CN105689893B - 模拟海洋环境下激光切割的试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟海洋环境下激光切割的试验装置，该装置包括：加压试验箱和位于该加压试验箱内部的激光切割器(4)；加压试验箱底面设计有排水阀门(6)；加压试验箱的第一侧面外表面分别安装有液位计(11)、窥视窗(10)，在第一侧面内表面安装有温度传感器(9)和水下取景灯(12)；在与第一侧面相连的底面内表面安装有螺旋桨(8)，螺旋桨(8)通过动力输入轴(20)外接减速器(21)和电动机；在螺旋桨所在底面内表面安装有监测摄像头(19)。该试验能够近乎真实地模拟水下50m的海洋环境，为水下激光切割技术提供有效的实验数据，从而优化激光参数设定。

Description

模拟海洋环境下激光切割的试验装置
技术领域
本发明涉及一种模拟水下压力、流场、温度、盐度等海洋环境参数的水下激光切割试验装置。
背景技术
目前在建造、维修及拆除海洋平台、海底管道、海底储油库、海底隧道等海洋工程结构物时，水下激光切割技术发挥着至关重要的作用。相比传统的机械切割法、钻石锯切割法、磨料射流切割法等切割方法，水下激光切割技术有着高效便捷、节约成本、安全环保的优势。
国内外研究水下激光切割技术，多为实验型研究，最大水深不超过100mm。尚未查到水下50m及以上深度的激光切割试验及研究。但是在真实海洋环境中进行水下激光切割试验需要耗费大量的人力、物力和财力。恶劣的海洋自然条件会对试验过程造成很多不确定影响，加大试验数据采集的难度，无法保证同一环境参数下进行比对试验。因此，为了更加方便、准确地研究水下激光切割试验，设计出模拟海洋环境下激光切割试验装置。
现有的激光切割设备设计主要是针对激光切割头的优化、激光切割角度调节方法、激光切割移动装置等，没有针对如深海高压腐蚀的特殊环境下，激光切割实验环境模拟装置的设计。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于设计针对深海高压腐蚀的特殊环境下，模拟水下压力、流场、温度、盐度等海洋环境参数的水下激光切割试验装置。尽可能获取与真实海洋环境下的激光切割试验相类似的结果，进行多次反复比对试验有利于选择最高效的激光切割参数设定。同时研究海洋复杂流场、高压腐蚀环境对激光切割过程的影响机理。为激光切割水下结构物提供技术支撑，缩短激光参数优化的研究时间。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种模拟海洋环境下激光切割的试验装置，该装置包括：
加压试验箱和位于该加压试验箱内部的激光切割器；
加压试验箱底面设计有排水阀门；
加压试验箱的第一侧面外表面分别安装有液位计、窥视窗，在第一侧面内表面安装有温度传感器和水下取景灯；
在与第一侧面相连的底面内表面安装有螺旋桨，螺旋桨通过动力输入轴外接减速器和电动机；在螺旋桨所在底面内表面安装有监测摄像头；
加压试验箱上表面设计有试验箱箱门，在该试验箱箱门上端处依次设置有注水阀门、液位传感器、海水成份配比器；
加压试验箱上表面靠近试验箱箱门一侧设有注气加压孔，在上表面靠近试验箱箱门另一侧设有压力变送器；
激光切割器安放于加压试验箱内部，激光切割器中的激光切割头固定于激光移动机床的悬臂上；斜栅漏网架设于加压试验箱的底面的内表面；空气压缩机、控制操作台位于加压试验箱的外部。
优选的，加压试验箱一体成型或包括相互扣合的上加压试验箱和下加压试验箱。
有益效果：本专利提供了一种模拟海洋环境下激光切割试验装置，规避了在真实海洋中进行激光切割试验存在的环境因素不可控性、实验数据采集的困难性。该试验能够近乎真实地模拟水下50m的海洋环境，为水下激光切割技术提供有效的实验数据，从而优化激光参数设定。同时能够考量分析水下环境对激光器设备甚至于激光切割效果的影响。
附图说明
图1为模拟海洋环境下激光切割试验装置的主视图；
图2为模拟海洋环境下激光切割试验装置的俯视图；
图中有：1、注气加压孔；2、上加压试验箱；3、下加压试验箱；4、激光切割器；5、斜栅漏网架；6、排水阀门；7、底座；8、螺旋桨；9、温度传感器；10、窥视窗；11、液位计；12、水下取景灯；13、压力变送器；14、试验箱箱门；15、注水阀门；16、液位传感器；17、海水成分配比器；18、水冷机；19、监测摄像头；20、动力输入轴；21、减速器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
模拟海洋环境下激光切割试验装置包括加压试验箱和在该试验箱内部的激光切割器4。该切割装置能够在海洋环境模拟系统中完成切割。为了完成切割，还需要有环境参数监测系统、控制系统。
模拟海洋环境下激光切割试验装置包括：加压试验箱底面由四个脚架的底座7固定于地面上。加压试验箱下的底面中部设计有排水孔、排水阀门6。
加压试验箱和位于该加压试验箱内部的激光切割器4；
加压试验箱底面设计有排水阀门6；
加压试验箱的第一侧面外表面分别安装有液位计11、窥视窗10，在第一侧面内表面安装有温度传感器9和水下取景灯12；
在与第一侧面相连的底面内表面安装有螺旋桨8，螺旋桨8通过动力输入轴20外接减速器21和电动机；在螺旋桨所在底面内表面安装有监测摄像头19；
加压试验箱上表面设计有试验箱箱门14，在该试验箱箱门14上端处依次设置有注水阀门15、液位传感器16、海水成份配比器17；
加压试验箱上表面靠近试验箱箱门14一侧设有注气加压孔1，在上表面靠近试验箱箱门14另一侧设有压力变送器13；
激光切割器4安放于加压试验箱内部，激光切割器中的激光切割头固定于激光移动机床的悬臂上；斜栅漏网架5设于加压试验箱的底面的内表面；空气压缩机、控制操作台位于加压试验箱的外部。
加压试验箱一体成型或包括相互扣合的上加压试验箱2和下加压试验箱3。
激光切割器4安放于加压试验箱内部，激光切割器4中的激光切割头固定于激光移动机床的悬臂上；激光移动机床、工件变位机位于加压试验箱底部。斜栅漏网架设于加压试验箱内部的底部。空气压缩机、控制操作台位于加压试验箱的外部。
海洋环境模拟系统包括加压试验箱、空气压缩机、螺旋桨、电动机、减速器、水冷机、海水成分配比器。加压试验箱分为加压试验箱上、加压试验箱下两部分，便于铸造制造。加压试验箱上、加压试验箱下最大面积法兰采用双封水线密封，密封材料初步按石棉考虑。空气压缩机位于加压试验箱外部，空气压缩机通过试验箱上的注气加压孔给加压试验箱内注入压缩空气，营造水下50m的高压环境，注气加压孔位于加压试验箱顶部。加压试验箱内侧壁安装有螺旋桨，输入轴外接减速器和电动机，螺旋桨转动带动海水流动，模拟海底流场。在加压试验箱顶部注水口上方设计一个海水成分配比器，模拟海水密度和成分。水冷机位于加压试验箱外部，用于激光设备的及时散热，以及环境水温的调节。加压试验箱上顶部设计有注水口，注水口上方设计一个海水成分配比器，模拟海水密度和成分。排水孔位于加压试验箱的最底端，便于试验后排出充斥着熔渣杂质的污水。对于加压的防止漏气的问题，主要采用橡胶密封垫的形式。
环境参数监测系统包括压力、温度、液位监测装置。加压试验箱顶端设有压力变送器，测量箱体气压；加压试验箱侧边设有温度传感器，温度可监测；加压试验箱侧边设有液位计，海水深度可视。试验箱侧边设有窥视窗便于工作人员实时查看激光切割试验的情况。试验箱内侧设有监测摄像头，激光切割过程会造成水体局部浑浊较严重，因此摄像机取景安排在远离加工工作区的侧壁上。
激光切割器4安放于试验箱内，包括激光切割头、激光移动机床、工件变位机。激光切割头固定于激光移动机床的悬臂上，可三维调整激光头的位置。激光移动机床、工件变位机位于加压试验箱底部。
控制系统包括激光器参数调整系统、调整激光器位移的液压系统。控制系统用于控制激光切割头的移动、工件变位等行为。控制操作台位于加压试验箱的外部。
在满足水下激光切割试验各装置的移动范围及相对位置，设计加压试验箱尺寸为1800mm×1200mm×1500mm。总体积3.24m3。该试验箱整体做防海水处理，耐腐蚀耐高压。加压试验箱上2和加压试验箱下3由于需要耐海水及盐水碱水高温高压等复杂环境的腐蚀，因此采用A:碳钢壳体，内侧涂环氧树脂胶的形式(环氧树脂为美国、日本海底光缆填充层，基本耐正常海水环境下的所有侵蚀)，按船舶环氧树脂涂覆标准，采用三胶两面的涂覆形式；B:SUS316L不锈钢基体。
对于加压的防止漏气的问题，主要采用橡胶密封垫的形式，并且采用插装转接的形式与水箱壁连接，尽量减少气损的产生。箱体最大面积法兰采用双封水线密封，密封材料初步按石棉考虑。结合处在水面以下，通过水封的形式完全避免漏气的产生。水箱内的隔空体积控制在1立方米以内，而且由于这么大体积的压缩空气的填补需要耗费压缩空气工作站很多气源，因此采用蓄能器的方式使达到水箱保压的目的，尽量模拟现实水下工作状态。
海洋环境模拟系统模拟水下压力、流场、温度、盐度等海洋环境参数。空气压缩机通过试验箱上的注气加压孔1给加压试验箱内注入压缩空气，营造水下50m的高压环境(已知海水的密度约1.025×103kg/m3，水下50m的压强P＝ρgh＝1.025×103×9.8×50Pa＝0.50225MPa，约5个大气压)。试验箱内壁设有螺旋桨8，动力输入轴20联接减速器21和电动机。螺旋桨8转动带动海水流动，模拟海底流场。打开加压箱箱门14，可安置箱内器械，注入所需液体。在注水口15之前设计一个海水成分配比器17，可以在注入一定量自来水前，加入一定质量的海盐。水冷机18用于激光设备的及时散热，以及环境水温的调节。试验箱上安装供排水口，试验前可注入配比好的模拟海水，试验后排出充斥着熔渣杂质的污水。
环境参数监测系统包括压力、温度、液位监测装置。加压试验箱顶部有压力变送器13，测量箱体气压。试验箱侧边设有温度传感器9，用于监测模拟海水温度。试验箱侧边设有液位计11，海水深度可视。加压试验箱内有液位传感器16，可以系统检测水位，不至于溢流等现象产生。加压试验箱侧边设有窥视窗10便于工作人员实时查看激光切割试验的情况。试验箱内设有监测摄像头19，激光切割过程会造成水体局部浑浊较严重，因此摄像头19取景安排在远离加工工作区的侧壁上。水下取景灯12为工作人员探视激光切割情况以及摄像头摄像提供照明条件。试验箱底部设计成斜栅漏网架5，有利于熔渣杂质滚落至箱底最低处，即除渣泄流孔6。

Claims (2)

1.一种模拟海洋环境下激光切割的试验装置，其特征在于，该装置包括：
加压试验箱和位于该加压试验箱内部的激光切割器(4)；
加压试验箱底面设计有排水阀门(6)；
加压试验箱的第一侧面外表面分别安装有液位计(11)、窥视窗(10)，在第一侧面内表面安装有温度传感器(9)和水下取景灯(12)；
在与第一侧面相连的底面内表面安装有螺旋桨(8)，螺旋桨(8)通过动力输入轴(20)外接减速器(21)和电动机；在螺旋桨所在底面内表面安装有监测摄像头(19)；
加压试验箱上表面设计有试验箱箱门(14)，在该试验箱箱门(14)上端处依次设置有注水阀门(15)、液位传感器(16)、海水成份配比器(17)、水冷机(18)；
加压试验箱上表面靠近试验箱箱门(14)一侧设有注气加压孔(1)，在上表面靠近试验箱箱门(14)另一侧设有压力变送器(13)；
激光切割器(4)安放于加压试验箱内部，激光切割器中的激光切割头固定于激光移动机床的悬臂上；斜栅漏网架(5)设于加压试验箱的底面的内表面；空气压缩机、控制操作台位于加压试验箱的外部。
2.根据权利要求1所述的模拟海洋环境下激光切割的试验装置，其特征在于，加压试验箱一体成型或包括相互扣合的上加压试验箱(2)和下加压试验箱(3)。
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