CN111992544B

CN111992544B - 声光q双脉冲激光除漆方法

Info

Publication number: CN111992544B
Application number: CN202010860263.5A
Authority: CN
Inventors: 赵树森; 林学春; 张志研; 李达; 马文浩; 梁浩; 刘燕楠
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2040-08-24
Also published as: CN111992544A

Abstract

一种声光Q双脉冲激光除漆方法，包括：选择合适的振荡级模块重复频率与输出镜透过率，实现双脉冲激光输出；保持振荡级激光器驱动电流不变，调节声光Q开关衍射损耗下降时间，来控制双脉冲激光第一个脉冲与第二个脉冲的能量比例；调节振荡级模块抽运电流控制双脉冲激光的脉冲间隔，增大驱动电流，第一个脉冲的建立时间将会提前，脉冲间隔增大；振荡级模块产生的双脉冲激光经放大模块放大，调节放大模块电流控制周期内双脉冲激光的单脉冲能量；根据激光除漆需求选择扫描宽度和光斑搭接率；根据激光除漆要求的不同以及振镜电机的摆动能力，计算振镜摆动线速度；计算振镜移动速度；根据选定的激光参数，实施激光除漆。

Description

声光Q双脉冲激光除漆方法

技术领域

本发明涉及激光除漆领域，尤其涉及一种声光Q双脉冲激光除漆方法。

背景技术

激光除漆技术尽管具有绿色、精度高、非接触、易自动化等优点，但也面临一系列技术问题，尤其是现有的激光除漆装置与方法效率较低，难以满足大面积快速除漆需求。提高激光脉冲能量能够提升除漆效率，但激光单脉冲能量大于100mJ时，易损伤光纤，不宜光纤传输，严重限制的除漆装置与工艺的灵活性。因此对于大面积快速激光除漆亟待解决除漆效率与光纤传输的矛盾。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种声光Q双脉冲激光除漆方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种声光Q双脉冲激光除漆方法，包括：

选择合适的振荡级模块重复频率与输出镜透过率，实现双脉冲激光输出，所述重复频率选择范围0.5kHz～15kHz，输出镜透过率选择范围40％-50％；

重复频率越低，脉冲间隔时间越长，激光增益介质的上能级在较长的时间内能够积累更多的的反转粒子数，为双脉冲激光的实现提供条件。

激光增益介质初始反转粒子数与阈值反转粒子数比例随输出镜透过率减小而增大，选择合适的输出镜透过率与抽运电流，能够获得较高的初始反转粒子数与阈值反转粒子数比例，激光腔内增益可大于声光Q关断状态下的损耗，为双脉冲激光实现提供条件。

保持振荡级激光器驱动电流不变，调节声光Q开关衍射损耗下降时间，来控制双脉冲激光第一个脉冲与第二个脉冲的能量比例；

调节振荡级模块抽运电流控制双脉冲激光的脉冲间隔，增大驱动电流，第一个脉冲的建立时间将会提前，脉冲间隔增大；

振荡级模块产生的双脉冲激光经放大模块放大，调节放大模块电流控制周期内双脉冲激光的单脉冲能量；

根据激光除漆需求选择扫描宽度，选择范围为60mm-200mm，光斑搭接率的选择范围为30％-70％；

计算振镜摆动线速度；

计算振镜移动速度；

根据选定的激光参数，实施激光除漆。

其中，所述计算振镜摆动线速度的计算公式为：

振镜摆动线速度＝重复频率×脉冲系数×(1-搭接率)×光斑直径。

其中，所述计算振镜移动速度的计算公式为：

振镜移动速度＝(1-搭接率)×光斑直径×振镜摆动线速度/扫描宽度。

其中，所述激光参数还包括激光波长为1064nm，脉冲宽度为30ns-150ns，激光平均功率＝2×单脉冲能量×重复频率。

其中，所述双脉冲激光除漆方法适用于厚度超过150μm的漆层；对于厚度不超过150μm的漆层，通过调节放大模块的抽运电流，并增大振镜摆动线速度，进而提升除漆效率。

其中，所述声光Q开关衍射损耗下降时间通过声光Q开关电源的延时电路完成，调节范围为20ns～500ns。

其中，通过调整所述声光Q开关衍射损耗下降时间，实现周期内第一个脉冲与第二个脉冲能量比1∶0.95-1∶0.7。

其中，所述振荡级模块抽运电流控制范围为15A-30A，通过调整振荡级模块抽运电流，实现双脉冲脉冲间隔范围为100ns-300ns。

其中，所述调节放大模块电流控制周期内双脉冲激光的单脉冲能量的步骤中，其中，电流调节范围10A-35A，实现周期内两个脉冲的每个脉冲的单脉冲能量5mJ-100mJ。

其中，所述脉冲激光能够通过光纤传输至激光清洗头，并通过激光清洗头的扩束镜、高速振镜、场镜和保护镜，聚焦于漆层表面，在漆层表面的光斑尺寸为0.3mm-0.6mm。

基于上述技术方案可知，本发明的声光Q双脉冲激光除漆方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

(1)本发明公开的除漆方法，能够提升激光除漆效率。

(2)采用本法安明公开的除漆方法，可以在不增大单脉冲能量的前提下提高激光平均功率，易于光纤传输，增大激光除漆设备与工艺的灵活性。

附图说明

图1是本发明实施例中的声光Q双脉冲激光除漆方法工艺流程图；

图2是本发明实施例中的声光Q半导体泵浦Nd：YAG高重频纳秒脉冲激光器示意图；

图3是本发明实施例中的双脉冲激光波形示意图；

图4是本发明实施例中的激光清洗振镜摆动线速度与振镜移动速度示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1、驱动电源； 2、振荡级模块； 3、全反镜； 4、声光Q；

5、激光模块； 6、输出镜； 7、声光Q电源；

8、放大模块； 9、光纤； 10、激光清洗头；

11、漆层表面。

具体实施方式

脉冲激光等离子体冲击波是除漆的重要驱动力，本发明提出声光Q双脉冲激光除漆方法，通过调节声光Q激光器参数，在一个周期内实现两个激光脉冲，并且脉冲间隔与能量比例可调。两个激光脉冲分散了激光能量，可光纤传输，同时通过调节脉冲间隔能够增强激光等离子体冲击波，大幅提升激光除漆效率。

本公开提出一种声光Q双脉冲激光除漆方法，包括选择合适的振荡级模块重复频率与输出镜透过率，实现双脉冲激光输出；保持振荡级激光器驱动电流不变，调节声光Q开关衍射损耗下降时间，控制双脉冲激光第一个脉冲与第二个脉冲的能量比例；调节振荡级模块抽运电流控制双脉冲激光的脉冲间隔，增大驱动电流，脉冲间隔增大；振荡级模块产生的双脉冲激光经放大模块放大，调节放大模块电流控制周期内双脉冲激光的单脉冲能量；根据除漆需求选择扫描宽度、光斑搭接率；按公式计算选择振镜摆动线速度、振镜移动速度；实施激光除漆工作。采用本方法产生的双脉冲激光大幅提升激光除漆效率，且脉冲激光可光纤传输。

如图1所示，本发明公开了一种声光Q双脉冲激光除漆方法，包括以下步骤：

计算振镜摆动线速度

计算振镜移动速度；

根据选定的激光参数，实施激光除漆。

如图2所示，采用MOPA结构的声光Q半导体泵浦Nd：YAG高重频纳秒脉冲激光器，其中振荡级模块2由全反镜3、输出镜6、激光模块5，以及声光Q4等组成，采用双声光Q4正交对置于激光模块5两侧用于产生高重频脉冲激光。振荡级模块2输出脉冲激光经后续放大模块8放大经光纤9耦合输出，激光平均功率与脉冲能量进一步提高。

在声光Q半导体泵浦Nd：YAG高重频纳秒脉冲激光器中，调节振荡级模块2重复频率与输出镜6透过率、激光器驱动电流1、声光Q4衍射损耗下降时间，使振荡级模块2在一个周期内，输出2个激光脉冲，且两个脉冲的能量比例与脉冲间隔在一定范围内可调，脉冲能量比例可调范围是1∶0.95-1∶0.7，脉冲间隔可调范围是100ns-300ns，如图3所示为双脉冲激光波形示意图，双脉冲激光经后续放大模块8放大后，用于大面积快速激光除漆。

具体步骤如下：

第一步，选择合适的振荡级模块2重复频率与输出镜6透过率，可以实现双脉冲激光输出，振荡级模块2重复频率选择范围0.5kHz～15kHz，输出镜6透过率选择范围40％-50％。

第二步，在调节双脉冲激光参数时，保持激光器驱动电流不变，通过调节第一个脉冲能量的大小与宽度，第二个脉冲的能量大小与脉冲宽度就间接确定了。第一个脉冲能量大小与宽度的调节，主要是调节声光Q4衍射损耗下降时间。声光Q4衍射损耗时间通过声光Q电源7的延时电路完成，调节范围为20ns～500ns，通过调整声光Q衍射损耗下降时间，实现周期内第一个脉冲与第二个脉冲能量比1∶0.95-1∶0.7。

第三步，双脉冲间隔的调节主要是通过振荡级模块驱动电源1调节抽运电流来调节，增大驱动电流，随着初始反转粒子数增大，第一个脉冲建立时间将会提前，且脉宽有所减小，反之，随着振荡级模块抽运电流减小，第一个脉冲建立时间将延后，并且脉宽会有所增加，振荡级模块抽运电流控制范围为15A-30A，通过调整振荡级模块抽运电流，实现双脉冲脉冲间隔范围为100ns-300ns。

第四步，振荡级模块产生的双脉冲激光经放大模块8放大，调节放大模块电源12，电流调节范围10-35A，实现周期内两个脉冲的每个脉冲的单脉冲能量5mJ-100mJ，能够通过光纤9传输至激光清洗头10，并通过激光清洗头10的扩束镜、高速振镜、场镜、保护镜，聚焦于漆层表面11，在漆层表面11的光斑尺寸0.3mm-0.6mm。

调整后的激光在漆层表面形成漆层蒸汽与等离子体，同时瞬态高温引起漆层的快速热膨胀，由于基材与漆层热膨胀性能差异，在基材与漆层间形成热应力。在两个脉冲间隔内，无激光能量进一步注入，漆层表面的等离子体密度降低，避免了等离子体对激光能量的屏蔽，同时由于脉冲间隔较短，激光作用区温度一直高于漆层气化温度，第二个脉冲激光作用于该区域时，由于没有前一个等离子体对激光的屏蔽作用，直接辐照在气化温度以上的漆层，将进一步增强该区域蒸汽与等离子体的膨胀冲击特性，从而达到提升除漆效率的目的。

进一步，由于在激光除漆过程，脉冲激光的单脉冲能量低于100mJ，能够通过光纤传输，增加的激光除漆装备与工艺的灵活性。

第五步，根据除漆要求选择扫描宽度，范围60mm-200mm，光斑直径0.3mm-0.6mm，光斑搭接率采用30％-70％。

第六步，计算振镜摆动线速度为了实现光斑的充分搭接，用脉冲系数来表征双脉冲激光除漆过程，一个出光周期内的等效脉冲数。由于双脉冲激光脉冲间隔可调，脉冲间隔较短时，按每个出光周期内输出一个脉冲计算，即脉冲系数为1。脉冲间隔较大时，按照每个脉冲周期内输出2个脉冲计算，即脉冲间隔为2。通常脉冲系数在1～2之间选择。因此，振镜摆动线速度＝脉冲系数×重复频率×(1-搭接率)×光斑直径。

第七步，根据振镜移动速度＝(1-搭接率)×光斑直径×振镜摆动线速度/扫描宽度，设计选择振镜移动速度，振镜扫描速度是激光清洗头垂直与光斑扫描方向的移动速度。

第八步，根据选定激光参数，实施激光除漆工作，其他激光参数：激光波长为1064nm，脉冲宽度为30ns-150ns，激光平均功率＝2×单脉冲能量×重复频率。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本公开提供了一种声光Q双脉冲激光除漆方法，包括：

第一步，为实现双脉冲激光输出，重复频率选择范围0.5kHz～5kHz，输出镜透过率选择范围40％-50％。

第二步，通过调整声光Q开关衍射损耗下降时间，实现周期内第一个脉冲与第二个脉冲能量比1∶0.95-1∶0.7。声光Q开关衍射损耗下降时间通过声光Q开关电源的延时电路完成，调节范围为20ns～500ns。

第三步，振荡级模块抽运电流控制范围为15A-30A，通过调整振荡级模块抽运电流，实现双脉冲脉冲间隔范围为100ns-300ns。

第四步，振荡级模块产生的双脉冲激光经放大模块放大，调节放大模块电流，实现周期内两个脉冲的每个脉冲的单脉冲能量5mJ-100mJ，能够通过光纤传输至激光清洗头，并通过激光清洗头的扩束镜、高速振镜、场镜、保护镜，在漆层表面的光斑尺寸0.3mm-0.6mm。

第五步，选择扫描宽度，范围60mm-200mm，光斑直径0.3mm-0.6mm，光斑搭接率采用30％-70％。

第六步，计算摆动线速度选择：振镜摆动线速度＝脉冲系数×重复频率×(1-搭接率)×光斑直径。

第七步，设计选择振镜移动速度：振镜移动速度＝搭接率×光斑直径×振镜摆动线速度/扫描宽度，结合图4所示的激光清洗振镜摆动线速度与振镜移动速度示意图，可知，振镜移动速度是激光清洗头垂直与光斑扫描方向的移动速度。

采用本公开方法，即可提高激光除漆效率，脉冲激光又可通过光纤传输，提高激光除漆设备与工艺的灵活性。

在一具体实施例中，铝合金基体上，漆层厚度400μm-500μm，所属声光Q双脉冲激光除漆方法包括以下步骤：

第一步，为实现双脉冲激光输出，重复频率选择7.3kHz，输出镜透过率选择40％。

第二步，调节声光Q开关电源驱动延时电路，声光Q开关衍射损耗下降时间为200ns，获得的周期内第一个脉冲与第二个脉冲能量比1∶0.9。

第三步，振荡级模块抽运电流设置25A，实现双脉冲脉冲间隔范围为150ns。

第四步，振荡级模块产生的双脉冲激光经放大模块放大，调节放大模块电流30A，实现周期内两个脉冲的每个脉冲的单脉冲能量50mJ，能够通过光纤传输至激光清洗头，并通过激光清洗头的扩束镜、高速振镜、场镜、保护镜，在漆层表面的光斑尺寸0.5mm。

第五步，选择扫描宽度70mm，光斑搭接率采用50％。

第六步，计算振镜摆动线速度：振镜摆动线速度＝脉冲系数×重复频率×(1-搭接率)×光斑直径，脉冲系数选择1.1，振镜摆动线速度为2000mm/s。

第七步，设计选择振镜移动速度：振镜移动速度＝搭接率×光斑直径×振镜摆动线速度/扫描宽度，振镜移动速度为7mm/s。

第八步，根据选定激光参数，实施激光除漆工作，其他激光参数：激光波长为1064nm，脉冲宽度为100ns，激光平均功率730W。

本实施例采用双脉冲激光，进一步增强等离子体的膨胀冲击特性，适用于厚度较大的漆层清洗，除漆效率：扫描宽度×振镜移动速度×3600/10⁶m²/h＝70×7×3600/10⁶m²/h＝1.76m²/h。

对于厚度较小的漆层(＜150μm)，为了获得更高的除漆效率，可以通过调节放大模块抽运电流，获得更高的单脉冲能量与平均功率，并且能够通过光纤传输，在此基础上，增大振镜摆动线速度，大幅提升除漆效率及工艺灵活性。具体步骤：

第一步，为实现双脉冲激光输出，选择重复频率12kHz，输出镜透过率选择40％。

第二步，调节声光Q开关电源延时电路，声光Q开关衍射损耗下降时间为300ns，获得的周期内第一个脉冲与第二个脉冲能量比1∶0.95。

第三步，振荡级模块抽运电流设置15A，实现双脉冲脉冲间隔范围为250ns。

第四步，振荡级模块产生的双脉冲激光经放大模块放大，调节放大模块电流35A，实现周期内两个脉冲的每个脉冲的单脉冲能量100mJ，能够通过光纤传输至激光清洗头，并通过激光清洗头的扩束镜、高速振镜、场镜、保护镜，在漆层表面的光斑尺寸0.6mm。

第五步，设置扫描宽度100mm，光斑搭接率采用30％。

第六步，计算振镜摆动线速度：振镜摆动线速度＝脉冲系数×重复频率×(1-搭接率)×光斑直径，脉冲系数选择2，振镜摆动线速度为10000mm/s。

第七步，选择振镜移动速度：振镜移动速度＝(1-搭接率)×光斑直径×振镜摆动线速度/扫描宽度，振镜移动速度为42mm/s。

第九步，根据选定激光参数，实施激光除漆工作，其他激光参数：激光波长为1064nm，脉冲宽度为100ns，激光平均功率2400W。

本实施例采用双脉冲激光，激光平均功率达到2400W，由于单脉冲能量为100mJ，仍可以通过光纤传输，本实施例中的除漆效率可以达到：扫描宽度×振镜移动速度×60/10⁶m²/min＝100×42×3600/10⁶m²/h＝15.12m²/h。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种声光Q双脉冲激光除漆方法，其特征在于，包括：

计算振镜摆动线速度；

计算振镜移动速度；

根据选定的激光参数，实施激光除漆。

2.根据权利要求1所述的除漆方法，其特征在于，所述计算振镜摆动线速度的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的除漆方法，其特征在于，所述计算振镜移动速度的计算公式为：

4.根据权利要求1所述的除漆方法，其特征在于，所述激光参数还包括激光波长为1064nm，脉冲宽度为30ns-150ns，激光平均功率＝2×单脉冲能量×重复频率。

5.根据权利要求1所述的除漆方法，其特征在于，所述双脉冲激光除漆方法适用于厚度超过150μm的漆层；对于厚度不超过150μm的漆层，通过调节放大模块的抽运电流，并增大振镜摆动线速度，进而提升除漆效率。

6.根据权利要求1所述的除漆方法，其特征在于，所述声光Q开关衍射损耗下降时间通过声光Q开关电源的延时电路完成，调节范围为20ns～500ns。

7.根据权利要求6所述的除漆方法，其特征在于，通过调整所述声光Q开关衍射损耗下降时间，实现周期内第一个脉冲与第二个脉冲能量比1∶0.95-1∶0.7。

8.根据权利要求1所述的除漆方法，其特征在于，所述振荡级模块抽运电流控制范围为15A-30A，通过调整振荡级模块抽运电流，实现双脉冲脉冲间隔范围为100ns-300ns。

9.根据权利要求1所述的除漆方法，其特征在于，所述调节放大模块电流控制周期内双脉冲激光的单脉冲能量的步骤中，其中，电流调节范围10A-35A，实现周期内两个脉冲的每个脉冲的单脉冲能量5mJ-100mJ。

10.根据权利要求9所述的除漆方法，其特征在于，所述脉冲激光能够通过光纤传输至激光清洗头，并通过激光清洗头的扩束镜、高速振镜、场镜和保护镜，聚焦于漆层表面，在漆层表面的光斑尺寸为0.3mm-0.6mm。