CN103008889A - 一种基于激光毛化技术的激光除锈装置和方法 - Google Patents

一种基于激光毛化技术的激光除锈装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于激光毛化技术的激光除锈装置和方法，包括激光器、保护气体瓶、除锈头、气体吸附装置和机器转臂，除锈头内设有激光通道，除锈头由除锈头本体和除锈喷嘴组成，除锈喷嘴上设有气体吸附通道和气体吸附管接口，气体吸附通道与气体吸附管接口贯通；除锈头本体上设有传输光纤接口、聚焦透镜和保护气体管接口，保护气体管接口与激光通道贯通；激光器通过传输光纤与传输光纤接口连接，保护气体瓶通过保护气体管与保护气体管接口连接，气体吸附装置通过气体吸附管与气体吸附管接口连接，除锈头整体安装在机器转臂上，实现上下左右多个角度运动；利用该装置的除锈方法得到的材料表面就比单独激光除锈之后涂防护漆，有更好的防止生锈的效果。

Description

一种基于激光毛化技术的激光除锈装置和方法
技术领域
本发明涉及一种激光除锈装置和方法，特别涉及一种基于激光毛化技术的激光除锈装置和方法，适用于海洋工程装备的除锈领域。
背景技术
众所周知，近年来随着中国经济的不断增长、对能源的需求不断增加，我国对海洋石油的开发不断重视起来。中国的海上油田开发基本上集中在近海以内，300米以上的海域还有90% 没有开发，所以未来的海洋石油平台将会越来越多的集中在深海。所以适应深海环境可用于海洋石油勘探和开采的海洋平台已成为深海油气开发的主要装备。随着各种新材料的应用，钻井平台离大陆越来越远，于是在海洋结构的建造以及维修中，对海工平台的除锈技术发展提出了迫切的要求。
现代工业除锈技术主要有四类（侯玫，张传俊.现代工业中几种先进除锈方法的对比研究[J].机械研究与应用，2007（20）4：19-20）：高压水除锈法、酸洗除锈法、喷砂除锈法、激光除锈法。高压水流除锈法需要耗费大量的水，而且水对金属表面会有锈蚀作用，另外还会带来如何处理被污染的清洗用水问题；酸洗除锈法清洗操作过程复杂、危险，不仅易对工件表面造成损伤，而且所产生的废液也会带来环境污染问题；喷砂除锈法，会减少工件本身的寿命，会产生大量灰尘，不仅污染环境更重要的是严重危害了操作人员的健康。在对环境保护日益重视的今天，由此可见以上三种方法都不适合海工平台的除锈。激光除锈不需要使用任何有害的化学清洗剂，只会产生极少的废物 (比如，除锈时产生的一些金属黑色粉末、灰尘等)，均可以采用吸附装置进行除去。如果和机器人或机器臂相结合，可实现自动化无人操作。但传统方法是激光除锈之后就直接对材料进行喷漆，没有后续的进一步操作。结果就造成材料的防锈能力不强，潮湿的海风吹拂后，没过多长时间，材料表面就又会生锈。
发明内容
本发明是为了克服传统的利用激光除锈后，材料表面经过一段时间又容易生锈的缺陷，提供一种基于激光毛化技术的激光除锈装置和方法。
本发明所采用的技术思路是在激光除锈装置中集成了激光毛化设备，在激光除锈之后进行激光毛化，在激光毛化之后再对材料表面进行喷漆处理，可以有如下几种技术方案：一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，包括激光器、保护气体瓶、除锈头、气体吸附装置和机器转臂，所述除锈头内设有激光通道，所述除锈头由除锈头本体和连接在所述除锈头本体上的除锈喷嘴组成，所述除锈喷嘴上设有位于所述激光通道外侧的气体吸附通道和气体吸附管接口，所述气体吸附通道与所述气体吸附管接口贯通；所述除锈头本体上依次设有传输光纤接口、聚焦透镜和保护气体管接口，所述保护气体管接口与除锈头上的激光通道贯通；所述激光器通过传输光纤与所述除锈头本体上的传输光纤接口连接，所述保护气体瓶通过保护气体管与所述除锈头本体上的保护气体管接口连接，所述气体吸附装置通过气体吸附管与所述除锈喷嘴上的气体吸附管接口连接，所述除锈头整体安装在所述机器转臂上，所述除锈头通过所述机器转臂实现上下左右多个角度运动。
更进一步的，所述除锈喷嘴与所述除锈头本体螺纹连接，这样可以实现除锈喷嘴与除锈头本体之间的方便快速地更换。
更进一步的，为保证聚焦透镜的聚焦效果，所述聚焦透镜与所述保护气体管接口之间设有保护平面镜，用来防止喷嘴内的杂质污染聚焦透镜。
一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，包括激光器、保护气体瓶、除锈头、气体吸附装置和机器转臂，所述除锈头内设有激光通道，所述除锈头由除锈头本体和连接在所述除锈头本体上的除锈喷嘴组成，所述除锈喷嘴上设有位于所述激光通道外侧的气体吸附通道、保护气体管接口和气体吸附管接口，所述保护气体管接口和所述激光通道贯通，所述气体吸附管接口与所述气体吸附通道贯通；所述除锈头本体上设有传输光纤接口和聚焦透镜；所述激光器通过传输光纤与所述除锈头本体上的传输光纤接口连接，所述保护气体瓶通过保护气体管与所述除锈喷嘴上的保护气体管接口连接，所述气体吸附装置通过气体吸附管与所述除锈喷嘴上的气体吸附管接口连接，所述除锈头整体安装在所述机器转臂上，所述除锈头通过所述机器转臂实现上下左右多个角度运动。
更进一步的，所述除锈喷嘴与所述除锈头本体螺纹连接，这样可以实现除锈喷嘴与除锈头本体之间的方便快速地更换。
更进一步的，为保证所述除锈头本体内聚焦透镜的聚焦效果，在所述除锈头本体内的聚焦透镜下方设有保护平面镜，用来防止喷嘴内的杂质通过激光通道污染聚焦透镜。
上述方案中，所述保护气体瓶内的气体为氩气。
上述方案中，所述激光器的脉冲频率范围为                                                
Figure 506542DEST_PATH_IMAGE001
，输出功率密度范围为
Figure 2012105362387100002DEST_PATH_IMAGE002
。
利用上述激光除锈装置进行激光除锈的方法，包括如下步骤：A：打开激光器，将所述激光器的工作频率保持在
Figure 486000DEST_PATH_IMAGE003
，输出光束功率密度保持在
Figure 2012105362387100002DEST_PATH_IMAGE004
 ，激光光束经过传输光纤在除锈头内由聚焦透镜会聚在待除锈部位；利用机器转臂来调整离焦量使激光光斑直径保持在0.5mm；进行激光除锈，同时启动气体吸附装置，以空气作为吸附气体，保持吸附速度为
Figure 390371DEST_PATH_IMAGE005
；于是激光除锈过程中产生的灰尘将通过气体吸附管集中被吸附到气体吸附装置里。
B：激光除锈结束后，关闭气体吸附装置，将所述激光器的工作频率保持在
Figure 2012105362387100002DEST_PATH_IMAGE006
，输出光束功率密度保持在
Figure 910214DEST_PATH_IMAGE007
 ，激光光束经过传输光纤在除锈头内由聚焦透镜会聚在待毛化部位，利用机器转臂来调整离焦量使激光光斑直径保持在0.1mm；打开保护气体瓶，将氩气通过保护气体管以
Figure DEST_PATH_IMAGE008
的流速送入激光除锈头内，进行激光毛化。
本发明的技术效果：（1）采用激光除锈，不会对环境产生污染，产生的灰尘可以用气体吸附装置收集除去。（2）单独进行激光除锈需要一台激光器和其他设备，单独进行激光毛化也需要一台激光器和其他设备，这样设备投入资金就会多，在空间比较紧张的海洋平台上占用体积就会比较大；同时先除锈再毛化需要更换设备，操作就会相对复杂。而本发明通过在激光除锈装置中集成了激光毛化设备，减少了设备投入资金，节省了海工平台的空间，不需要更换设备就可以进行激光毛化，提高了工作效率。（3）采用机器转臂控制除锈头，可以实现自动化激光除锈和毛化，也有利于保证定位精度和除锈、毛化质量。
附图说明
  下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
图1 是本发明的结构示意图。
图2 是实施例1中的除锈头内部结构示意图。
图3 是实施例1中激光除锈时的除锈头内部气体吸附流向图。
图4是实施例1中激光毛化时的除锈头内部保护气体流向图。
图5 是实施例2中的除锈头内部结构示意图。
图6是图5中A-A方向的剖视图。
图7 是实施例2中激光除锈时的除锈头内部气体吸附流向图。
图8是实施例2中激光毛化时的除锈头内部保护气体流向图。
图中：1.激光器   2.保护气体瓶  3.海工平台  4.气体吸附装置  5.气体吸附管  6.除锈头 7.传输光纤 8.保护气体管  9.机器转臂  61. 保护气体管接口 62. 激光通道 63. 气体吸附通道  64.待除锈（毛化）材料  65.气体吸附管接口   66.保护平面镜  67.聚焦透镜  68. 传输光纤接口。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，实现本发明的装置包括激光器1、保护气体瓶2、除锈头6、气体吸附装置4和机器转臂9，所述除锈头6上设有激光通道62，所述除锈头6由除锈头本体和连接在所述除锈头本体上的除锈喷嘴组成，所述除锈喷嘴与所述除锈头本体螺纹连接，这样可以实现除锈喷嘴与除锈头本体之间的方便快速地更换；所述除锈喷嘴上设有激光通道62、位于所述激光通道62外侧的气体吸附通道63和气体吸附管接口65组成，所述气体吸附管接口65与所述气体吸附通道63贯通；所述除锈头本体上依次设有传输光纤接口68、聚焦透镜67、保护平面镜66和保护气体管接口61，所述保护平面镜66位于所述聚焦透镜67和所述保护气体管接口61之间，所述保护平面镜66用来防止喷嘴内的杂质污染聚焦透镜67；所述保护气体管接口61与除锈头上的激光通道62贯通，所述激光器1通过传输光纤7与所述除锈头本体上的传输光纤接口68连接，所述保护气体瓶2通过保护气体管8与所述除锈头本体上的保护气体管接口61连接，所述气体吸附装置4通过气体吸附管5与所述除锈喷嘴上的气体吸附管接口65连接，所述除锈头6整体安装在所述机器转臂9上，所述除锈头6通过所述机器转臂9实现上下左右多个角度运动；上述整个发明装置全部
本发明装置采用激光器1为激光除锈提供能量来源，激光器的脉冲频率可在
Figure 786903DEST_PATH_IMAGE001
之间调节，输出功率密度可在
Figure 609365DEST_PATH_IMAGE002
 之间调节，光斑直径可在
Figure 938716DEST_PATH_IMAGE009
之间调节。整个装置安装在海洋平台3上，由海洋平台3提供电能，激光的输出配备光束转换开关。
整个装置的操作步骤分为如下两个过程。
A：打开激光器1，将所述激光器的工作频率在
Figure 137616DEST_PATH_IMAGE003
之间选择一个值，则输出光束功率密度在
Figure 868811DEST_PATH_IMAGE004
之间 ，激光光束经过传输光纤7在除锈头内由聚焦透镜67会聚在待除锈部位64；利用机器转臂9来调整离焦量使激光光斑直径保持在0.5mm；进行激光除锈，同时启动气体吸附装置4，以空气作为吸附气体，保持空气流动速度为
Figure 862175DEST_PATH_IMAGE005
，于是激光除锈过程中产生的灰尘将通过气体吸附管集中被吸附到气体吸附装置4里（见图3所示）。
B：激光除锈结束后，关闭气体吸附装置4，将所述激光器的工作频率在
Figure 678821DEST_PATH_IMAGE006
之间选择一个值，则输出光束功率密度保持在
Figure 478150DEST_PATH_IMAGE007
之间 ，激光光束经过传输光纤7在除锈头内由聚焦透镜67会聚在待毛化部位64上，利用机器转臂9来调整离焦量使激光光斑直径保持在0.1mm；打开保护气体瓶2，将氩气通过保护气体管以
Figure 1535DEST_PATH_IMAGE008
的流速送入激光除锈头内，进行激光毛化（见图4所示）。
实施例2
如图1、图5所示，实现本发明的装置包括包括激光器1、保护气体瓶2、除锈头6、气体吸附装置4和机器转臂9，所述除锈头6上设有激光通道62，所述除锈头6由除锈头本体和连接在所述除锈头本体上的除锈喷嘴组成，所述除锈喷嘴上设有,位于所述激光通道62外侧的气体吸附通道63、保护气体管接口61（图6所示）和气体吸附管接口65，所述保护气体管接口61和所述激光通道62贯通，所述气体吸附管接口65与所述气体吸附通道63贯通；所述除锈头本体上设有传输光纤接口68和聚焦透镜67；所述激光器通过传输光纤7与所述除锈头本体上的传输光纤接口68连接，所述保护气体瓶2通过保护气体管8与所述除锈喷嘴上的保护气体管接口61连接，所述气体吸附装置4通过气体吸附管5与所述除锈喷嘴上的气体吸附管接口65连接，所述除锈头6整体安装在所述机器转臂9上，所述除锈头6通过所述机器转臂9实现上下左右多个角度运动。
本发明装置采用激光器1为激光除锈提供能量来源，激光器的脉冲频率可在
Figure 493697DEST_PATH_IMAGE001
之间调节，输出功率密度可在
Figure 859956DEST_PATH_IMAGE002
 之间调节，光斑直径可在
Figure 135079DEST_PATH_IMAGE009
之间调节。整个装置安装在海洋平台3上，由海洋平台3提供电能，激光的输出配备光束转换开关。
整个装置的操作步骤分为如下两个过程。
A：打开激光器1，将所述激光器的工作频率在
Figure 840867DEST_PATH_IMAGE003
之间选择一个值，则输出光束功率密度在
Figure 238351DEST_PATH_IMAGE004
之间 ，激光光束经过传输光纤7在除锈头内由聚焦透镜67会聚在待除锈部位64；利用机器转臂9来调整离焦量使激光光斑直径保持在0.5mm；进行激光除锈，同时启动气体吸附装置4，以空气作为吸附气体，保持空气流动速度为
Figure 967272DEST_PATH_IMAGE005
，于是激光除锈过程中产生的灰尘将通过气体吸附管集中被吸附到气体吸附装置4里（见图7所示）。
B：激光除锈结束后，关闭气体吸附装置4，将所述激光器的工作频率在
Figure 170720DEST_PATH_IMAGE006
之间选择一个值，则输出光束功率密度保持在之间 ，激光光束经过传输光纤7在除锈头内由聚焦透镜67会聚在待毛化部位64上，利用机器转臂9来调整离焦量使激光光斑直径保持在0.1mm；打开保护气体瓶2，将氩气通过保护气体管以的流速送入激光除锈头内，进行激光毛化（见图8所示）。
本发明针对海洋平台维修所提出的一种基于激光毛化的激光除锈方法和装置有着明显的如下优点。
1. 通过在除锈头中添加氩气保护管路成功地将激光除锈、激光毛化二者进行了集成。单独进行激光除锈需要一台激光器和其他设备，单独进行激光毛化也需要一台激光器和其他设备，这样设备投入资金就会多；在空间比较紧张的海洋平台上占用体积就会比较大；先除锈再毛化，需要更换设备，操作就会相对复杂。而本发明通过在激光除锈装置中集成了激光毛化设备，减少了设备投入资金，节省了海工平台的空间，不需要更换设备就可以进行激光毛化，提高了工作效率。
2. 采用激光除锈，不会对环境产生任何污染，产生的灰尘可以用气体吸附装置收集除去。
3. 采用氩气作为保护气体可以保护材料表面在激光毛化过程不发生氧化等缺陷。通过激光毛化形成熔池，在激光毛化后喷漆，增强了油漆的附着力，提高了防锈效果。
4. 采用多条光纤传导激光光束，可以根据除锈、毛化需要对激光能量进行调节，从而避免了不必要的能量浪费。
5. 采用机器人或机器臂控制激光除锈头，可以实现自动化激光除锈、毛化，也有利于保证定位精度和除锈、毛化质量。

Claims (10)

1.一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：包括激光器（1）、保护气体瓶（2）、除锈头（6）、气体吸附装置（4）和机器转臂（9），所述除锈头（6）内设有激光通道（62），所述除锈头（6）由除锈头本体和连接在所述除锈头本体上的除锈喷嘴组成，所述除锈喷嘴上设有位于所述激光通道外侧的气体吸附通道（63）和气体吸附管接口（65），所述气体吸附通道（63）与所述气体吸附管接口（65）贯通；所述除锈头本体上依次设有传输光纤接口（68）、聚焦透镜（67）和保护气体管接口（61），所述保护气体管接口（61）与除锈头上的激光通道（62）贯通；所述激光器（1）通过传输光纤（7）与所述除锈头本体上的传输光纤接口（68）连接，所述保护气体瓶（2）通过保护气体管（8）与所述除锈头本体上的保护气体管接口（61）连接，所述气体吸附装置（4）通过气体吸附管（5）与所述除锈喷嘴上的气体吸附管接口（65）连接，所述除锈头整体安装在所述机器转臂（9）上，所述除锈头（6）通过所述机器转臂（9）实现上下左右多个角度运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：所述聚焦透镜（67）与所述保护气体管接口（61）之间设有保护平面镜（66）。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：所述除锈喷嘴与所述除锈头本体螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：所述保护气体瓶（2）内的气体为氩气。
5.一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：包括激光器（1）、保护气体瓶（2）、除锈头（6）、气体吸附装置（4）和机器转臂（9），所述除锈头（6）内设有激光通道（62），所述除锈头（6）由除锈头本体和连接在所述除锈头本体上的除锈喷嘴组成，所述除锈喷嘴上设有位于所述激光通道（62）外侧的气体吸附通道（63）、保护气体管接口（61）和气体吸附管接口（65），所述保护气体管接口（61）和所述激光通道（62）贯通，所述气体吸附管接口（65）与所述气体吸附通道（63）贯通；所述除锈头本体上设有传输光纤接口（68）和聚焦透镜（67）；所述激光器（1）通过传输光纤（7）与所述除锈头本体上的传输光纤接口（68）连接，所述保护气体瓶（2）通过保护气体管（8）与所述除锈喷嘴上的保护气体管接口（61）连接，所述气体吸附装置（4）通过气体吸附管（5）与所述除锈喷嘴上的气体吸附管接口（65）连接，所述除锈头（6）整体安装在所述机器转臂（9）上，所述除锈头（6）通过所述机器转臂（9）实现上下左右多个角度运动。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：在所述除锈头本体内的聚焦透镜（67）下方设有保护平面镜（66）。
7.根据权利要求5所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：所述除锈喷嘴与所述除锈头本体螺纹连接。
8.根据权利要求5所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：所述保护气体瓶（2）内的气体为氩气。
9.一种利用权利要求1或2或3或4所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置的除锈方法，包括如下步骤：A：打开激光器，将所述激光器的工作频率保持在                                                
Figure 288476DEST_PATH_IMAGE001
，输出光束功率密度保持在
Figure 403062DEST_PATH_IMAGE002
 ，激光光束经过传输光纤在除锈头内由聚焦透镜会聚在待除锈部位；利用机器转臂来调整离焦量使激光光斑直径保持在0.5mm；进行激光除锈，同时启动气体吸附装置，以空气作为吸附气体，保持吸附速度为
Figure 652778DEST_PATH_IMAGE003
；于是激光除锈过程中产生的灰尘将通过气体吸附管集中被吸附到气体吸附装置里；
 B：激光除锈结束后，关闭气体吸附装置，将所述激光器的工作频率保持在
Figure 543112DEST_PATH_IMAGE004
，输出光束功率密度保持在
Figure 384029DEST_PATH_IMAGE005
 ，激光光束经过传输光纤在除锈头内由聚焦透镜会聚在待毛化部位，利用机器转臂来调整离焦量使激光光斑直径保持在0.1mm；打开保护气体瓶，将氩气通过保护气体管以
Figure 454753DEST_PATH_IMAGE006
的流速送入激光除锈头内，进行激光毛化。
10.一种利用权利要求5或6或7或8所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置的除锈方法，包括如下步骤：A：打开激光器，将所述激光器的工作频率保持在
Figure 914684DEST_PATH_IMAGE001
，输出光束功率密度保持在
Figure 754464DEST_PATH_IMAGE002
 ，激光光束经过传输光纤在除锈头内由聚焦透镜会聚在待除锈部位；利用机器转臂来调整离焦量使激光光斑直径保持在0.5mm；进行激光除锈，同时启动气体吸附装置，以空气作为吸附气体，保持吸附速度为；激光除锈过程中产生的灰尘将通过气体吸附管集中被吸附到气体吸附装置里；
B：激光除锈结束后，关闭气体吸附装置，将所述激光器的工作频率保持在，输出光束功率密度保持在
Figure 322346DEST_PATH_IMAGE005
 ，激光光束经过传输光纤在除锈头内由聚焦透镜会聚在待毛化部位，利用机器转臂来调整离焦量使激光光斑直径保持在0.1mm；打开保护气体瓶，将氩气通过保护气体管以的流速送入激光除锈头内，进行激光毛化。
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