，包括以下步骤：

a、将钛合金固定在清洗平台上，将激光清洗设备移到工作工位，调节激光清洗头1与工件的距离，使激光聚焦于工件，启动控制器2；

b、通过控制器2设定工艺参数，设定平均功率为20W、激光重复频率为10kHz、可调脉宽为8ns和脉冲能量为0.5mJ，调整激光头角度，使激光束沿清洗面法向方向射入；

c、通过控制器2开启烟雾净化器8和扫描振镜3，启动脉冲激光器4，开始清洗钛合金表面氧化皮；

d、清洗完预设次数后，关闭脉冲激光器4、扫描振镜3和烟雾净化器8，激光清洗停止；

e、目视观察清洗区域是否清洗干净，已清洗区域露出钛合金金属光泽，没有氧化皮残留为清洗干净，否则重复步骤b-步骤d，直至清洗干净。

利用脉冲激光束作用于钛合金表面氧化皮，使氧化皮发生熔化、汽化和烧蚀物理化学变化从而被彻底去除。较现有技术而言，去除方法绿色环保、效率高并且不损伤钛合金表面，极大的提高了清除效果。

实施例2

参见图1和图2，一种去除钛合金表面氧化皮的激光清洗方法，包括以下步骤：

a、将钛合金固定在清洗平台上，将激光清洗设备移到工作工位，调节激光清洗头1与工件的距离，使激光聚焦于工件，启动控制器2；

b、通过控制器2设定工艺参数，设定平均功率为60W、激光重复频率为60kHz、可调脉宽为100ns和脉冲能量为1mJ，调整激光头角度，使激光束沿清洗面法向方向射入；

c、通过控制器2开启烟雾净化器8和扫描振镜3，启动脉冲激光器4，开始清洗钛合金表面氧化皮；

d、清洗完预设次数后，关闭脉冲激光器4、扫描振镜3和烟雾净化器8，激光清洗停止；

e、目视观察清洗区域是否清洗干净，已清洗区域露出钛合金金属光泽，没有氧化皮残留为清洗干净，否则重复步骤b-步骤d，直至清洗干净。

所述激光清洗设备包括脉冲激光器4、控制器2、烟雾净化器8和激光清洗头1，脉冲激光器4、烟雾净化器8和光束调节装置分别与控制器2电连接；脉冲激光器4输出激光至激光清洗头1；激光清洗头1中设置有光束调节装置，光束调节装置包括准直隔离器5、扩束镜6、场镜7和扫描振镜3，用于对激光进行调节输出，准直隔离器5的一端与脉冲激光器4电连接，另一端与扩束镜6连接，扩束镜6与扫描振镜3连接；烟雾净化器8包括净化器8和吸尘软管9，吸尘软管9安装在激光清洗头1上；控制器2，用于控制脉冲激光器4和烟雾净化器8的运作以及光束调节装置的光束调节。

实施例3

参见图1和图2，一种去除钛合金表面氧化皮的激光清洗方法，包括以下步骤：

a、将钛合金固定在清洗平台上，将激光清洗设备移到工作工位，调节激光清洗头1与工件的距离，使激光聚焦于工件，启动控制器2；

b、通过控制器2设定工艺参数，设定平均功率为100W、激光重复频率为100kHz、可调脉宽为120ns和脉冲能量为3mJ，调整激光头角度，使激光束沿清洗面法向方向射入；

c、通过控制器2开启烟雾净化器8和扫描振镜3，启动脉冲激光器4，开始清洗钛合金表面氧化皮；

d、清洗完预设次数后，关闭脉冲激光器4、扫描振镜3和烟雾净化器8，激光清洗停止；

e、目视观察清洗区域是否清洗干净，已清洗区域露出钛合金金属光泽，没有氧化皮残留为清洗干净，否则重复步骤b-步骤d，直至清洗干净。

所述激光清洗设备包括脉冲激光器4、控制器2、烟雾净化器8和激光清洗头1，脉冲激光器4、烟雾净化器8和光束调节装置分别与控制器2电连接；脉冲激光器4输出激光至激光清洗头1；激光清洗头1中设置有光束调节装置，光束调节装置包括准直隔离器5、扩束镜6、场镜7和扫描振镜3，用于对激光进行调节输出，准直隔离器5的一端与脉冲激光器4电连接，另一端与扩束镜6连接，扩束镜6与扫描振镜3连接；烟雾净化器8包括净化器8和吸尘软管9，吸尘软管9安装在激光清洗头1上；控制器2，用于控制脉冲激光器4和烟雾净化器8的运作以及光束调节装置的光束调节。

所述脉冲激光器4为百纳秒级光纤脉冲激光器4。

所述脉冲激光器4输出的激光波长为1064nm、激光平均功率为100W、激光重复频率为100kHz、可调脉宽120ns、激光光斑直径为0.03mm和脉冲能量为3mJ。

激光清洗设备包括脉冲激光器4、控制器2、烟雾净化器8和激光清洗头1，脉冲激光器4、烟雾净化器8和光束调节装置分别与控制器2电连接；脉冲激光器4输出激光至激光清洗头1；激光清洗头1中设置有光束调节装置，光束调节装置包括准直隔离器5、扩束镜6、场镜7和扫描振镜3，用于对激光进行调节输出；准直隔离器5的一端与脉冲激光器4电连接，另一端与扩束镜6连接，扩束镜6与扫描振镜3连接；烟雾净化器8包括净化器8和吸尘软管9，吸尘软管9安装在激光清洗头1上；控制器2，用于控制脉冲激光器4和烟雾净化器8的运作以及光束调节装置的光束调节，准直隔离器5能够防治激光光束损伤脉冲激光器4，扩束镜6和场镜7，实现光束整形，保证激光质量；采用吸尘软管9将清洗产生的烟尘与颗粒收集至净化器8中集中处理，产物主要为钛合金氧化皮金属蒸汽及大颗粒，吸尘软管9集成在激光清洗头1上，实现同步吸尘，清洗过程环保；所使用的激光清洗头1为激光清洗钛合金表面氧化皮的执行机构，激光清洗头1中内置光束调节装置，并且集成着吸尘软管9，可实现清洗污物与收集清洗产物同步进行；控制器2可设置脉冲激光器4与扫描振镜3的工作参数，决定脉冲激光器4、扫描振镜3及烟雾净化器8的工作状态，保障整个清洗过程的稳定性和清洗质量。

实施例4

参见图1和图2，一种去除钛合金表面氧化皮的激光清洗方法，包括以下步骤：

a、将钛合金固定在清洗平台上，将激光清洗设备移到工作工位，调节激光清洗头1与工件的距离，使激光聚焦于工件，启动控制器2；

b、通过控制器2设定工艺参数，设定平均功率为150W、激光重复频率为150kHz、可调脉宽为300ns和脉冲能量为8mJ，调整激光头角度，使激光束沿清洗面法向方向射入；

c、通过控制器2开启烟雾净化器8和扫描振镜3，启动脉冲激光器4，开始清洗钛合金表面氧化皮；

d、清洗完预设次数后，关闭脉冲激光器4、扫描振镜3和烟雾净化器8，激光清洗停止；

e、目视观察清洗区域是否清洗干净，已清洗区域露出钛合金金属光泽，没有氧化皮残留为清洗干净，否则重复步骤b-步骤d，直至清洗干净。

所述激光清洗设备包括脉冲激光器4、控制器2、烟雾净化器8和激光清洗头1，脉冲激光器4、烟雾净化器8和光束调节装置分别与控制器2电连接；脉冲激光器4输出激光至激光清洗头1；激光清洗头1中设置有光束调节装置，光束调节装置包括准直隔离器5、扩束镜6、场镜7和扫描振镜3，用于对激光进行调节输出，准直隔离器5的一端与脉冲激光器4电连接，另一端与扩束镜6连接，扩束镜6与扫描振镜3连接；烟雾净化器8包括净化器8和吸尘软管9，吸尘软管9安装在激光清洗头1上；控制器2，用于控制脉冲激光器4和烟雾净化器8的运作以及光束调节装置的光束调节。

所述脉冲激光器4为百纳秒级光纤脉冲激光器4。

所述脉冲激光器4输出的激光波长为1064nm、激光平均功率为150W、激光重复频率为150kHz、可调脉宽为300ns、激光光斑直径为0.06mm和脉冲能量为8mJ。

所述钛合金表面氧化皮厚度为1μm时，激光功率选择80W、脉宽选择200ns和移动速度选择1.2m/min；钛合金表面氧化皮厚度为20μm时，激光功率选择120W，脉宽选择200ns和移动速度选择1.2m/min；钛合金表面氧化皮厚度在30μm以上时，激光功率选择160W，脉宽选择200ns和移动速度选择0.6m/min。

实施例5

参见图1和图2，一种去除钛合金表面氧化皮的激光清洗方法，包括以下步骤：

a、将钛合金固定在清洗平台上，将激光清洗设备移到工作工位，调节激光清洗头1与工件的距离，使激光聚焦于工件，启动控制器2；

b、通过控制器2设定工艺参数，设定平均功率为180W、激光重复频率为180kHz、可调脉宽为450ns和脉冲能量为15mJ，调整激光头角度，使激光束沿清洗面法向方向射入；

c、通过控制器2开启烟雾净化器8和扫描振镜3，启动脉冲激光器4，开始清洗钛合金表面氧化皮；

d、清洗完预设次数后，关闭脉冲激光器4、扫描振镜3和烟雾净化器8，激光清洗停止；

e、目视观察清洗区域是否清洗干净，已清洗区域露出钛合金金属光泽，没有氧化皮残留为清洗干净，否则重复步骤b-步骤d，直至清洗干净。

所述激光清洗设备包括脉冲激光器4、控制器2、烟雾净化器8和激光清洗头1，脉冲激光器4、烟雾净化器8和光束调节装置分别与控制器2电连接；脉冲激光器4输出激光至激光清洗头1；激光清洗头1中设置有光束调节装置，光束调节装置包括准直隔离器5、扩束镜6、场镜7和扫描振镜3，用于对激光进行调节输出，准直隔离器5的一端与脉冲激光器4电连接，另一端与扩束镜6连接，扩束镜6与扫描振镜3连接；烟雾净化器8包括净化器8和吸尘软管9，吸尘软管9安装在激光清洗头1上；控制器2，用于控制脉冲激光器4和烟雾净化器8的运作以及光束调节装置的光束调节。

所述脉冲激光器4为百纳秒级光纤脉冲激光器4。

所述脉冲激光器4输出的激光波长为1064nm、激光平均功率为180W、激光重复频率为180kHz、可调脉宽为450ns、激光光斑直径为0.09mm和脉冲能量为15mJ。

所述钛合金表面氧化皮厚度为15μm时，激光功率选择100W、脉宽选择245ns和移动速度选择1.5m/min；钛合金表面氧化皮厚度为25μm时，激光功率选择135W，脉宽选择255ns和移动速度选择1.6m/min；钛合金表面氧化皮厚度在30μm以上时，激光功率选择185W，脉宽选择280ns和移动速度选择1m/min。

实施例6

参见图1和图2，一种去除钛合金表面氧化皮的激光清洗方法，包括以下步骤：

a、将钛合金固定在清洗平台上，将激光清洗设备移到工作工位，调节激光清洗头1与工件的距离，使激光聚焦于工件，启动控制器2；

b、通过控制器2设定工艺参数，设定平均功率为200W、激光重复频率为200kHz、可调脉宽为500ns和脉冲能量为20mJ，调整激光头角度，使激光束沿清洗面法向方向射入；

c、通过控制器2开启烟雾净化器8和扫描振镜3，启动脉冲激光器4，开始清洗钛合金表面氧化皮；

d、清洗完预设次数后，关闭脉冲激光器4、扫描振镜3和烟雾净化器8，激光清洗停止；

e、目视观察清洗区域是否清洗干净，已清洗区域露出钛合金金属光泽，没有氧化皮残留为清洗干净，否则重复步骤b-步骤d，直至清洗干净。

所述激光清洗设备包括脉冲激光器4、控制器2、烟雾净化器8和激光清洗头1，脉冲激光器4、烟雾净化器8和光束调节装置分别与控制器2电连接；脉冲激光器4输出激光至激光清洗头1；激光清洗头1中设置有光束调节装置，光束调节装置包括准直隔离器5、扩束镜6、场镜7和扫描振镜3，用于对激光进行调节输出，准直隔离器5的一端与脉冲激光器4电连接，另一端与扩束镜6连接，扩束镜6与扫描振镜3连接；烟雾净化器8包括净化器8和吸尘软管9，吸尘软管9安装在激光清洗头1上；控制器2，用于控制脉冲激光器4和烟雾净化器8的运作以及光束调节装置的光束调节。

所述脉冲激光器4为百纳秒级光纤脉冲激光器4。

所述脉冲激光器4输出的激光波长为1064nm、激光平均功率为200W、激光重复频率为1000kHz、可调脉宽为500ns、激光光斑直径为0.1mm和脉冲能量为20mJ。

所述钛合金表面氧化皮厚度为20μm时，激光功率选择120W、脉宽选择300ns和移动速度选择1.8m/min；钛合金表面氧化皮厚度为30μm时，激光功率选择160W，脉宽选择300ns和移动速度选择1.8m/min；钛合金表面氧化皮厚度在30μm以上时，激光功率选择200W，脉宽选择300ns和移动速度选择1.2m/min。

所述控制器2通过光束调节装置实现输出激光扫描，激光扫描线的相邻光斑中心间距小于光斑半径的

控制器2通过光束调节装置实现输出激光扫描，激光扫描线的相邻光斑中心间距小于光斑半径的

整体清洗方法简单，易于操作，解决了传统碱爆工艺和酸洗工艺去除钛合金表面氧化皮存在损害钛合金工件、生产环境差、能源消耗大和环境污染严重的技术问题。