CN103084738B - 适用于水深50米以内的水下激光切割枪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种适用于水深50米以内的水下激光切割枪，属于水下切割装置技术领域，本发明为了解决水深50米以内水下激光切割中、厚钢板切割速度不快，切割质量不佳的技术问题。本发明提出的激光切割枪，设计时采用长焦或超长焦切割聚焦透镜思路确保切割质量，主要包括激光离焦量调节部件I、激光调心部件II和激光排水罩部件III。本发明的激光切割枪主要适用于水深50米以内的水下中厚板优质、高效切割。
Description
发明领域
本发明提供的一种适用于水深50米以内的水下激光切割枪，属于水下切割装置技术领域，尤其涉及到50米以内深水的大厚度金属构件的高质量、高效率的水深激光切割枪。
背景技术
21世纪将是开发利用海洋的世纪，随着海洋平台、海底管道、海底储油库、海底隧道、海上飞机场等海上建筑物的不断涌现，在它们的制造、水下安装、维修等施工过程中，水下切割技术是施工中必不可少的重要技术手段。另外退役核设施和核燃料的拆除、解体和报废也需要安全、优质、精确以及放射性废弃物少的水下切割技术来完成。
目前有诸多水下切割方法，主要有高温电弧等离子切割、高温火焰切割以及近年来发展起来的激光切割，这三类切割方法中，相比较激光切割方法的金属切割效率和切割质量均佳。
但是，目前现有的水下激光切割枪只适用于10m-0.1m之内的水深环境，尚没有适用于50m水深的激光切割枪。另外采用的切割聚焦透镜焦距基本都小于300mm，适用于切割相对较薄的钢板，在切割中、厚板切割速度慢，并且切割断面粗糙、背面挂渣严重、切割质量还不够理想。
发明内容
为了解决背景技术中存在的水下激光切割枪存在的不足，本发明提出一种能在水深50米以内高速、优质切割中、厚板的激光切割枪。
本发明技术方案如下：
1.一种水下激光切割枪，采用固体激光器产生切割激光热源，激光经过光纤传输到水下的激光切割枪，
其特征在于，
一种适用于水深50米以内的水下激光切割枪包括：
1)激光离焦量调节部件I
该调节部件I由带外螺纹的调焦枪筒17和带内螺纹并与其啮合的中段枪筒18组成；
转动调焦枪筒17调节激光切割枪的激光离焦量；设置在调焦枪筒17与中段枪筒18之间由两个O型密封橡胶圈5密封；锁紧螺帽9用于锁紧中段枪筒18；
2)激光调心部件II
该调心部件II由末端枪筒10，其上配置的调心螺丝14以及调焦枪筒17组成，通过调节调心螺丝14使调焦枪筒17与末端枪筒10同心；
在调焦枪筒17和末端枪筒10的上部配置压紧环15，该压紧环15通过压紧螺丝16固定；
3)激光排水罩部件III
该激光排水罩部件III由切割喷嘴1、喷嘴安装过渡套2、排水软胶皮环3、排水外套4、三个O型密封橡胶圈5，4个排水进气孔6、混气室7和32个排水进气小孔8组成，从排水孔6通入的气体，经排水进气小孔8稳定的排入喷嘴1的周围，最终经排水软胶环3排出，从而保证喷嘴1附近的水被有效的排开。
2.上述的激光切割枪根据待切割钢板不同厚度选择不同焦距的切割焦距镜头：
当厚度为20-50mm时，选择焦距为600mm的切割焦距镜头，
当厚度为50-70mm时，选择焦距为800mm的切割焦距镜头，
当厚度为70mm以上时，选择焦距为1000mm的切割焦距镜头，
3.上述的激光切割枪可以采用的固体激光器包括光纤激光器、碟型激光器和Nd:YAG激光器。
与已有技术相比，本发明的激光切割枪能够切割水深50米以内的金属板，并且能够实现水下环境中、厚板的高速切割，同时具有切割面质量好、切缝窄、热影响区窄、切割烟尘和颗粒残渣少等优点。为某些要求高效率、高质量的水下切割工程及核装置的解体提供一种理想的水下切割装备。
附图说明
图1.本发明的水下激光切割枪整体结构示意图；
图2.图1的局部放大图I；
图3.图1的局部放大图II；
图4.图1的局部放大图III；
图1中I为激光离焦量调节部件，II为激光调心部件，III为激光排水罩部件，以及保护玻璃19，保护玻璃压紧环20，切割聚焦透镜安装座21，切割聚焦透镜22，透镜压紧环23，上端枪筒24，准直透镜25、透镜压紧环26，光缆27。
首先看图1和图2，为了切割不同厚度金属板获得良好的切割质量和高切割速度，需要在保证喷嘴下端与工件表面距离不变的前提下，调节激光焦点与工件表面的相对距离，即激光离焦量，为此，在图2中给出了激光离焦量调节部件I，该调解部件I由带外螺纹的调焦枪筒17和带内螺纹并与其啮合的中段枪体18组成，转动调焦枪筒17能够改变切割枪筒的总长度，也就改变了激光离焦量；根据实际切割结果，焦点位置的调节范围为±50mm。考虑到深水的工作环境，在调焦枪体17上开两个凹槽，内置两个O型密封橡胶圈5，同时用硅脂均匀填满凹槽，以防止水进入枪体。采用锁紧螺帽锁紧中段枪体18。
再看图1和图3，因为长焦距的激光割距，有助于提高切割速度和改善切割质量，因此在水下切割时采用超长焦距透镜，这时激光切割枪的整体尺寸就会很长，如不采取措施很难保证直径1mm左右的激光束长距离传输后顺利的通过3mm左右的喷嘴，因此激光切割枪增加了激光调心部件II，该调心部件II由末端枪筒10其上配置调心螺丝14以及调焦枪筒17组成，通过调节螺丝14使调焦枪筒17与末端枪筒10同心，调心结束后。压紧螺丝16通过压紧环15锁死末端枪筒10与调焦枪筒17之间的相对位置。两个O型密封橡胶圈5解决了末端枪筒10与调焦枪筒17之间的防水问题。
该图3中还表示出耐高压保护镜片12、镜片压紧环13，还有在末端枪筒10上设置切割气体进气孔11。
最后再看图1和图4，为了获得水下激光切割枪较高的切割速度和优良的切割质量还必须把喷嘴1周围的水排开，因此该水下激光切割枪设计了激光排水罩部件III，该激光排水罩部件III由喷嘴1、喷嘴安装过渡套2、排水软胶皮环3，该排水软胶皮环3粘接在排水外套4的下沿，三个O型密封橡胶圈5，4个排水进气孔6，混气室7和32个排水进气小孔8组成。只要排水罩内的水压稍大于周围水压，喷嘴1周围的水就会排出。从4个排水进气孔6进入的气体，为了使进入的气体不产生紊流，均匀向下输送，经过混气室7，最终通过在排水外套4上开的32个进气小孔8排出，使进入排水罩内的气体稳定均匀，不发生紊流，从而保证喷嘴1附近的水被有效的排开。
请注意图3中的切割气体进气孔11和图4中的排水进气孔6均通过软管与水上陆地相连，并供应气体。
具体实施方式
试验条件如下：待切割的试板放在50米深的水下环境中。激光能量由光纤激光器产生，最大输出功率6.0kW，采用芯径为0.2mm的光纤传输激光能量。切割枪的准直透镜的焦距为200mm，
30mm厚的低碳钢板水下切割实例：
聚焦透镜的焦距选定为600mm，
切割喷嘴直径为3.5mm，喷嘴最下沿距离工件表面距离为1.5mm，
激光功率为5300W，激光焦点位于工件表面上10mm
切割气体种类为氧气，压力为6.5bar，
防水罩内的排水气体种类为空气，压力为5.5bar，
实验结果：在以上切割参数并确保30mm厚的钢板全切断的条件下，如不要求切割质量的最高切割速度为1.10m/min。在保证良好的切割质量的条件下，最高切割速度为0.70m/min。切缝的上表面切缝宽度为1.7mm左右。
50mm厚的低碳钢板水下切割实例：
聚焦透镜的焦距选定为800mm，
切割喷嘴直径为4.0mm，喷嘴最下沿距离工件表面距离为1.5mm，
激光功率为5600W，激光焦点位于工件表面上10mm
切割气体种类为氧气，压力为7.5bar，
防水罩内的排水气体种类为空气，压力为6.0bar，
实验结果：在以上切割参数并确保50mm厚的钢板全切断的条件下，如不要求切割质量的最高切割速度为0.50m/min。在保证良好的切割质量的条件下，最高切割速度为0.35m/min。切缝的上表面切缝宽度为3.2mm左右。
根据钢板厚度选择不同的激光切割焦距镜头，如切割20-50mm厚钢板，选择焦距为600mm的切割焦距镜头，切割50-70mm厚钢板，选择焦距800mm的切割焦距镜头，切割70mm以上的厚钢板，选择焦距为1000mm的切割焦距镜头。
具体实施水下激光切割时，首先在大气环境中根据水下待切割的钢板厚度调节激光切割枪的焦点位置和激光束中心位置，以确保该激光切割枪入水后不再调节焦距和同心度。在水下环境下，该水下激光切割枪由三维行走机构把持实现预定的切割路线。
Claims (3)
1.一种水下激光切割枪，采用固体激光器产生切割激光能量，激光通过光纤传输到水下激光切割枪，
其特征在于，
一种用于水深50米以内的水下激光切割枪包括：
1)激光离焦量调节部件Ι
该调节部件Ι由带外螺纹的调焦枪筒(17)和带内螺纹并与其啮合的中段枪筒(18)组成；
转动调焦枪筒(17)调节激光切割枪的激光离焦量；在调焦枪筒(17)与中段枪筒(18)之间设置两个用于密封的O型密封橡胶圈(5)；锁紧螺帽(9)用于锁紧中段枪筒(18)；
2)激光调心部件Ⅱ
该调心部件Ⅱ由末端枪筒(10)，其上配置的调心螺丝(14)以及调焦枪筒(17)组成，通过调节调心螺丝(14)使调焦枪筒(17)与末端枪筒(10)同心；
在调焦枪筒(17)和末端枪筒(10)的上部配置压紧环(15)，该压紧环(15)通过压紧螺丝(16)固定；
3)激光排水罩部件Ⅲ
该激光排水罩部件Ⅲ由切割喷嘴(1)、喷嘴安装过渡套(2)、排水软胶皮环(3)、排水外套(4)、三个0型密封橡胶圈(5)，4个排水进气孔(6)、混气室(7)和32个排水进气小孔(8)组成，从排水进气孔(6)通入的气体，经排水进气小孔(8)稳定的排入喷嘴(1)的周围，最终经排水软胶皮环(3)排出，从而保证喷嘴(1)附近的水被有效的排开。
2.根据权利要求1所述的激光切割枪，其特征在于，
该激光切割枪根据切割钢板不同厚度选择不同焦距的切割焦距镜头：
当钢板厚度为20—50mm时，选择焦距为600mm的切割焦距镜头，
当钢板厚度为50—70mm时，选择焦距为800mm的切割焦距镜头，
当钢板厚度为70mm以上时，选择焦距为1000mm的切割焦距镜头。
3.根据权利要求1所述的激光切割枪，其特征在于，
能够适用的固体激光器种类为光纤激光器、碟型激光器和Nd:YAG激光器。
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