基于镜面反射率测量的激光制备钢件防锈膜方法与装置
阅读说明：本技术 基于镜面反射率测量的激光制备钢件防锈膜方法与装置 (Method and device for preparing steel part anti-rust film by laser based on specular reflectivity measurement ) 是由 白杨 余立冬 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于镜面反射率测量的激光制备钢件防锈膜方法与装置,方法中,在经过预处理的钢件中提取若干小样,利用近红外激光在小样表面制备防锈膜,对不同制膜参数制备的防锈膜进行45°角入射可见光波段探测用激光镜面反射功率在线测量和电化学阻抗离线测量,确定拥有最大电化学阻抗的防锈膜为最佳防锈膜,将钢件整体表面划分为若干个等面积的单元,记录某个单元上第n次制备的防锈膜的探测用激光镜面反射功率,计算相应品质率γ,用在线测量的品质率γ代替离线测量的电化学阻抗实现制膜过程在线监测,当品质率γ大于等于预定值,判断制备出最佳防锈膜,实施下一个单元制膜过程；当品质率γ小于预定值,重复制膜直到其大于等于预定值。(The invention discloses a method and a device for preparing an anti-rust film for a steel part by laser based on specular reflectivity measurement, wherein in the method, a plurality of small samples are extracted from a preprocessed steel part, an anti-rust film is prepared on the surface of the small samples by utilizing near infrared laser, the anti-rust film prepared by different film preparation parameters is subjected to online measurement of laser specular reflection power for detecting a 45-degree incident visible light wave band and offline measurement of electrochemical impedance, the anti-rust film with the maximum electrochemical impedance is determined to be the optimal anti-rust film, the whole surface of the steel part is divided into a plurality of units with equal area, the laser specular reflection power for detecting the anti-rust film prepared at the nth time on a certain unit is recorded, the corresponding quality rate gamma is calculated, the online measurement quality rate gamma is used for replacing the electrochemical impedance measured offline to realize online monitoring of the film preparation process, and when the quality rate gamma is more than or equal to a preset value, the optimal anti-rust film is judged to be prepared, implementing the next unit film-making process; when the quality ratio γ is less than a predetermined value, the film formation is repeated until the quality ratio γ is equal to or greater than the predetermined value.)
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，特别是一种基于镜面反射率测量的激光制备钢件防锈膜方法与装置。
背景技术
钢铁是当今社会经济生活中不可或缺的一种材料，但受到各种自然因素作用，无表面防护的钢铁制品易于受到腐蚀，使用寿命大大缩短。在钢铁制品表面制备出一层附着力强、耐腐蚀、致密性好的防锈层，可有效保护钢铁制品免受高湿、高盐雾环境的腐蚀。目前生成类似防锈膜的方法有高温碱熟发黑、常温有毒发黑以及含氧蒸汽发黑等工艺。这些传统工艺都存在着诸如膜层疏松、膜稳定性差、耗能高、效率低、处理时间长、制膜剂及废液损害人体健康且污染环境等无法避免的缺陷。
激光制备防锈膜属于激光表面改性技术领域，是一种非接触式的钢铁制品防锈膜制备方法。该方法利用激光扫描过程中钢铁制品表面物质吸收激光束能量而快速升温，从而通过Fe原子与O2分子的化学反应，生成内层分布氧化亚铁(FeO)、外层分布四氧化三铁(Fe3O4)结构的铁氧体防锈薄膜。该防锈膜具有均匀连续、附着力和防锈性好的特点。与传统方法对比，激光制备防锈膜具有环保、高效、节能和安全等技术特点，有望成为当前最具潜力的钢件防锈膜绿色制备技术。
在
背景技术
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于镜面反射率测量的激光制备钢件防锈膜方法与装置，能够自动高效地制备高质量的防锈膜。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于方阻测量的激光清洗方法包括以下步骤：
第一步骤中，表面预处理钢件，获得钢件表面的清洁率，
第二步骤中，调节激光制膜参数，所述激光制膜参数包括制膜用激光的功率、脉冲宽度、脉冲重复频率、振镜扫描速度和激光光斑重合率，
第三步骤中，从所述钢件中提取若干钢件小样，设定不同的激光制膜参数在不同钢件小样表面进行激光制备防锈膜，
第四步骤中，在线测量某个钢件小样的防锈膜表面产生的镜面反射功率平均值Pm以及离线测量电化学阻抗Rm，
第五步骤中，确定具有最大电化学阻抗Rmax和镜面反射功率平均值Pa的防锈膜为最佳防锈膜，
第六步骤中，将所述钢件表面划分为若干个等面积的单元，在第i个单元上进行激光制备防锈膜时，在线记录第n次制备的防锈膜表面上的镜面反射光光功率平均值Pn，n为自然数，
第七步骤中，计算第n次制备防锈膜的品质率γ：
其中Pa为最佳防锈膜表面的镜面反射功率平均值、Pn为在第i个单元第n次制备的防锈膜表面的镜面反射功率平均值，在线测量的品质率γ代替离线测量的电化学阻抗以在线监测第i个单元表面制膜过程，当品质率γ大于等于预定值，判断所述单元表面制备出最佳防锈膜，实施下一个单元制膜过程；当品质率γ小于预定值，重复制膜直到γ大于等于预定值。
所述的方法中，第一步骤中，拍摄钢件表面的图像并利用图像法计算所述清洁率，清洁率为清洗干净的面积与图像总面积之比。
所述的方法中，第二步骤中，灰度处理所述图像，所述图像中坐标为(x，y)点的灰度记为A(x，y)，利用平衡点分割算法获取灰度图像平衡值K，然后对灰度图像进行黑白值赋予，坐标为A(x，y)点的灰度记为B(x，y)，从最小灰度到最大灰度均与平衡值K实施对比，灰度A(x，y)小于动态平衡值K的点为未被表面预处理好的点，大于等于平衡值K的点为表面预处理好的点，所述清洁率大于等于99％。
所述的方法中，第二步骤中，所述激光光斑重合率为：
其中，β为激光光斑重合率，v为振镜扫描速率，τ为激光脉冲重复频率，S为相邻光斑重合面积，r为制膜用激光的光斑半径，lx和ly为X方向和Y方向上相邻激光光斑的中心距离，通过设定振镜扫描速度v和激光脉冲重复频率τ获得不同的激光光斑重合率β。
所述的方法中，第四步骤中，经由探测用激光在线测量，探测用激光与钢件表面的法线呈45入射角，探测用激光包括可见光波段的激光。
所述的方法中，第七步骤中，所述的最佳防锈膜表面的镜面反射功率平均值Pa、在第i个单元第n次制备的防锈膜表面的镜面反射功率平均值Pn均是在防锈膜表面随机取样10个以上不同点位处45°角入射探测用激光的镜面反射光光功率测量值的算术平均值。
所述的方法中，第七步骤中，所述预定值为95％。
一种实施所述的激光制备钢件防锈膜方法的激光制备钢件防锈膜装置包括，
机械臂，其具有多个自由度以调整距离钢件的位置；
制膜光源系统，其连接所述机械臂，制膜光源系统包括，
第一激光光源，其生成制膜用第一激光光束，
扫描振镜，其设在所述激光光源的光路上，
光隔离器，其接收来自所述扫描振镜的第一激光光束，
光束聚焦透镜，其聚焦来自所述光隔离器的第一激光光束；
三维平移台，其在三维方向可调节地平动；
制膜监测系统，其支承于所述三维平移台，所述制膜监测系统包括，
第二激光光源，其生成探测用第二激光光束，
激光功率测量表头和激光功率测量探头，测量钢件的防锈层表面的第二激光光束的镜面反射光光功率；
制膜导热系统，其支承于所述三维平移台，所述制膜导热系统包括，
导热板，其支撑且导热所述钢件，
半导体制冷片，其连接并冷却所述导热板，
风扇，其朝向所述导热板吹风，
热敏电阻，其连接所述导热板，
温度控制器，其连接所述热敏电阻以调节温度；
图像拍摄单元，其朝向所述钢件以采集图像。
所述的激光制备钢件防锈膜装置中，所述第一激光光源可调节地朝所述钢件表面以±1°角发射制膜用第一激光光束，第一激光光束为波长在近红外波段的脉冲激光束，所述第一激光光源的激光平均功率在0-100W连续可调，激光脉冲重复频率1kHz-500kHz连续可调，脉冲宽度200ns，振镜扫描速率0-4000mm/s连续可调。
所述的激光制备钢件防锈膜装置中，所述第二激光光源可调节地朝所述钢件表面以45°角发射探测用第二激光光束，并以同平面对称45°角用所述激光功率测量表头和激光功率测量探头测量所述防锈层表面的镜面反射光光功率，所述的探测用激光功率为2W、波长在450-650nm可见光波段，发散角小于5mrad，光斑直径小于1mm。
和现有技术相比，本发明在经过预处理的钢件中提取若干小样，利用近红外激光在小样表面制备防锈膜，对不同制膜参数制备的防锈膜进行45°角入射可见光波段探测用激光镜面反射功率在线测量和电化学阻抗离线测量，确定拥有最大电化学阻抗的防锈膜为最佳防锈膜，通过将恒温钢件整体表面划分为若干个等面积的单元，记录某个单元上第n次制备的防锈膜的探测用激光镜面反射功率，计算相应品质率，用在线测量的品质率代替离线测量的电化学阻抗实现制膜过程在线监测，判断该单元上是否制备出最佳防锈膜，从而高效地在钢件整体表面制备出最佳防锈膜。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述说明和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的
具体实施方式
进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1为一种脉冲激光制备钢件表面防锈膜方法的步骤流程图；
图2为一种脉冲激光制备钢件表面防锈膜装置的结构示意图；
图中各附图标记含义为：1.钢件，2.第一激光光源，3.扫描振镜，4.光隔离器，5.光束聚焦透镜，6.激光功率测量表头，7.激光功率测量探头，8.小孔光阑9.图像拍摄单元，10.第二激光光源，11.导热板，12.半导体制冷片，13.风扇，14.热敏电阻，15.温度控制器，16.三维平移台，17.电脑，18.机械臂；
图3和图4为不同防锈膜的电化学阻抗谱数值图；
图5和图6为初始钢件小样表面图和激光制备最佳防锈膜后的钢件小样表面图；
图7最佳防锈膜的X射线衍射图谱(XRD)；
图8最佳防锈膜的扫描电镜测试图(SEM)。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图图1至图8更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
在一个实施例中，如图1所示，基于镜面反射率测量的激光制备钢件防锈膜方法包括，
第一步骤中，将需要制备表面防锈膜的钢件1进行表面预处理，CCD数码相机9连接电脑17，利用电脑17进行图像法计算，获得钢件表面的清洁率，
第二步骤中，调节激光制膜参数，所述参数包括制膜用激光的功率、脉冲宽度、脉冲重复频率、振镜扫描速度、激光光斑重合率，
第三步骤中，在经过预处理的整体钢件1中提取若干钢件1小样，设定不同的激光制膜参数，在不同钢件1小样表面进行激光制备防锈膜，
第四步骤中，用激光功率测量表头6和激光功率测量探头7在线测量探测用激光在某个钢件1小样防锈膜表面产生的镜面反射功率平均值Pm，对应用电化学实验离线测量该钢件1小样表面防锈膜的电化学阻抗Rm，
第五步骤中，确定拥有最大电化学阻抗Rmax和对应的镜面反射功率平均值Pa防锈膜为最佳防锈膜，
第六步骤中，将钢件整体表面划分为若干个等面积的单元，在第i个单元上进行激光制备防锈膜时，在线记录第n次制备的防锈膜表面上探测激光束镜面反射光光功率平均值Pn，n为自然数，
第七步骤中，计算第n次制备防锈膜的品质率γ：
其中Pa为探测用激光在在最佳防锈膜表面的镜面反射功率平均值、Pn为探测用激光在第i个单元第n次制备的防锈膜表面的镜面反射功率平均值，用在线测量的品质率γ代替离线测量的电化学阻抗实现在第i个单元表面制膜过程在线监测，当品质率γ大于等于预定值，判断该单元表面制备出最佳防锈膜，实施下一个单元制膜过程；当品质率γ小于预定值，重复制膜直到γ大于等于预定值。
所述的方法的优先实施方式中，第一步骤中，灰度处理所述图像，所述图像中坐标为(x，y)点的灰度记为A(x，y)，利用平衡点分割算法获取灰度图像平衡值K，然后对灰度图像进行黑白值赋予，坐标为A(x，y)点的灰度记为B(x，y)，从最小灰度到最大灰度均与平衡值K实施对比，灰度A(x，y)小于动态平衡值K的点为未被表面预处理好的点，大于等于平衡值K的点为表面预处理好的点，所述清洁率大于等于99％。
黑白值赋予方法如下所示。
清洁率η为清洗干净的面积与图像总面积之比，是评估预处理质量的重要参数之一。实验计算出黑白值赋予的图像的总像素点个数D，同时出计算白色区域(钢件基底)的像素点个数DW，DW/D即为该钢件表面在某一预处理下的清洁率η。
所述的方法的优先实施方式中，第一步骤中，所述的钢件1为各种铁合金，且所制备出的防锈膜是一种均匀连续、附着力和防锈性良好的铁氧体薄膜。铁氧体薄膜成分包括外层分布的四氧化三铁(Fe3O4)和内层分布的氧化亚铁(FeO)。具体反应如下化学方程式：
所述的方法的优先实施方式中，第二步骤中，所述的激光光斑重合率β遵循以下公式：
其中v为振镜扫描速率，τ为激光脉冲重复频率，激光光斑重合率β、S′为相邻光斑重合面积，r为制膜用激光的光斑半径，lx和lv为X方向和Y方向上相邻激光光斑的中心距离。通过设定不同振镜扫描速度v和激光脉冲重复频率τ，可以获得不同的激光光斑重合率。
所述的方法的优先实施方式中，第二步骤中，所述的制膜用激光的焦点与钢件1表面之间允许存在小于±2mm的离焦量。
所述的方法的优先实施方式中，第三步骤中，所述的钢件1小样的尺寸为20mm×20mm×2mm。
所述的方法的优先实施方式中，第四步骤中，所述的探测用激光为可见光波段的激光，探测用激光与钢件1表面的法线呈45°入射角。
所述的方法的优先实施方式中，第四步骤中，所述的激光功率测量表头6和激光功率测量探头7安装在钢件另一侧，激光功率测量探头7法线也与钢件表面的法线呈45°。
安装在钢件1另一侧，其探头的法线也与钢件1表面的法线呈45°。
所述的方法的优先实施方式中，第六步骤中，所述的Pa、Pn均是在对应的防锈膜表面随机取样10个以上不同点位处45°角入射探测用激光的镜面反射光光功率测量值的算术平均值。
所述的方法的优先实施方式中，第七步骤中，预定值为95％。
如图1所示，基于镜面反射率测量的激光制备钢件1防锈膜装置包括，机械臂18、CCD数码相机9、制膜光源系统、制膜监测系统、制膜导热系统和三维平移台六部分；
机械臂18，其承载制膜光源系统；
制膜光源系统，其发射制膜用近红外激光，其连接第一激光光源2、扫描振镜3、光隔离器4以及光束聚焦透镜5，由机械臂18控制移动，可调节地朝所述钢件1表面发射激光以制备所述防锈层；
三维平移台16，其承载制膜监测系统、制膜导热系统和钢件；
制膜监测系统，其发射可见光波段探测用激光束，其连接第二激光光源10、激光功率测量表头6、激光功率测量探头7和小孔光阑8，由三维平移台16控制移动，可调节地朝所述钢件表面发射探测用激光，并用所述激光功率测量表头6和激光功率测量探头7测量防锈层表面探测用激光的镜面反射光光功率；
制膜导热系统，其为了防止制膜过程中二次热积累使膜的质量下降，其连接金属导热板11、半导体制冷片12、热敏电阻14、温度控制器15和风扇13，由三维平移台16控制移动；
CCD数码相机9，其用于图像数据采集，获得钢件表面的清洁率。
所述的装置的优选实施例中，所述的制膜用激光为波长在近红外波段的脉冲激光束，激光平均功率在0-100W连续可调，激光脉冲重复频率1kHz-500kHz连续可调，脉冲宽度200ns，振镜扫描速率0-4000mm/s连续可调。
所述的装置的优选实施例中，所述的第一激光光源2以可调节地朝所述钢件1表面以±1°角发射制膜用激光，所述的制膜用激光为波长在近红外波段的脉冲激光束，激光平均功率在0-100W连续可调，激光脉冲重复频率1kHz-500kHz连续可调，脉冲宽度200ns，振镜扫描速率0-4000mm/s连续可调。
所述的装置的优选实施例中，所述的第二激光光源10可调节地朝所述钢件表面以45°角发射探测用激光，并以同平面对称45°角用所述激光功率测量表头6和激光功率测量探头7测量探测所述防锈层表面探测用激光的镜面反射光光功率，所述的的探测用激光功率为2W、波长在450-650nm可见光波段，发散角小于5mrad，光斑直径小于1mm；
反射分为漫反射和镜面反射，当制膜激光射在钢件表面制备防锈膜时，也会在钢件表面刻蚀出一些特殊的微米级微结构，因此导致探测激光照射在防锈膜上时所形成的漫反射和镜面反射成分比也就不同。制膜监测系统所得光功率值主要是膜的镜面反射引起的，由于不同性能的防锈膜对应不同的表面微米级微结构，从而最终制膜监测系统所得的镜面反射光功率值也就随着防锈膜的性能不同而改变。
所述的装置的优选实施例中，所述的恒温导热系统在钢件1表面防锈膜的制膜过程中，使所述的钢件1温度保持在30℃左右，温度漂移在±5％以内。
所述的装置的优选实施例中，所述防锈膜的制膜参数为：激光功率为30-40W、脉冲重复频率为100-200kHz、脉冲宽度为200ns、激光光斑重合率为80％-90％。
在一个实施列中，组装连线：将第一激光光源2用机械臂18固定好后，将其与激光功率测量表头6、激光功率测量探头7、三维平移台16和CCD数码相机9的信号线以此连入电脑17，恒温导热系统中的热敏电阻14通过链接温度控制器最终也将接入电脑，进行数据的采集和控制。
样品准备：Q235热轧钢板以及相应小样品若干，钢件尺寸：4000mm×4000mm×2mm，小样尺寸：20mm×20mm×2mm，钢件和其小样表面部分区域金属光泽，但部分区域有锈蚀层和其他杂质。
预处理：该实施例的预处理采用，激光清洗预处理方法(可根据不同的情况选用不同的预处理方式，如：机械磨抛、化学腐蚀等)，待钢件小样表面的清洁率η≥99％后方可结束预处理。
预处理激光清洗参数设置：激光波长1064nm，功率100W，脉冲宽度200ns，脉冲重复频率：100kHz，扫描速度2000mm/s，物镜4焦距400mm和离焦量为±2mm。
激光制备防锈膜参数设置：激光功率为30-40W、脉冲重复频率为100-200kHz、脉冲宽度为200ns、激光光斑重合率为80％-90％，聚焦透镜4焦距400mm和离焦量为±2mm。
样品台温度控制：激光制备防锈膜过程中，恒温导热系统所获取的温度数据需实时传入电脑17，并通过电脑实时控制温度控制器15将样品台一直保持在30℃，温度漂移在±5％。
进行激光制备防锈膜：设定单次制备的扫描次数为1，对钢件1小样进行一次激光制备防锈膜。
确定最佳防锈膜镜面反射光功率值：用激光功率测量表头6和激光功率测量探头7在线测量探测用激光在某个钢件小样防锈膜表面产生的镜面反射功率平均值Pm，对应用电化学实验离线测量该钢件小样表面防锈膜的电化学阻抗Rm，从而确定拥有最大电化学阻抗Rmax和对应的镜面反射功率平均值Pa防锈膜为钢件最佳防锈膜。
划分制膜单元：将钢件1整体表面划分为若干个等面积的单元，每个单元尺寸为20mm×20mm×2mm，在第i个单元上进行激光制备防锈膜时，在线记录第n次制备的防锈膜表面上探测激光束镜面反射光光功率平均值Pn。
数据处理：计算第n次制备防锈膜的品质率γ：
其中Pa为探测用激光在在最佳防锈膜表面的镜面反射功率平均值、Pn为探测用激光在第i个单元第n次制备的防锈膜表面的镜面反射功率平均值。
表1所示为激光功率测量表头6和激光功率测量探头7在线测量探测用激光在某个钢件1小样防锈膜表面产生的镜面反射功率平均值Pm，以及对应用电化学实验离线测量该钢件1小样表面防锈膜的电化学阻抗Rm，从而确定拥有最大电化学阻抗Rmax和对应的镜面反射功率平均值Pa防锈膜为最佳防锈膜的相关实测数据。
表1：
表2所示为对第i个单元表面实时在线监测和控制防锈膜制膜过程的实测数据，第一次、第二次、第三次和第四次制膜后品质率分别为γ1＝73.90％、γ2＝84.50％、γ3＝91.30％、γ4＝93.67％均小于预定值，第五次制膜后γ5＝95.68％大于预定值结束该单元的制膜，开始第i+1个单元防锈膜的制备。
表2：
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
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