CN103100537B - 一种水下激光清洗方法及清洗头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种水下激光清洗方法和清洗头，所述清洗方法是将激光经光纤引入水下，并经会聚透镜在距离被清洗材料表面为R的距离产生空化泡，所述R为空化泡的半径，所述清洗头包括光纤（1）、密闭空腔（2）、会聚透镜（3）、可调节杆（4）和滑轮（5），所述清洗方法和清洗头，利用空化泡产生的冲击波实现了对材料表面的清洗，具有高效、环保、不伤害母材等优点。
Description
技术领域
本发明属于激光清洗领域，尤其涉及一种适用于水下使用的激光方法及清洗头。
背景技术
水下清洗技术可用于水下焊接前材料表面的预处理。大大提高水下焊接的质量。水下清洗技术也可用于海洋设施的导管架桩腿和船舶等设施表面因长期侵蚀而形成的腐蚀层，提高其使用寿命，减少灾难的发生。目前主要采用机械清洗和高压水射流清洗。专利号为94101926.8的发明专利水下清洗方法和装置公开一种高压水的清洗方法和装置，专利号为201120338559.7公开一种高压水和打磨结合的清洗打磨装置。机械清洗法效率低，高压水射流清洗法则伴随着对防腐层的彻底破坏，且清洗压力高，存在安全隐患。
水下激光清洗技术是一种新型的激光清洗技术，它通过控制能量强大的激光使水产生大量的空化泡，利用空化泡在材料表面的狭小区域内溃灭产生高达几百兆帕的冲击波，从而达到清理设施表面附着物和污垢层的目的。相对其它清洗技术，该技术不但具有高效、节能、环保、安全等优点，而且具有不伤害设施母材，极少或者完全不伤害完整防腐层的显著优势。由于水下激光清洗和空气中激光清洗技术在原理上存在很大的差别，因此激光清洗头也有区别。专利申请号为201210202175.1公开了一种光纤激光水下实时清洗表面污垢及检测装置，但该装置未解决对局部位置的精细清洗,未解决因为激光冲击材料表面产生的空化泡对外界的干扰问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下激光清方法，该方法利用空化泡的冲击波达到清洗效果。
本发明的另一目的是提供一种水下激光清洗头，该清洗头利用空化泡的冲击波达到清洗效果。
本发明的技术方案是：.一种水下激光清洗方法，激光经光纤引入水下，并经会聚透镜在距离被清洗材料表面为R的距离产生空化泡，所述R为空化泡的半径，计算公式为： ，其中E为激光能量，其中R<9mm。
一种水下激光清洗头，包括光纤、密闭空腔、会聚透镜、可调节杆和滑轮，所述光纤一端与激光器连接，另一端接入密闭空腔入光口，密闭空腔内设有会聚透镜，会聚透镜与激光入射方向垂直，所述密闭空腔出光口设有透光镜，所述会聚透镜的焦距f大于会聚透镜到出光口的距离，所述密闭空腔外部安装有空调节杆，所述调节杆的末端安装有滑轮。
所示调节杆随激光能量进行长度调节，使d=f + R，且，其中：d为会聚透镜到被清洗材料表面的距离,f为会聚透镜的焦距，R为空化泡的最大半径，E为激光能量。
所示调节杆确保激光头的密闭空腔出光口与被清洗材料表面垂直。
所述滑轮5个数为大于3的偶数。
本发明的有益效果：利用水下激光产生的空化现象清洗材料表面，为确保材料清洗效果，使空化泡的最大半径R等于激光会聚点与被清洗材料表面的距离。同时利用密闭空腔、会聚透镜、可调节杆和滑轮的结构，确保了既可以在被清洗表面的运动自由，也确保了激光与被清洗表面的垂直和距离，实现了绿色环保的水下激光清洗。
附图说明
图1 激光头示意图；
图2 距离d计算示意图；
图3 激光能量与空化泡半径间的关系图；
图4 清洗效果图；
其中，1光纤，2密闭空腔 3会聚透镜 4可调节杆 5滑轮 6被清洗材料。
具体实施方式
水下激光清洗技术主要利用空化泡在材料表面溃灭产生的冲击波，这种冲击波高达几百兆帕，足以清理材料表面附着物和污垢层。为了产生这种冲击波，必须保证空化泡的演化不受到外界的干扰，因此材料表面和透镜聚焦点之间必须保证大于空化泡的半径，同时也不能过大，过大的距离导致冲击波的能量传输距离增大，清洗效率降低，经实验发现空化泡的半径R的取值应为R<9mm。
图3是激光能量与空化泡半径间的关系图，图中的曲线反映了随着激光能量的增加，空化泡半径R成一定关系的增加，经计算拟合得出，由实验数据拟合得到公式，其中E为激光能量（mJ），R为空化泡最大半径（mm）。
为有效提升空化泡产生的冲击波的清洗效果，可以调整激光会聚焦点在被清洗材料6表面的位置，即空化泡产生的位置。经试验发现空化泡的最大半径R等于激光会聚焦点距离被清洗材料6表面的距离时，清洗效果最明显。
图1是利用激光冲击产生空化泡清洗材料表面的激光清洗头，包括光纤1、密闭空腔2、会聚透镜3、可调节杆4和滑轮5，所述光纤1一端与激光器连接，另一端接入密闭空腔2入光口，密闭空腔2内设有会聚透镜3，会聚透镜3与激光入射方向垂直，所述密闭空腔2出光口设有透光镜，所述会聚透镜3的焦距f大于会聚透镜3到出光口的距离，所述密闭空腔2外部安装有空调节杆4，所述调节杆4的末端到会聚透镜3的距离d大于会聚透镜3的焦距f。可调节杆4可以根据激光能量调节长度，可调节杆4末端装有滑轮5。其中滑轮5可以直接作用到被清洗材料6表面，自由在材料表面滑动，带动激光头的清洗。如图2所示，当滑轮5接触材料表面时，使会聚透镜距离被清洗材料6表面的距离d = f + R，保证空化泡的演化不受阻碍，其中d为会聚透镜3到被清洗材料6表面的距离（mm）,f为会聚透镜的焦距（mm），R为空化泡的最大半径（mm）。
可调节杆4不仅可以根据激光能力调制长度，而且也确保了激光头和被清洗材料6表面垂直，此时产生的空化泡能量最大，产生冲击波最大，效率最高。其中滑轮5的个数是偶数，可以是4个或6个等，以确保使可调节杆4垂直于被清洗材料6表面，这样不管往哪个方向都移动都保证垂直。
实施例
将用砂纸打磨后再次锈蚀的船用钢材料放置在水中。采用1064nm的光纤激光器，激光能量为500mJ，采用254mm焦距的透镜将激光能量会聚于水中，材料表面据透镜的距离为258mm。清洗效果如图4所示，在显微镜下观察的SEM图片。右边部分为钢铁腐蚀层，左边部分为水下激光清洗后的效果，采用砂纸打磨产生的表面痕迹清晰显示出来。
Claims (3)
1.一种水下激光清洗头，包括光纤（1）、密闭空腔（2）、会聚透镜（3）、可调节杆（4）和滑轮（5），其特征在于，所述光纤（1）一端与激光器连接，另一端接入密闭空腔（2）入光口，密闭空腔（2）内设有会聚透镜（3），会聚透镜（3）与激光入射方向垂直，所述密闭空腔（2）出光口设有透光镜，所述会聚透镜（3）的焦距f大于会聚透镜（3）到出光口的距离，所述密闭空腔（2）外部安装有可调节杆（4），所述可调节杆（4）的末端安装有滑轮（5）；所示调节杆（4）随激光能量进行长度调节，使d=f + R，且 ，其中：d为会聚透镜(3)到被清洗材料(6)表面的距离,f为会聚透镜的焦距，R为空化泡的最大半径，E为激光能量。
2.根据权利要求1所述的一种水下激光清洗头，其特征在于，所示可调节杆(4)确保激光头的密闭空腔(2)出光口与被清洗材料表面垂直。
3.根据权利要求1所述的一种水下激光清洗头，其特征在于，所述滑轮(5)的个数为大于3的偶数。
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