本實用新型涉及一種激光焊前材料表面的預處理系統，具體涉及一種在激光焊之前材料表面的飛秒/皮秒脈沖激光復合預處理系統。

背景技術：

在航天、高鐵等產品中需要應用大量的高強合金零件，其焊接方式是航天、高鐵研究中的一個重要方向。激光焊接具有無機械接觸，焊接速度快，生產效率高等優點，得到了越來越多的關注。激光焊接前對焊接材料的處理又是影響激光焊接效果的一個關鍵因素。合金表面的油污、氧化膜等附著物會影響焊接質量和效率。焊前去除合金材料的附著物是防止產生氣孔、夾渣的重要步驟。

目前，焊前對材料的預處理方式主要是指對材料的清洗。傳統的清洗方式主要包括化學清洗和手工打磨?；瘜W清洗一般是指酸洗，該過程能夠有效清除基材表面的氧化膜和油污，但是該方法對環境污染嚴重。而手工打磨的方法工作效率低、成本高、工作環境惡劣、容易損傷基底材料表面、不能滿足大批量生產的要求。除此之外，還可以采用激光清洗的方式。激光清洗是將高能激光投射到物理表面，使材料表面的附著物瞬時蒸發、燒蝕或剝離，是一種新型的表面處理技術。相比于傳統的清洗方式，激光清洗更加高效環保。目前激光清洗一般都是采用基于調Q技術的納秒脈沖清洗。但是不論采用哪一種清洗方式，對材料的處理都是單一的，清洗后獲得的材料基材對激光反射率較高、激光吸收率較低，將影響激光焊接效率。

技術實現要素：

本實用新型的發明目的是提供一種激光焊前材料表面的預處理系統。該預處理系統不僅可以對材料表面進行激光清洗，而且同時可在清洗之后通過對材料表面進行黑化處理，以達到材料表面的復合處理，提高激光焊接質量和效率。

本實用新型實現其發明目的所采取的技術方案是：一種激光焊前材料表面的預處理系統，包括激光處理模塊，其結構特點是：所述激光處理模塊包括對樣品表面進行清洗的激光清洗子模塊和對樣品表面進行黑化的激光黑化子模塊；激光清洗子模塊和激光黑化子模塊之間通過智能控制模塊控制切換，所述智能控制模塊包括圖像采集子模塊、智能判斷子模塊和控制子模塊；所述圖像采集子模塊用于采集樣品表面形態并傳輸給智能判斷子模塊；所述智能判斷子模塊用于根據樣品表面形態判斷樣品表面是否清洗干凈；所述控制子模塊根據智能判斷子模塊判斷的結果控制激光清洗子模塊和激光黑化子模塊之間的控制切換。

本實用新型系統的工作方法是：首先打開激光處理模塊的激光清洗子模塊，對樣品表面進行清洗；在清洗的同時，智能控制模塊的圖像采集子模塊實時采集樣品表面形態并傳輸給智能判斷子模塊；智能判斷子模塊根據樣品表面形態判斷樣品表面是否清洗干凈；如果清洗干凈了，智能控制模塊的控制子模塊關閉激光清洗子模塊，打開激光處理模塊的激光黑化子模塊，對樣品表面進行黑化處理；如果未清洗干凈，智能控制模塊的控制子模塊不動作，激光清洗子模塊繼續對樣品表面進行清洗，直至清洗干凈，再切換至激光黑化子模塊。

激光黑化子模塊在對樣品表面進行黑化處理的同時，智能控制模塊的圖像采集子模塊實時采集樣品表面形態并傳輸給智能判斷子模塊；智能判斷子模塊根據樣品表面形態判斷樣品表面是完全黑化；如果完全黑化了，智能控制模塊的控制子模塊關閉激光黑化子模塊，完成激光焊前材料表面的預處理；如果未完全黑化，智能控制模塊的控制子模塊不動作，激光黑化子模塊繼續對樣品表面進行黑化處理，直至樣品表面完全黑化，再關閉激光黑化子模塊。

與現有技術相比，本技術方案的有益效果是：

本技術方案將通過激光對材料表面進行清洗和黑化復合化，首先通過激光對材料表面進行清洗，去除材料表面會影響焊接質量和效率的油污、氧化膜等附著物，然后進一步通過激光對樣品表面進行黑化處理，黑化處理不僅可以使樣品對光的強反射作用消失，提高激光焊接的效率和質量；同時黑化處理又可以在樣品表面形成微納結構，使金屬材料散熱性更好，進一步提高激光焊接質量。總之，利用激光清洗和激光黑化對焊前材料表面復合預處理，大大提高激光焊接過程中材料對激光的吸收效率，有效地提高了激光焊接效率和質量。

本技術方案利用智能控制模塊的圖像采集子模塊實時采集樣品表面形態并傳輸給智能判斷子模塊，然后通過智能判斷子模塊判斷樣品表面的清洗情況和黑化情況，從而通過控制子模塊控制激光清洗子模塊和激光黑化子模塊的切換和開閉，整個過程中無需人工干預，大大提高了工作效率，降低了預處理成本。

進一步，本實用新型系統所述激光清洗子模塊提供皮秒脈沖激光對樣品表面進行清洗，所述激光黑化子模塊提供飛秒脈沖激光對樣品表面進行黑化。

相比于納秒脈沖，皮秒脈沖激光的脈沖寬度更窄，可獲得更高的峰值功率。因此本實用新型系統激光清洗子模塊采用皮秒脈沖激光用于清洗樣品表面，相比于納秒脈沖激光，所需要的激光能量更低。另外，本實用新型系統采用飛秒脈沖激光對樣品表面進行黑化處理，飛秒激光的脈沖寬度很短，即激光與物質的相互作用時間短，對材料的熱影響?。贿@樣材料本身的溫度不會因為飛秒激光的作用而升高，避免了材料在受熱情況下再次形成氧化膜，破壞清洗的效果。

進一步，本實用新型系統所述激光清洗子模塊包括皮秒脈沖激光器，激光黑化子模塊包括飛秒脈沖激光器，所述激光清洗子模塊和激光黑化子模塊均包括激光輸出光纖、將激光輸出光纖輸出的激光進行準直的準直透鏡，控制激光光束作用于樣品表面上的位置和掃描速度的掃描振鏡和將激光聚焦入射到樣品上的匯聚透鏡。

這樣，皮秒脈沖激光器和飛秒脈沖激光器輸出的激光依次通過激光輸出光纖、準直透鏡、掃描振鏡和匯聚透鏡；利用準直透鏡可以減小光纖輸出的激光的發散角，獲得準直激光輸出，應用掃描振鏡可以通過掃描振鏡自動精準地控制激光預處理作用于樣品表面的位置，應用匯聚透鏡可以控制激光作用于樣品表面的光斑大小，以減小所需的激光脈沖的能量，最終獲得適用于清洗和黑化的脈沖激光。

進一步，本實用新型系統所述智能控制模塊的圖像采集子模塊包括對準樣品表面的照明光源和采集樣品表面形態的成像儀器。

這樣，使用照明光源可以通過兩個方面提高圖像采集子模塊的工作準確性，1.使得成像儀器看得更清楚判斷更準確，2.通過成像儀器接受的光強度，可以判斷黑化的效果，當光強度明顯增強，即黑化較好；即可以通過兩個方面判斷黑化效果：1樣品表面是否顏色改變，2成像儀器接受到的照明光強是否變低。

進一步，本實用新型系統所述激光處理模塊的激光清洗子模塊和激光黑化子模塊整合為皮秒/飛秒脈沖寬度可變激光模塊，所述皮秒/飛秒脈沖寬度可變激光模塊包括皮秒/飛秒脈沖寬度可變激光器、激光輸出光纖、將激光輸出光纖輸出的激光進行準直的準直透鏡，控制激光光束作用于樣品表面上的位置和掃描速度的掃描振鏡和將激光聚焦入射到樣品上的匯聚透鏡。

更進一步，本實用新型系統所述皮秒/飛秒脈沖寬度可變激光器包括飛秒激光振蕩器，飛秒激光振蕩器輸出的脈沖激光依次通過飛秒展寬器、啁啾脈沖放大器和控制激光光路方向的聲光開關，所述聲光開關由智能控制模塊的控制子模塊控制；當聲光開關加射頻信號時，脈沖激光通過聲光開關后光路方向發生偏折，脈沖激光依次通過偏轉反射鏡、可改變激光偏振方向的半波片，第一偏振分束立方體反射后入射至第二偏振分束立方體，經第二偏振分束立方體反射后獲得皮秒脈沖激光輸出，皮秒脈沖激光通過匯聚透鏡系統入射到激光輸出光纖中，用于后續對樣品表面進行清洗處理；當聲光開關不加射頻信號時，脈沖激光通過聲光開關后光路方向不發生偏折，脈沖激光依次通過脈寬壓縮器入射至第二偏振分束立方體，經第二偏振分束立方體透射后獲得飛秒脈沖激光輸出，飛秒脈沖激光通過匯聚透鏡系統入射到激光輸出光纖中，用于后續對樣品表面進行黑化處理。

上述皮秒/飛秒脈沖寬度可變激光器的工作原理是：通過飛秒激光振蕩器獲得低能量的飛秒激光脈沖輸出，該脈沖通過飛秒展寬器(可以是光柵對，也可以是布拉格體光柵)可將飛秒脈沖激光展寬成幾百皮秒寬的皮秒脈沖激光。該皮秒脈沖激光的具體脈沖寬度可由光柵對或是布拉格光柵的參數決定。該低能量的皮秒脈沖激光通過啁啾脈沖放大器獲得高能量的皮秒脈沖激光。該高能量的皮秒脈激光沖入射到控制激光脈沖光路方向聲光開關上。

當聲光開關加射頻信號時，該皮秒脈沖激光通過聲光開關后光路方向發生偏折，脈沖激光依次通過偏轉反射鏡(作用是改變激光光路方向，使激光垂直入射至半波片)、可改變激光偏振方向的半波片(改變激光的偏振方向，使其可被第一偏振分束立方體反射)，第一偏振分束立方體反射(作用是改變激光光路方向，使激光垂直入射至第二偏振分束立方體)后入射至第二偏振分束立方體，經第二偏振分束立方體反射(作用是改變激光光路方向，使激光垂直入射至匯聚透鏡)后通過匯聚透鏡系統(作用是改變激光的發散角和焦點處的光斑大小，使其可以高耦合效率地耦合至激光輸出光纖中)入射到激光輸出光纖中。

當聲光開關不加射頻信號時，該皮秒脈沖激光通過聲光開關后光路方向不發生偏折，脈沖激光依次通過脈寬壓縮器(可以是光柵對，也可以是布拉格體光柵，作用是壓縮皮秒脈沖激光獲得飛秒激光輸出)后獲得飛秒脈沖激光，該飛秒脈沖激光入射至第二偏振分束立方體，透射通過第二偏振分束立方體后通過匯聚透鏡系統入射到激光輸出光纖中。

整合成皮秒/飛秒脈沖寬度可變激光模塊避免了使用兩個激光器分別提供皮秒/飛秒脈沖，大大降低了成本。并且該模塊可以通過聲光開關是否加射頻信號來控制選擇輸出脈沖激光的模式，即可以通過智能控制模塊的控制子模塊實時控制，轉變時間快。并且該模塊確保了飛秒脈沖激光輸出與皮秒脈沖激光輸出是采用同一激光器模塊，即其輸出激光的光束質量(光斑的空間模式分布)是一致的，這樣飛秒脈沖激光輸出與皮秒脈沖激光輸出可以共用一套光纖耦合裝置系統，以同時獲得高效的光纖耦合效率。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例一系統整體結構示意圖。

圖2為本實用新型實施例一激光清洗子模塊工作時系統整體結構示意圖。

圖3為本實用新型實施例一激光黑化子模塊工作時系統整體結構示意圖。

圖4為本實用新型實施例二系統整體結構示意圖。

圖5為本實用新型實施例二工作時系統整體結構示意圖。

圖6為本實用新型實施例二皮秒/飛秒脈沖寬度可變激光器的整體結構示意圖。

具體實施方式

實施例一

圖1示出，本實用新型系統的一種具體實施方式是：一種激光焊前材料表面的預處理系統，包括激光處理模塊，其特征在于：所述激光處理模塊包括對樣品500表面進行清洗的激光清洗子模塊100和對樣品500表面進行黑化的激光黑化子模塊200；激光清洗子模塊100和激光黑化子模塊200之間通過智能控制模塊300控制切換，所述智能控制模塊300包括圖像采集子模塊310、智能判斷子模塊320和控制子模塊330；所述圖像采集子模塊310用于采集樣品500表面形態并傳輸給智能判斷子模塊320；所述智能判斷子模塊320用于根據樣品500表面形態判斷樣品500表面是否清洗干凈；所述控制子模塊330根據智能判斷子模塊320判斷的結果控制激光清洗子模塊100和激光黑化子模塊200之間的控制切換。

本例中所述激光清洗子模塊100提供皮秒脈沖激光對樣品500表面進行清洗，所述激光黑化子模塊200提供飛秒脈沖激光對樣品500表面進行黑化。所述激光清洗子模塊100包括皮秒脈沖激光器110，激光黑化子模塊200包括飛秒脈沖激光器210，所述激光清洗子模塊100和激光黑化子模塊200均包括激光輸出光纖102、將激光輸出光纖102輸出的激光進行準直的準直透鏡103，控制激光光束作用于樣品500表面上的位置和掃描速度的掃描振鏡104和將激光聚焦入射到樣品500上的匯聚透鏡105。

本例中所述智能控制模塊300的圖像采集子模塊310包括對準樣品500表面的照明光源311和采集樣品500表面形態的成像儀器312。

圖2為本例中激光清洗子模塊100工作時系統整體結構示意圖。

圖3為本例中激光黑化子模塊200工作時系統整體結構示意圖。

實施例二

圖4示出，本實用新型系統的另一種具體實施方式是：一種激光焊前材料表面的預處理系統，包括激光處理模塊，其特征在于：所述激光處理模塊包括對樣品500表面進行清洗的激光清洗子模塊100和對樣品500表面進行黑化的激光黑化子模塊200；激光清洗子模塊100和激光黑化子模塊200之間通過智能控制模塊300控制切換，所述智能控制模塊300包括圖像采集子模塊310、智能判斷子模塊320和控制子模塊330；所述圖像采集子模塊310用于采集樣品500表面形態并傳輸給智能判斷子模塊320；所述智能判斷子模塊320用于根據樣品500表面形態判斷樣品500表面是否清洗干凈；所述控制子模塊330根據智能判斷子模塊320判斷的結果控制激光清洗子模塊100和激光黑化子模塊200之間的控制切換。

本例中所述激光清洗子模塊100提供皮秒脈沖激光對樣品500表面進行清洗，所述激光黑化子模塊200提供飛秒脈沖激光對樣品500表面進行黑化。如圖4所示，所述激光處理模塊的激光清洗子模塊100和激光黑化子模塊200整合為皮秒/飛秒脈沖寬度可變激光模塊400，如圖5所示，所述皮秒/飛秒脈沖寬度可變激光模塊400包括皮秒/飛秒脈沖寬度可變激光器410、激光輸出光纖420、將激光輸出光纖420輸出的激光進行準直的準直透鏡430，控制激光光束作用于樣品500表面上的位置和掃描速度的掃描振鏡440和將激光聚焦入射到樣品500上的匯聚透鏡450。

圖6示出，本例中所述皮秒/飛秒脈沖寬度可變激光器410包括飛秒激光振蕩器411，飛秒激光振蕩器411輸出的脈沖激光依次通過飛秒展寬器412、啁啾脈沖放大器413和控制激光光路方向的聲光開關414，所述聲光開關414由智能控制模塊300的控制子模塊330控制；當聲光開關414加射頻信號時，脈沖激光通過聲光開關414后光路方向發生偏折，脈沖激光依次通過偏轉反射鏡415、可改變激光偏振方向的半波片416，第一偏振分束立方體417a反射后入射至第二偏振分束立方體417b，經第二偏振分束立方體417b反射后獲得皮秒脈沖激光輸出，皮秒脈沖激光通過匯聚透鏡系統419入射到激光輸出光纖420中，用于后續對樣品500表面進行清洗處理；當聲光開關414不加射頻信號時，脈沖激光通過聲光開關414后光路方向不發生偏折，脈沖激光依次通過脈寬壓縮器418入射至第二偏振分束立方體417b，經第二偏振分束立方體417b透射后獲得飛秒脈沖激光輸出，飛秒脈沖激光通過匯聚透鏡系統419入射到激光輸出光纖420中，用于后續對樣品500表面進行黑化處理。