本發(fā)明一般性涉及用于清潔金屬表面的方法和設(shè)備。更具體地，本發(fā)明涉及一種激光輔助動力清洗方法和設(shè)備，其中被激光加熱的材料隨后使用氣流從表面去除。

背景技術(shù)：

在用于制造金屬產(chǎn)品的工藝中，在可以執(zhí)行后續(xù)步驟之前，有時需要清潔特定表面。例如，需要清潔來去除或清除存在于表面上的不期望的材料。已知方法包括使用介質(zhì)來清洗表面以沖洗掉材料，使用機械工具來研磨表面以去除材料，以及使用化學溶劑來溶解材料。每種方法均經(jīng)受某些形式的缺點和/或限制。當材料牢固地粘附至表面時使用介質(zhì)來清洗不是有效的，但是其可以適合于去除松散的材料。研磨是勞動密集型的，造成工具磨損并且不容易自動化或受可及度限制。溶解需要使用可能不是環(huán)境友好的化學品，并且需要附加的健康和安全預(yù)防措施。

基于上述討論，清潔方法應(yīng)該簡單且容易自動化、低成本高產(chǎn)量、靈活、避免不必要的工具磨損和保養(yǎng)、以及環(huán)境友好。此外，清潔方法應(yīng)該適合于可能存在獨特挑戰(zhàn)的不同的應(yīng)用。

氣體保護金屬極電弧焊（GMAW）是用于制造金屬產(chǎn)品的工藝，例如，用于在制造汽車時接合金屬板（sheet metal）零件。在GMAW處理期間，硅（通常存在于基礎(chǔ)鋼金屬（base steel metal）、電極焊絲、以及焊劑中）與焊池中的氧結(jié)合并且在凝固過程期間形成硅酸鹽。硅酸鹽以所謂的“硅酸鹽島”的形式出現(xiàn)在焊道的頂部上。不幸地，硅酸鹽島不是涂漆友好的。因此，當對包括焊接區(qū)域的成品進行涂漆時，施加在硅酸鹽島上的漆傾向于剝離。露出的硅酸鹽島在正常使用條件下開始腐蝕。

期望避免漆剝離以提高所制造的金屬產(chǎn)品的耐腐蝕性。雖然可以使用涂漆友好的涂料或?qū)觼砀采w硅酸鹽島，但是這往往昂貴并且因此不是理想解決方案。優(yōu)選地，將硅酸鹽島從焊道的表面去除，使得不再擔心漆的剝離。不幸地，當前用于去除硅酸鹽島的技術(shù)涉及機械研磨，其為勞動密集型的并且不容易自動化，導(dǎo)致工具磨損，并且受限于可及度問題等。

即使在可以將金屬部件焊接在一起之前，可能需要對待接合的表面進行一些清洗。通過特定且非限制性示例的方式，通過將數(shù)個機加工的零件接合在一起而制造出許多動力系統(tǒng)部件以形成功能性產(chǎn)品。由于機加工工藝、運輸、存儲等，油殘留物總是存在于機加工表面上。這些油殘留物造成焊接缺陷，例如焊接金屬爆裂，并且需要在零件被組裝在一起之前清潔以用于焊接。

期望避免所制造金屬產(chǎn)品中的焊接缺陷。雖然可以通過使用清洗流體清洗之后干燥來去除油殘留物，但是這樣的方法由于使用了化學溶劑、需要額外設(shè)備、以及消耗生產(chǎn)占地面積、并且往往是臟亂的而不是環(huán)境友好的。

克服現(xiàn)有技術(shù)的上述限制和缺點中的至少一些會是有益的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方案的一個方面，公開了一種用于去除粘附至下伏面的材料的工藝，所述工藝包括：使用激光束加熱材料以減少材料與下伏面之間的粘附強度；將氣流引導(dǎo)至經(jīng)加熱的材料處；以及使用氣流將經(jīng)加熱的材料從下伏面移開。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方案的一個方面，公開了一種用于去除粘附至下伏面的材料的工藝，所述工藝包括：使用激光束加熱材料直到發(fā)生以下的至少之一為止：（i）所述材料從其固態(tài)變化成其熔融態(tài)；以及（ii）所述材料熱解以形成材料的殘留物；以及使用氣流將呈其熔融態(tài)的材料或材料的殘留物從下伏面移開。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方案的一個方面，公開了一種用于去除粘附至下伏面的材料的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：用于提供激光束以加熱材料的激光束源；與壓縮氣體源連通的噴嘴；以及控制器，其用于控制激光束源使束斑掃掠過粘附至下伏面的材料，以及用于使噴嘴在束斑后面前進，使得氣流從噴嘴離開并且沖擊經(jīng)加熱的材料或其殘留物，噴嘴產(chǎn)生具有足以將經(jīng)加熱的材料或其殘留物從下伏面去除的力的氣流。

附圖說明

現(xiàn)在將僅通過示例的方式并且參照附圖描述本發(fā)明，其中，遍及附圖，相同的附圖標記表示相同的元件，并且其中：

圖1是示出通過將兩個金屬板部件焊接在一起而制造，并且包括已經(jīng)形成在下面的焊縫上的硅酸鹽島的金屬產(chǎn)品的簡化透視圖；

圖2是示出圖1的金屬產(chǎn)品的激光輔助動力清洗的簡化透視圖；

圖3A示出在用激光照射硅酸鹽島之前，經(jīng)受激光輔助動力清洗的表面。

圖3B示出所述硅酸鹽島被激光照射時圖3A的表面；

圖3C示出硅酸鹽島在使用氣流而被從表面移開時圖3A的表面；

圖4A是示出激光輔助動力清洗之前的焊縫的圖像；

圖4B是示出激光輔助動力清洗之后的焊縫的圖像；

圖5A至圖5B描繪了一種通過激光輔助動力清洗來去除油性殘留物的工藝；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的工藝的簡化流程圖；以及

圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的另一工藝的簡化流程圖。

具體實施方式

提供下面的描述以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出并且使用本發(fā)明，并且在特定應(yīng)用及其要求的背景中使用該發(fā)明。所公開實施方案的各種修改方案對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的，并且在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，本文中所定義的一般原理可以適用于其他實施方案和應(yīng)用。因此，本發(fā)明并不旨在限制本文中所公開的實施方案，而是符合與本文中所公開的原理和特征相一致的最寬范圍。而且，可以理解的是，文中使用的措辭和術(shù)語是出于描述的目的并且不應(yīng)被認為是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其變體的使用意在涵蓋其后列出的項和其等同物以及附加項。

圖1是示出了包括兩個焊接在一起的金屬板部件102A和102B的金屬產(chǎn)品100的簡化透視圖。通過特定且非限制性示例的方式，部件102A和102B通過氣體保護金屬極電弧焊（GMAW）接合在一起，產(chǎn)生部件102A與102B之間的焊道104。如圖1中所示，在焊接步驟期間在下面的焊道104上已經(jīng)形成了硅酸鹽島106。

圖2是示出了使用根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的系統(tǒng)200的圖1的金屬產(chǎn)品100的激光輔助動力清洗的簡化透視圖。光束整形光學器件202引導(dǎo)激光束204朝向金屬產(chǎn)品100，形成沿著如箭頭212指示的路徑前進的束斑206。更具體地，束斑206照射并且加熱粘附至下面的焊道104的表面的材料106，例如硅酸鹽島106。由于束斑206的尺寸和形狀，所以下面的焊道104亦被加熱。加熱至足夠高的溫度（例如約1100℃至約1200℃）減少了材料106與下面的焊道104之間的粘附強度。使用與壓縮氣體源210連通的噴嘴208來引導(dǎo)氣流沖擊經(jīng)加熱的材料106并且將其從下面的焊道104去除。通過特定且非限制性示例的方式，壓縮氣體為壓縮空氣、壓縮氮氣、壓縮氬氣、壓縮二氧化碳氣體等、或其他合適的氣體中的至少一種，并且包括其組合。其他合適的氣體為在激光輔助動力清洗的條件下不與焊道或金屬產(chǎn)品反應(yīng)，并且不造成不可接受的健康、安全或其他問題（例如爆炸或失火的風險）的氣體。

仍參照圖2，束斑206在如箭頭212指示的方向上沿著焊道104前進。類似地，噴嘴208沿著同一方向前進，并且優(yōu)選地，束斑202與噴嘴208之間的空間保持恒定。例如，光束整形光學器件202和噴嘴208二者以固定的間距安裝至由未示出的控制器控制的計算機數(shù)控（CNC）機器。在一個實施方案中，CNC機器是門架式機器人（gantry robot）。通過特定且非限制示例的方式，為了將硅酸鹽島106從下面的焊道104去除，激光束功率為約3kW，并且所產(chǎn)生的束斑206為約5.5mm×5.5mm。束斑206和噴嘴208以約60mm/秒的速度掃掠，并且噴嘴208具有約10mm寬的大體為狹槽形的口，其以約150psi的壓力供應(yīng)壓縮氣流。為了避免造成對下面的焊道104的干擾，期望使用提供幾乎剛剛足以去除硅酸鹽島106的力的氣流。

圖3A至圖3C是示出了圖1的金屬產(chǎn)品100的激光輔助動力清洗的不同階段的簡化側(cè)視圖。在圖3A中，激光束204和噴嘴208在塊箭頭212的方向上掃掠過焊道104。激光束204沒有照射粘附至焊道104的任何硅酸鹽島106。在圖3B中，激光束204和噴嘴沿著路徑前進，并且遇到粘附至焊道104的多個硅酸鹽島106中的第一硅酸鹽島106。激光束204照射并且加熱第一硅酸鹽島106，使其液化并且從而減小了第一硅酸鹽島106與焊道104之間的粘附強度。在圖3C中，激光束204和噴嘴208在塊箭頭212的方向上繼續(xù)前進，使得通過箭頭G所示的氣流從噴嘴208噴出，沖擊液化的第一硅酸鹽島106并且將其移除。當激光束204和噴嘴在塊箭頭212的方向上繼續(xù)前進時，對第二硅酸鹽島和第三硅酸鹽島等重復(fù)該過程。

圖4A和圖4B是分別在經(jīng)受激光輔助動力清洗之前和經(jīng)受激光輔助動力清洗之后拍攝的焊道的圖像。圖4A中一系列箭頭指示沿著焊道的硅酸鹽島的位置。如圖4B中所示，激光輔助動力清洗導(dǎo)致去除了所有可見的硅酸鹽島。

除了將硅酸鹽島從焊道去除之外，如參照圖1至圖4B討論的，激光輔助動力清洗工藝和系統(tǒng)也可以用來將其他不期望的材料從表面去除。例如，如將參照圖5A至圖5B討論的，可以在將金屬零件焊接在一起之前將不期望的材料從機加工表面去除。特別地，圖5A是示出材料500在激光輔助動力清洗過程期間的早期的側(cè)視圖，所述材料500例如為在機加工界面上由于機加工過程、運輸、以及/或者存儲而粘附至機加工金屬表面502的油性材料。激光束204被引導(dǎo)朝向表面502上的材料500，這造成材料500被加熱至軟化和/或熱解的溫度。在上下文中，術(shù)語“熱解”被用于表示以下熱誘導(dǎo)化學變化：其導(dǎo)致原始材料500被轉(zhuǎn)換成不如原始材料500那樣強地粘附至表面的殘留材料504。殘留材料的確切性質(zhì)并不關(guān)鍵，其甚至不一定必須具有重現(xiàn)性。出于在本文中討論的目的，所需的全部是材料500被轉(zhuǎn)換成可通過從噴嘴208噴出的由箭頭G所示的氣流的作用而從表面移除的形式（軟化或殘留）。

仍參照圖5A，激光束已經(jīng)將材料500的第一部分充分加熱以形成殘留材料504，其因通過離開噴嘴208的氣流G施加的力而開始移除。如圖5B中所示，激光束204和噴嘴208沿塊箭頭212的方向前進，使得材料500的第二部分被加熱以形成殘留材料504，以及使得之前形成的殘留材料的去除完成。

現(xiàn)在參照圖6，其示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的工藝的簡化流程圖。特別地，參照圖6描述的工藝是用于去除粘附至下伏面的材料。例如，待去除的材料包括硅酸鹽島，并且下伏面為焊道，或者待去除的材料包括油膜并且下伏面為金屬表面。在600處，使用激光束將待從下伏面去除的材料加熱，以減少該材料與下伏面之間的粘附強度。在602處，將氣流引導(dǎo)至經(jīng)加熱的材料處。例如，使用與壓縮氣體源（例如，壓縮空氣或氮氣或其他合適的氣體）連通的噴嘴將氣流引導(dǎo)至經(jīng)加熱的材料處。在604處，在氣流的力的影響下，將經(jīng)加熱的材料從下伏面移開。移開材料涉及使噴嘴沿著激光束掃過下伏面的路徑前進。在參照圖6描述的工藝中，對氣流進行選擇以使用幾乎剛剛足以將經(jīng)加熱的材料從下伏面移開的力來沖擊經(jīng)加熱的材料。

現(xiàn)在參照圖7，其示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的另一工藝的簡化流程圖。特別地，參照圖7描述的工藝是用于去除粘附至下伏面的材料。例如，待去除的材料包括硅酸鹽島并且下伏面是焊道，或者待去除的材料包括油膜并且下伏面是金屬表面。在700處，使用激光束，加熱材料直至發(fā)生下面之一：（i）材料從其固態(tài)變成其熔融態(tài)；以及（ii）材料熱解以形成材料的殘留物。在任一情況下，經(jīng)加熱的材料或者在加熱材料期間形成的殘留物與下伏面之間的粘附強度小于未經(jīng)加熱材料與下伏面之間的粘附強度。在702處，在加熱材料之后，使用氣流來使呈其熔融態(tài)的材料或材料的殘留物從下伏面移開。例如，使用與壓縮氣體源（例如，壓縮空氣或氮氣或其他合適的氣體）連通的噴嘴來將氣流引導(dǎo)至經(jīng)加熱的材料處。使材料或殘留物移開涉及使噴嘴沿著下伏面上的激光束的路徑前進。在參照圖7描述的工藝中，氣流被選擇以使用幾乎剛剛足以將經(jīng)加熱的材料從下伏面移開的力來沖擊經(jīng)加熱的材料。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在特定且非限制性示例中討論了任意的數(shù)值或范圍，并且不同的數(shù)值或范圍可以適合于不同的應(yīng)用。應(yīng)理解，激光束供應(yīng)能量以減小待去除的材料與材料下伏面之間的粘附強度。取決于材料和下伏面的特性，激光束的強度可以相對高或相對低。通常，相對大的束斑是適合的，并且因此可以采用亮度低的激光束。參照去除硅酸鹽島的具體示例，通常需要高功率的激光束。參照去除不期望材料（例如，這樣的油性膜）的具體示例，通常低功率的激光束是足夠的。

應(yīng)注意，已經(jīng)呈現(xiàn)了硅酸鹽島作為可以使用激光輔助動力清洗的工藝和系統(tǒng)來去除的材料類型的一個具體且非限制性示例。硅酸鹽對于焊接金屬具有低溶解度，并且硅酸鹽和鋼合金具有完全不同的晶體結(jié)構(gòu)，使得硅酸鹽與金屬合金之間的接合不是冶金的。

另外，所提供的束斑形狀和尺寸、噴嘴幾何形狀等的具體示例不旨在是限制性的。束斑可選地為圓形、正方形、矩形等，并且足夠?qū)捯愿采w被清潔的焊道的寬度。優(yōu)選地，光束能量分布是均勻的。此外，所需的激光束強度取決于掃掠速度、光束形狀等，以及待去除的材料的特性。取決于待去除的材料和基板，激光束可以是連續(xù)波或脈沖的。噴嘴幾何形狀優(yōu)選地包括窄但寬的槽開口用于提供覆蓋大的寬度的高的流量。

雖然已經(jīng)在本文中描述和示出了幾個方面實施方案，應(yīng)該理解的是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地預(yù)見各種用于執(zhí)行所述功能和/或獲得所述結(jié)果和/或本文所描述的一種或更多種益處的其他的方法和/或結(jié)構(gòu)，并且這樣的變化方式和/或更改方式中的每一個被認為在本文所描述的實施方案的范圍內(nèi)。更一般地，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解本文中所描述的所有參數(shù)、尺寸、材料、以及構(gòu)造意在是示例性的，而實際的參數(shù)、尺寸、材料、和/或構(gòu)造將取決于具體應(yīng)用或使用發(fā)明性教導(dǎo)的應(yīng)用。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到或者僅僅利用常規(guī)的實驗方法能夠斷定，與本文所描述的特定發(fā)明性實施方案等同的許多實施方案。因此，應(yīng)該理解的是，僅通過示例的方式呈現(xiàn)了前述實施方案，并且這些實施方案在所附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)，可以實踐除了具體描述和要求保護之外的發(fā)明性實施方案。本公開內(nèi)容的發(fā)明性實施方案涉及本文中所描述的各個不同的特征、系統(tǒng)、制品、材料、工具和/或方法。另外，如果本文所描述的特征、系統(tǒng)、制品、材料、工具和/或方法不是互相抵觸的，那么這樣的特征、系統(tǒng)、制品、材料、工具和/或方法的兩種或更多種的任意組合包括在本公開內(nèi)容的發(fā)明范圍內(nèi)。

如本文所限定和使用的所有定義應(yīng)該被理解為控制詞典定義、和/或所限定的術(shù)語的一般意義。如本文中所使用的在說明書和權(quán)利要求書中的非限定冠詞“a（一）”和“an（一）”除非清楚地被指定為相反的含義，否則應(yīng)該被理解為意指“至少一個”。如本文中所使用的在說明書和權(quán)利要求書中的短語“和/或”應(yīng)該被理解為意指如此結(jié)合的元件（即，在一些情況下連接呈現(xiàn)的或者在其他情況下分離呈現(xiàn)的元件）中的“任意一個或兩者”。

用“和/或”連接的多個元件應(yīng)該被理解為具有相同的方式，即，如此連接的“一個或更多個”元件。除了那些被通過“和/或”從句具體限定的那些元件之外的其他元件可以可選擇地被呈現(xiàn)，或者與具體限定的那些元件相關(guān)或者與具體限定的那些元件不相關(guān)。因而，作為非限制性示例，當結(jié)合開放式的語言例如“包括”使用時，引用“A和/或B”在一個實施方案中可以僅指A（可選擇地包括除了B之外的元件），在另一個實施方案中可以僅指B（可選擇地包括除了A之外的元件），在又另一實施方案中可以指A和B兩者（可選擇地包括其他元件）等。

如本文中用在說明書和權(quán)利要求書中的，“或”應(yīng)該被理解為具有與如上定義的“和/或”相同的意思。例如，當在列表中分列項目時，“或”或“和/或”應(yīng)該解釋為是包括性的，即包括元件和可選地附加的未列出的項目的數(shù)目或列表中的至少一個，但也包括多于一個。僅明確相反地指出的表述，如“僅一個”或“正好一個”或用在權(quán)利要求書中的“由…組成”，將指包括元件的數(shù)目或列表中的正好一個元件。通常而言，當前面有排它性術(shù)語如“兩者之一”、“其一”、“僅有其一”或“正好其一”時，本文所使用的表述“或”應(yīng)該僅被解釋為表示排它的可選方案（即“一個或另一，而非兩者”）。當用在權(quán)利要求中時，“基本上由…組成”將具有在專利法領(lǐng)域中所使用的通常的意義。

如本文中所使用的在說明書和權(quán)利要求書中，關(guān)于一組一種或更多種元件的短語“至少一個”應(yīng)該被理解為意指選自所列元件中的任意一種或者更多種的至少一個元件，但是不必包括在所列元件內(nèi)具體列出的每個元件中的至少一個并且不排除所列元件中元件的任意組合。這一規(guī)定還允許可以可選擇地呈現(xiàn)除了在短語“至少一個”所指的那些所列元件內(nèi)具體限定的元件之外的元件，不管是否與具體限定的那些元件相關(guān)或者不相關(guān)。因而，作為非限制性示例，“A和B中至少之一”（或者等同于“A或B中至少之一”或者等同于“A和/或B中至少之一”）可以，在一個實施方案中指至少一個，可選地包括不止一個，A，不存在B（并且可選地包括除了B的元件）；在另一實施方案中，指至少一個，可選地包括不止一個，B，不存在A（并且可選地包括除了A的元件）；在又另一實施方案中，指至少一個，可選地包括不止一個，A，以及至少一個，可選擇地包括不止一個B（并且可選擇地包括其他元件）等。

還應(yīng)理解，除非清楚地被指定為相反的含義，否則在本文中要求保護的包括多于一個的步驟或行動的任何方法中，方法的步驟或行動的順序不一定限于所述方法的步驟或行動的順序。

數(shù)字范圍包括限定范圍的端點值。例如，“1100℃至1200℃之間”包括1100℃和1200℃，以及1100℃至1200℃之間的所有溫度值。

在權(quán)利要求書以及上述說明書中，所有的慣用短語例如“包括”、“包含”、“承載”、“具有”、“含有”、“涉及”、“擁有”、“由……構(gòu)成”等應(yīng)該被理解為是開放的，即，意指包括但不限于。只有慣用短語“由……組成”和“基本由……組成”應(yīng)該分別是封閉或者半封閉的慣用短語。

出于說明的目的提出了對本發(fā)明的數(shù)個方法和一個實施方案的前述描述。該描述并非是無遺漏的或者將本發(fā)明限于所公開的精確步驟和/或形式，而是明顯地，鑒于上述教導(dǎo)，可以進行許多修改和變型。旨在本發(fā)明的范圍和所有等同內(nèi)容由所附權(quán)利要求限定。