一種鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備，能進行高效、高質(zhì)、環(huán)保、穩(wěn)定的鋁合金表面氧化膜焊前激光清洗。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備，包括：發(fā)出納秒級短脈沖的激光束101的激光振鏡頭，所述激光束101的光軸與鋁合金工件的待清洗表面102相交，并且在交點處形成夾角α，30°≤α≤60°；壓縮空氣噴嘴103，指向所述交點，并與所述待清洗表面102形成夾角β，10°≤β≤20°；吸塵系統(tǒng)，所述吸塵系統(tǒng)的吸嘴104指向所述交點，所述吸嘴104與所述待清洗表面形成90°的夾角γ。
【專利說明】
一種鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備
技術領域
[0001]本實用新型涉及激光清洗和激光焊接技術，特別是涉及鋁合金氧化膜焊前激光清洗技術。
【背景技術】
[0002]鋁合金表面的氧化膜存在不同的形態(tài)，在比較低的溫度下，氧化物的形態(tài)多數(shù)是拜耳體，其成分為氫氧化鋁，g卩Al(OH)3,也可以寫成Al2O3.3H20。而比較高的溫度下，生成以勃姆體AlO(OH)(也可以寫成Al2O3.H2O)為主體形態(tài)的氧化膜。
[0003]鋁合金在大氣中形成的天然氧化膜厚度只有2?30nm，人工制備氧化膜的方法主要有兩種:一是化學氧化法，其制備出的氧化膜的厚度為I?2.5μπι，二是陽極氧化法，該方法制備出的氧化膜的厚度為2.5?150μπι。
[0004]鋁合金氧化膜的存在對焊縫質(zhì)量有不利影響，因為鋁合金氧化膜熔點高達2050°C，遠遠超過鋁合金的熔點(660°C)，焊接過程中不熔化，焊縫易形成夾渣缺陷。而且，該氧化膜易吸潮，在焊接時氧化膜分解放出大量氣體，熔池結(jié)晶過程中大量的氣孔來不及逸出，導致焊縫易出現(xiàn)氣孔缺陷。
[0005]為提高鋁合金焊縫質(zhì)量，焊接前都要清除鋁合金表面氧化膜。目前鋁合金焊前氧化膜的清洗方法主要有化學法和機械法。
[0006]酸堿法加上刮刀刮削法是目前鋁合金焊前氧化膜清洗最有效的一種方法，已在航空航天、車輛、壓力容器等行業(yè)中廣泛應用，該方法的工藝流程一般為:
[0007](I)除油
[0008]將待清洗的鋁合金件浸泡在Na2CO3溶液中，溫度為60°C，時間為5?10分鐘；
[0009](2)沖洗
[0010]使用清水沖洗鋁合金件，溫度為25?30°C，時間為2分鐘；
[0011]⑶干燥
[0012]使用干布擦干鋁合金件；
[0013]⑷堿洗
[0014]將鋁合金件浸泡在NaOH溶液中，溫度為50?60°C，時間為5?7分鐘；
[0015]⑶沖洗
[0016]使用清水沖鋁合金件，溫度為25?30°C，時間為2分鐘；
[0017](6)中和光化
[0018]將鋁合金件浸泡在HNO3溶液中，溫度為25?30°C，時間為2?3分鐘；
[0019](7)沖洗
[0020]使用清水沖洗鋁合金件，溫度為25?30°C，時間為2分鐘；
[0021](8)干燥
[0022]將鋁合金件吹干或100?110°C烘干。
[0023](9)刮刀刮
[0024]采用刮刀刮待焊接件正反面距離焊縫中心25mm內(nèi)的區(qū)域和試件側(cè)面。
[0025]酸堿洗法加上機械法雖然能有效清除鋁合金氧化膜，但是該方法工序較多，效率低，而且酸、堿處理過程中，產(chǎn)生的刺鼻氣體對人體健康有嚴重的損害作用，伴隨酸、堿清洗帶來的環(huán)境污染問題也厄待解決。同時，刮刀刮削法會對鋁合金表面造成劃痕等物理損傷，并產(chǎn)生殘余應力，影響焊縫性能，而且刮削時產(chǎn)生的鋁合金粉塵對人體健康有危害。超聲波法利用超聲波的空化作用清除氧化膜，但是該方法要求將待清洗的鋁合金件放入液體中，而且，超聲波法僅適用于處理氧化膜結(jié)構(gòu)相對疏松的小鋁合金結(jié)構(gòu)件，對于較大的鋁合金件上的氧化膜清除效率較低，極大的限制了該方法的應用。
[0026]總之，上述鋁合金表面氧化膜清洗方法雖然都較好的清除了氧化膜，但是都不同程度的存在各自的問題，限制了其在鋁合金表面氧化膜清洗中的應用和推廣，因此，從清洗效率、人體健康和環(huán)境保護等方面考慮，急需開發(fā)新的鋁合金表面氧化膜焊前清洗方法。
【實用新型內(nèi)容】
[0027]本實用新型的目的是要提供一種鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備，能進行高效、高質(zhì)、環(huán)保、穩(wěn)定的鋁合金表面氧化膜焊前激光清洗。
[0028]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備，包括:
[0029]發(fā)出納秒級短脈沖的激光束101的激光振鏡頭，所述激光束101的光軸與鋁合金工件的待清洗表面102相交，并且在交點處形成夾角α，30° ^α^60° ;
[0030]壓縮空氣噴嘴103，指向所述交點，并與所述待清洗表面102形成夾角β，10°<β<20。；
[0031]吸塵系統(tǒng)，所述吸塵系統(tǒng)的吸嘴104指向所述交點，所述吸嘴104與所述待清洗表面形成90°的夾角γ。
[0032]優(yōu)選的，上述的鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備中，所述激光振鏡頭的激光器是納秒脈沖固體激光器;所述激光器的激光脈沖寬度為30ns，頻率為1kHz，脈沖能量為40mJ。
[0033]優(yōu)選的，上述的鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備中，所述激光器的光斑直徑為
0.8mmo
[0034]優(yōu)選的，上述的鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備中，所述激光振鏡頭發(fā)出的線光斑的長度為0.8?75mm;所述激光振鏡頭是掃描速度為3m/s的2維平面振鏡頭。
[0035]優(yōu)選的，上述的鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備中，所述壓縮空氣噴嘴的壓縮空氣流量為30?501/min;所述吸塵系統(tǒng)的功率為0.135kW。
[0036]優(yōu)選的，上述的鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備中，所述激光束的平均功率為40W?400W。
[0037]本實用新型實施例具有以下技術效果:
[0038]I)本實用新型實施例中，采用短脈沖(納秒)激光，可以使鋁合金表面的油污瞬間氣化，鋁合金表面的氧化膜(主要為Al2O3)也會因為熱應力的作用，龜裂，并在脈沖激光產(chǎn)生的等離子體沖擊波作用下，脫離鋁合金表面。而且，短脈沖的激光作用，近似于冷加工，不影響鋁合金基體的性能。
[0039]2)本實用新型實施例為非接觸式的清洗方法，自動化程度高;無需清洗液;配備的吸塵系統(tǒng)將氣化的油污和剝離的氧化膜顆粒回收，不污染環(huán)境，屬于綠色的清洗技術。
[0040]3)所述激光振鏡頭發(fā)出的是線光斑，能夠大大提高清洗效率。
[0041]根據(jù)下文結(jié)合附圖對本實用新型具體實施例的詳細描述，本領域技術人員將會更加明了本實用新型的上述以及其他目的、優(yōu)點和特征。
【附圖說明】
[0042]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本實用新型的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標記標示了相同或類似的部件或部分。本領域技術人員應該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:
[0043]圖1是本實用新型方法實施例的步驟流程圖；
[0044]圖2是本實用新型方法實施例的激光清洗示意圖；
[0045]圖3是本實用新型方法實施例的鋁合金表面氧化膜剝離示意圖。
【具體實施方式】
[0046]圖2是激光清洗示意圖，如圖2所示，本實用新型實施例提供一種鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備，包括:
[0047]發(fā)出納秒級短脈沖的激光束101的激光振鏡頭，所述激光束101的光軸與鋁合金工件的待清洗表面102相交，并且在交點處形成夾角α，30° ^α^60° ;
[0048]壓縮空氣噴嘴103，指向所述交點，并與所述待清洗表面102形成夾角β，10°<β<20。；
[0049]吸塵系統(tǒng)，所述吸塵系統(tǒng)的吸嘴104指向所述交點，所述吸嘴104與所述待清洗表面形成90°的夾角γ。
[0050]因此，本實用新型實施例中，采用短脈沖(納秒)激光，可以使鋁合金表面的油污瞬間氣化，鋁合金表面的氧化膜(主要為Al2O3)也會因為熱應力的作用，龜裂，并在脈沖激光產(chǎn)生的等離子體沖擊波作用下，脫離鋁合金表面。配備的吸塵系統(tǒng)將氣化的油污和剝離的氧化膜顆?；厥眨晃廴经h(huán)境，屬于綠色的清洗技術;而且，短脈沖的激光作用，近似于冷加工，不影響鋁合金基體的性能。
[0051]圖1是本實用新型一個方法實施例的步驟流程圖，如圖1和圖2所示，對應以上激光清洗設備，本實用新型還提供了一種鋁合金氧化膜焊前激光清洗的方法，包括:
[0052]位置設置步驟10:設置鋁合金工件和激光振鏡頭的位置，所述激光振鏡頭能發(fā)出納秒級短脈沖的激光束101，所述激光束101的光軸與所述鋁合金工件的待清洗表面102相交，并且在交點處形成夾角α，30°<α<60° ;設置壓縮空氣噴嘴103指向所述交點，并使得所述壓縮空氣噴嘴103與所述待清洗表面102形成夾角β，10° <β<20°;設置吸塵系統(tǒng)的吸嘴104指向所述交點，并使得所述吸嘴104與所述待清洗表面形成90°的夾角γ ;
[0053]功率設置步驟20:根據(jù)所述待清洗表面的氧化膜的厚度，設定所述激光束的平均功率和清洗速度；
[0054]清洗步驟30:以所述平均功率和清洗速度對所述待清洗表面102進行激光清洗。
[0055]由上可知，本實用新型實施例中，采用短脈沖(納秒)激光，可以使鋁合金表面的油污瞬間氣化，鋁合金表面的氧化膜(主要為Al2O3)也會因為熱應力的作用，龜裂，并在脈沖激光產(chǎn)生的等離子體沖擊波作用下，脫離鋁合金表面。該方法為非接觸式的清洗方法，自動化程度高；無需清洗液;配備的吸塵系統(tǒng)將氣化的油污和剝離的氧化膜顆粒回收，不污染環(huán)境，屬于綠色的清洗技術;而且，短脈沖的激光作用，近似于冷加工，不影響鋁合金基體的性會K。
[0056]因此，本實用新型方法是一種高效、高質(zhì)、環(huán)保、穩(wěn)定的鋁合金表面氧化膜焊前激光清洗工藝，解決了目前化學和機械清洗方法存在工序多、效率低、表面劃痕損傷、穩(wěn)定性差、污染環(huán)境等問題。
[0057]本實用新型一個實施例中，所述激光振鏡頭采用的激光器是納秒脈沖固體激光器，激光脈沖寬度為30ns，頻率為1kHz，脈沖能量為40mJ。所述激光器的光斑直徑為0.8mm。
[0058]本實用新型一個實施例中，所述激光振鏡頭發(fā)出的線光斑的長度為0.8?75mm;所述激光振鏡頭是2維平面振鏡頭，掃描速度為3m/min。所述激光束的平均功率為40W?400W;所述清洗速度為I?2.4m/min。
[0059]本實用新型一個實施例中，在所述功率設置步驟中，
[0060]如果所述氧化膜的厚度小于15μπι，則所述平均功率為200W、所述線光斑的長度為25mm、所述清洗速度為2.4m/min ；
[0061]如果所述氧化膜的厚度大于等于15μπι并且小于等于30μπι，則所述平均功率為400W、所述線光斑的長度為25mm、所述清洗速度為1.2m/min;
[0062]如果所述氧化膜的厚度大于30μπι，則所述平均功率為400W、所述線光斑的長度25mm、所述清洗速度為1.2m/min，并且進行多次重復清洗，直到氧化膜完全去除。
[0063]本實用新型一個實施例中，所述待清洗表面包括所述鋁合金工件的正反面距離焊縫中心25mm內(nèi)的區(qū)域，還包括焊縫中所述鋁合金工件的側(cè)面區(qū)域，所述壓縮空氣噴嘴的壓縮空氣流量為30?501/min;所述吸塵系統(tǒng)的功率為0.135kW。
[0064]如圖2所示，本實用新型一個實施例中，
[0065]所述激光束101的光軸與設置壓縮空氣噴嘴103的中心線以及所述吸嘴104的中心線位于同一平面內(nèi)，而他們與待清洗表面之間的夾角的設計使得互不干涉并且提升清洗效率。
[0066]針對鋁合金表面氧化膜厚度小于15μπι的激光清洗，本實用新型實施例提供實施方式一，這種方法特別適合于自然氧化和化學氧化法制備出的氧化膜的激光清洗。用于實施方式一的激光清洗方法的具體步驟如下:
[0067]步驟一:依次將待焊接件正反面距離焊縫中心25mm內(nèi)的區(qū)域和試件側(cè)面放置于激光清洗振鏡頭下方；
[0068]步驟二:根據(jù)該方法，保持激光束、壓縮空氣噴嘴、吸塵系統(tǒng)吸嘴與鋁合金待清洗表面四者之間的相對位置；
[0069]步驟三:根據(jù)該方法，設定激光平均功率為200W、線光斑為25mm長、清洗速度為2.4m/min；
[0070]步驟四:打開激光器、吸塵器、壓縮空氣機，啟動激光清洗接系統(tǒng)，并實施清洗。
[0071 ]針對鋁合金表面氧化膜厚度大于15?30μπι的激光清洗，本實用新型實施例提供實施方式二，這種方法特別適合于陽極氧化法制備出的氧化膜的激光清洗。用于實施方式二的激光清洗方法的具體步驟如下:
[0072]步驟一:將待焊接件正反面距離焊縫中心25mm內(nèi)的區(qū)域和試件側(cè)面放置于激光清洗振鏡頭下方；
[0073]步驟二:根據(jù)該方法的特征，保持激光束、壓縮空氣噴嘴、吸塵系統(tǒng)吸嘴與鋁合金待清洗表面四者之間的相對位置；
[0074]步驟三:設定激光功率為400W、線光斑為25mm長、清洗速度為1.2m/min;
[0075]步驟四:打開激光器、吸塵器、壓縮空氣機，啟動激光清洗接系統(tǒng)，并實施清洗。
[0076]針對鋁合金表面氧化膜厚度大于30μπι的激光清洗，本實用新型實施例提供實施方式三，這種方法特別適合于陽極氧化法制備出的氧化膜的激光清洗。用于實施方式三的激光清洗方法的具體步驟如下:
[0077]步驟一:將待焊接件正反面距離焊縫中心25mm內(nèi)的區(qū)域和試件側(cè)面放置于激光清洗振鏡頭下方；
[0078]步驟二:根據(jù)該方法的特征，保持激光束、壓縮空氣噴嘴、吸塵系統(tǒng)吸嘴與鋁合金待清洗表面四者之間的相對位置；
[0079]步驟三:設定激光功率為400W、線光斑為25mm長、清洗速度為1.2m/min;
[0080]步驟四:打開激光器、吸塵器、壓縮空氣機，啟動激光清洗接系統(tǒng)，并實施清洗。
[0081 ]步驟五:保持激光清洗工藝參數(shù)，多次清洗，直至氧化膜被清洗干凈。
[0082]圖3為鋁合金表面氧化膜剝離示意圖，如圖所示，鋁合金基體105表面有氧化膜106存在，因為氧化膜主要由Al2O3組成，其平均線熱膨脹系數(shù)為(7.85±0.02) X 10—V°C，而鋁合金的18.81 X 10—V°C?23.60X 10—V°C，即鋁合金的熱膨脹系數(shù)是氧化膜(Al2O3)的2.4?3倍，兩者熱膨脹系數(shù)相差較大，在激光清洗過程中，激光束107作用到鋁合金表面，鋁合金表面的氧化膜和鋁合金基體都受熱膨脹并冷卻收縮，因為脈沖激光的作用時間很短，極熱極冷條件下，氧化膜和鋁合金基體因熱膨脹系數(shù)的不同，導致鋁合金表面氧化膜發(fā)生龜裂，并在脈沖激光引起的等離子體的沖擊波作用下，從鋁合金基體表面剝落，成為碎肩108，脫尚招合金表面O
[0083]由上可知，本實用新型具有以下優(yōu)勢:
[0084]I)本實用新型實施例中，采用短脈沖(納秒)激光，可以使鋁合金表面的油污瞬間氣化，鋁合金表面的氧化膜(主要為Al2O3)也會因為熱應力的作用，龜裂，并在脈沖激光產(chǎn)生的等離子體沖擊波作用下，脫離鋁合金表面。而且，短脈沖的激光作用，近似于冷加工，不影響鋁合金基體的性能。
[0085]2)本實用新型實施例為非接觸式的清洗方法，自動化程度高;無需清洗液;配備的吸塵系統(tǒng)將氣化的油污和剝離的氧化膜顆?；厥眨晃廴经h(huán)境，屬于綠色的清洗技術。
[0086]3)所述激光振鏡頭發(fā)出的是線光斑，能夠大大提高清洗效率。
[0087]至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本實用新型的多個示例性實施例，但是，在不脫離本實用新型精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本實用新型公開的內(nèi)容直接確定或推導出符合本實用新型原理的許多其他變型或修改。因此，本實用新型的范圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。
【主權項】
1.一種鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備，其特征在于，包括: 發(fā)出納秒級短脈沖的激光束(101)的激光振鏡頭，所述激光束(101)的光軸與鋁合金工件的待清洗表面(102)相交，并且在交點處形成夾角α，30°<α<60° ; 壓縮空氣噴嘴(103)，指向所述交點，并與所述待清洗表面(102)形成夾角β，10°20。； 吸塵系統(tǒng)，所述吸塵系統(tǒng)的吸嘴(104)指向所述交點，所述吸嘴(104)與所述待清洗表面形成90°的夾角γ。2.根據(jù)權利要求1所述的鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備，其特征在于， 所述激光振鏡頭的激光器是納秒脈沖固體激光器；所述激光器的激光脈沖寬度為30仙，頻率為1(^取，脈沖能量為401^。3.根據(jù)權利要求2所述的鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備，其特征在于，所述激光器的光斑直徑為0.8mm。4.根據(jù)權利要求3所述的鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備，其特征在于，所述激光振鏡頭發(fā)出的線光斑的長度為0.8?75mm;所述激光振鏡頭是掃描速度為3m/s的2維平面振鏡頭。5.根據(jù)權利要求1所述的鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備，其特征在于，所述壓縮空氣噴嘴的壓縮空氣流量為30?501/min;所述吸塵系統(tǒng)的功率為0.135kW。6.根據(jù)權利要求1所述的鋁合金氧化膜焊前激光清洗設備，其特征在于，所述激光束的平均功率為40W?400W。
【文檔編號】B23K26/142GK205659938SQ201620441812
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】馮杰才, 趙慧峰, 吳金鵬
【申請人】上海臨仕激光科技有限公司, 中制高科技術股份有限公司