CN105945429B - 超声辅助水下激光切割装置及方法 - Google Patents

超声辅助水下激光切割装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超声辅助水下激光切割装置，其包括切割头和供气装置，所述供气装置用于向所述切割头的前端面处供气；其中，所述切割头包括：激光切割枪；超声振动机构，其位于所述激光切割枪的前方，所述超声振动机构设置有贯通前后的轴向内孔，所述轴向内孔与所述激光切割枪同轴布置；和防水壳体，其密闭地包围所述激光切割枪和所述超声振动机构的至少一部分。本发明有效解决了水下激光切割中能量衰减严重的问题，切割效率增加，切割质量提高，能够满足水下切割领域的需求。本发明还提供了一种超声辅助水下激光切割方法。

Description

超声辅助水下激光切割装置及方法
技术领域
本发明涉及水下切割技术领域，具体涉及一种超声辅助水下激光切割装置。本发明还涉及一种超声辅助水下激光切割方法。
背景技术
随着海洋工程技术的发展，对于水下切割技术的需求日益广泛，例如，海上工作平台、海底管道、海洋工程结构物等的建造与维修都需要使用水下切割技术。现实的问题是，由于水的存在，使得在水下环境中进行的水下切割过程比陆上切割过程复杂得多，并且会产生各种各样陆上未曾预料到的问题。
水下激光切割是目前较受关注的一种水下切割技术，其具有切割速度较快、效率高、适用范围广等特点。由于水的冷却作用，还降低了激光在切割处的热影响，从而可避免对材料的过度烧蚀，并减少表面的变质层。然而，水的存在同时也会对激光切割产生不利影响，主要包括：首先，激光会与水产生复杂的相互作用，特别是当水比较浑浊时，使到达待切割工件的激光能量减弱，导致切割深度减小；其次，激光切割后，熔融材料在冷却过程中会重新粘结在一起，导致碎屑的沉积。
因此，如何消除水在切割区域附近造成的不利影响，是本领域技术人员一直困扰的问题，同时也是水下激光切割技术能否获得长足发展和广泛应用的关键。
发明内容
鉴于现有技术的以上现状，本发明一方面提供了一种超声辅助水下激光切割装置，其将超声技术与水下激光切割技术相结合，能够在切割区域附近形成局部干燥环境，使得切割效率增加、切割质量提高。
本发明所采取的具体技术方案如下：
一种超声辅助水下激光切割装置，其包括切割头和供气装置，所述供气装置用于向所述切割头的前端面处供气；其中，所述切割头包括：
激光切割枪；
超声振动机构，其位于所述激光切割枪的前方，所述超声振动机构设置有贯通前后的轴向内孔，所述轴向内孔与所述激光切割枪同轴布置；和
防水壳体，其密闭地包围所述激光切割枪和所述超声振动机构的至少一部分。
优选地，所述切割头还包括位于所述激光切割枪和所述超声振动机构之间的开关机构；所述供气装置与所述防水壳体内部相连；所述开关机构用于启闭所述轴向内孔与所述防水壳体的内部空间之间的通路。
优选地，所述开关机构包括固定于防水壳体上的支架、滑动地设置在支架内腔中的推杆、和在支架内腔中支撑所述推杆的弹簧，其中，所述支架的侧壁上设有第一通孔，所述推杆上设有第二通孔，当所述推杆将所述弹簧压缩至极限位置时，所述第一通孔与所述第二通孔对正。
优选地，所述支架的一端通过螺纹固定至所述防水壳体，另一端为自由端。
优选地，所述支架的自由端为敞开结构，在所述敞开结构的端口处设有止挡结构。
优选地，所述支架通过螺纹连接件与所述超声振动机构相连接。
优选地，所述开关机构被设置成在满足条件P气≥P水+△时打开，其中，P气为所述防水壳体内的气体压力，P水为在执行水下切割时所述开关机构所在位置处的水压，△为预设的压力差。
优选地，还包括设置在所述防水壳体外部的激光发生器和超声电源，所述激光发生器通过光纤与所述激光切割枪相连，所述超声电源通过超声电源线与所述超声振动机构相连，所述光纤和所述超声电源线均穿过所述防水壳体并与所述防水壳体之间实现密封。
本发明另一方面还提供了一种超声辅助水下激光切割方法，其采用前面所述的超声辅助水下激光切割装置进行切割。
优选地，所述超声辅助水下激光切割方法包括步骤：
A.调整所述切割头与位于水中的待切割工件的相对位置，优选使所述切割头的前端面与待切割工件之间相隔10-50mm；
B.打开供气装置，向所述切割头的前端面处供气；
C.通过外接的超声电源驱动所述超声振动机构进行振动；
D.通过外接的激光发生器将激光传送至所述激光切割枪，进而将激光束聚焦到待切割工件的表面上，进行切割；
E.切割完毕后，先关闭激光发生器，经过确定的时间后关闭超声电源，最后关闭供气装置。
优选地，当所述超声辅助水下激光切割装置包括开关机构时，步骤B进一步包括步骤：
B1.通过所述供气装置向所述防水壳体内部供气，调节供气压力，在满足条件P气≥P水+△时打开所述开关机构，其中，P气为所述防水壳体内的气体压力，P水为所述开关机构所在位置处的水压，△为预设的压力差；
B2.继续供气以增大所述防水壳体内部的气体压力，使所述轴向内孔中的水经所述超声振动机构的前端排出，并使气体经所述超声变幅杆的前端进入水中，形成气泡。
本发明的超声辅助水下激光切割装置的有益效果包括：首先，利用超声产生的超声辐射力作用到待切割工件处的气泡上，延缓气泡上浮时间，使激光在局部干燥氩气环境中切割，减少了水对激光能量的吸收，提高了激光能量的利用率，有利于增加切割深度；其次，氩气环境类似于陆上激光切割，对水下激光切割起到了保护作用，降低了碎屑沉积，提高了切割质量；再次，利用超声的声流效应，使切割区域周围的水形成稳定的束流状流动，减小了待切割工件处水流扰动对切割质量的影响。
本发明有效解决了水下激光切割中能量衰减严重的问题，切割效率增加，切割质量提高，能够满足水下切割领域的需求。
附图说明
以下将参照附图对根据本发明的超声辅助水下激光切割装置及方法进行描述。图中：
图1是本发明优选实施例的超声辅助水下激光切割装置的整体结构示意图；
图2是图1的超声辅助水下激光切割装置在工作过程中的整体结构示意图；
图3是图2中的切割区域附近的局部示意图。
具体实施方式
为克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种超声辅助水下激光切割装置，如图1所示，其包括切割头和供气装置5，所述供气装置5用于向所述切割头的前端面(图中为下端面)处供气，优选氩气。
其中，所述切割头包括：激光切割枪1；超声振动机构(具体包括彼此贴合的超声换能器3和超声变幅杆6)，其位于所述激光切割枪1的前方(图中为下方)，所述超声振动机构设置有贯通前后的轴向内孔18，所述轴向内孔18优选布置成与所述激光切割枪1同轴(作为进一步优选方案，超声振动机构本身可以与所述激光切割枪1同轴布置，轴向内孔18则可以与所述超声振动机构本身同轴)；以及防水壳体4，其密闭地包围所述激光切割枪1和所述超声振动机构的至少一部分(例如超声变幅杆6的至少后段、所述超声换能器3的全部)。
在具体用于水下切割时，切割头可以整体或部分地浸没于水中，并使其前端面靠近待切割工件。因超声振动机构设置有贯通前后的轴向内孔，使得由激光切割枪1发出的激光束8(参见图2)能够顺利穿过超声振动机构到达待切割工件10的表面。由于供气装置5能够向超声振动机构的前端面处供气以形成气泡16(参见图2、图3)，当超声振动机构振动时，其前端面(也就是切割头的前端面)处产生的超声辐射力作用到这些气泡16上，能够延缓气泡在水中上浮的时间，使激光得以在局部干燥的气体(氩气)环境中切割，减少水对激光能量的吸收，使得切割效率增加，并有利于增加切割深度。
同时，由于切割区域附近的气体(氩气)环境类似于陆上激光切割的环境，因而还可对水下激光切割起到保护作用，降低碎屑沉积，提高切割质量。
另外，利用超声的声流效应，能够使切割区域周围的水形成稳定的束流状流动，从而减小待切割工件处水流扰动对切割质量的影响。
供气装置5向切割头的前端面处供气的方式可以采用多种形式。例如，可以采用管路直接供气，即从切割头的外部进行供气。此时，为防止水经轴向内孔18进入防水壳体的内部，可以在所述轴向内孔18中设置透明挡水元件(未示出)，例如高透玻璃片等。该透明挡水元件可以固定在超声变幅杆6的驻波点处，也可以固定在超声换能器3与超声变幅杆6的接合面处，或者固定在超声换能器6的后端面处。
在前面所述的在切割头外部进行供气的情况下，所述轴向内孔18中仍可能存在一定量的水，这些水仍可能与激光发生相互作用，吸收激光能量，造成能量衰减，影响激光能量的利用率。
为此，在本发明优选方案中，采用从切割头内部进行供气的方式，即，供气装置5向防水壳体4内部供气，气体充满防水壳体4的内部空间后，会进一步进入轴向内孔18，并将轴向内孔18中的水排出。最终，气体会经轴向内孔18而到达超声变幅杆6的前端面，使得激光束不再经过有水的区域，而得到与陆上切割更相近的工作环境，从而解决水下激光切割中能量衰减严重的问题，提高激光能量的利用率。
为实现这一目的，如图1所示，所述切割头优选还包括位于所述激光切割枪1和所述超声振动机构之间的开关机构2；所述供气装置5例如通过管路与所述防水壳体4内部相连；所述开关机构2用于启闭所述轴向内孔18与所述防水壳体4的内部空间之间的通路。
也即，所述开关机构2同样位于所述防水壳体4内部，其一侧为轴向内孔18，另一侧为激光切割枪1，当其处于关闭状态时，轴向内孔18与防水壳体4的内部空间之间是不通的，而当其处于打开状态时，轴向内孔18与防水壳体4的内部空间之间相通，气体可以从防水壳体4的内部空间中流动到轴向内孔18中，同时，激光束8(参见图2)也可以无阻碍地射出。
开关机构2可以采用各种结构方案，例如可采用电磁机构或电机机构与挡板或滑板等相结合的方案，只要能实现对轴向内孔18的完全遮挡与打开即可。例如，可以设置成在供气装置5供气确定的时间后令开关机构2开启，或者在检测防水壳体4内部的气体压力达到预定的值后令开关机构2开启。
优选地，本发明还提供了一种能通过防水壳体4内部的气体压力自动启闭的开关机构。如图1和图2所示，所述开关机构2包括固定于防水壳体4上的支架201、滑动地设置在所述支架201内腔中的推杆203、和在所述支架201内腔中支撑所述推杆203的弹簧202，其中，所述支架201的侧壁上设有第一通孔(未标注附图标记)，所述推杆203上设有第二通孔(未标注附图标记)，当所述推杆203将所述弹簧202压缩至极限位置时，所述第一通孔与所述第二通孔对正。至于第一通孔的位置，只要能保证在第一通孔与第二通孔对正的情况下不遮挡激光束8即可，但优选可以与轴向内孔18对正。
优选地，如图1所示，所述支架201的一端(图中左端)通过螺纹固定至所述防水壳体4，另一端(右端)则可以为自由端。
优选地，所述支架201与防水壳体4的固定位置处，防水壳体4设有孔口，使得外部的水能够进入支架201的内部并作用在推杆203的相应端面(即承受弹簧推力的端面)上。
为保证密封性，所述支架201与所述推杆203例如可通过轴用YX型密封圈实现滑动配合。
当防水壳体4内部的气体压力作用在推杆203端面上的力大于外部水压作用在推杆203端面上的力与弹簧202对推杆203的推力之和时，推杆203将朝向弹簧202滑动而压缩弹簧202，即，如图所示，推杆203向左滑动，直至其两端受到的推力平衡为止。随着气体压力的进一步增大，推杆203将进一步压缩弹簧202，直至第一通孔与第二通孔完全对正而完全打开。此时，优选可使弹簧202恰好达到压缩极限，以避免气体压力的进一步升高造成推杆203过度左移而影响第一通孔与第二通孔的对正。当然，如果第二通孔的尺寸大于第一通孔的尺寸，也可以允许推杆203继续左移。
通过选择合适刚度的弹簧202、并设置推杆203的合适截面积与合适的行程大小(即相当于弹簧压缩量)，便可以实现推杆203在预定的气体压力下运动，直至完全打开开关机构2。
另外，第一通孔和第二通孔例如可以都是方形孔。
优选地，所述支架201的自由端为敞开结构，并在端口处设有止挡结构。其中，敞开结构有利于气体压力作用于推杆203的右端，而止挡结构则可防止推杆203滑出。
优选地，弹簧202与推杆203之间可通过螺丝进行固定。
优选地，所述支架201可通过螺纹连接件与所述超声换能器3相连接。
优选地，超声变幅杆6上端与超声换能器3之间通过螺纹相连接。超声变幅杆6优选采用硬铝合金制作。
优选地，贯通所述超声换能器3与所述超声变幅杆6的轴向内孔18可使用塑料密封圈密封，以保证超声换能器3等与水的隔绝。
优选地，为防止开关机构2打开时轴向内孔18中的水反流到防水壳体4的内部，所述开关机构2被设置成在满足条件P气≥P水+△时打开，其中，P气为所述防水壳体4内的气体压力，P水为在执行水下切割时所述开关机构2所在位置处的水压，△为预设的压力差，优选为0.5Pa。
需要说明的是，△值的选取，需要考虑弹簧力和摩擦阻力等因素，并可以增加必要的安全系数。
优选地，本发明的超声辅助水下激光切割装置还包括设置在所述防水壳体4外部的激光发生器7和超声电源17，所述激光发生器7通过光纤9与所述激光切割枪1相连，所述超声电源17通过超声电源线11与所述超声振动机构(具体是超声换能器3)相连，所述光纤9和所述超声电源线11均穿过所述防水壳体4并与所述防水壳体4之间实现密封，例如通过密封过线圈等。
在附图中示出的实施方式中，工作平台13放置在装有水12的水箱14里，待切割工件10通过夹具15固定在工作平台13上。激光发生器7产生的激光耦合进光纤9，远距离传输后至激光切割枪1，通过激光切割枪1内的准直镜准直为平行光，最后经过激光切割枪1下端的透镜聚焦成激光束8。通过升降机构(未示出)可以使超声变幅杆6的下端面到达待切割工件10的上方合适位置处(例如10-50mm处)，使得激光束8能够聚焦到待切割工件10的表面上。
为充分展现本发明的超声辅助水下激光切割装置的优点，本发明还提供了一种超声辅助水下激光切割方法，其采用本发明所述的超声辅助水下激光切割装置进行切割。
优选地，仍参见图1-3，本发明的超声辅助水下激光切割方法可包括步骤：
A.调整所述切割头与位于水中的待切割工件10的相对位置，优选使所述超声振动机构的前端(图中为下端)与待切割工件10之间相隔10-50mm；
B.打开供气装置5，向所述超声振动机构的前端面处供气；
C.通过外接的超声电源17驱动所述超声振动机构进行振动；
D.通过外接的激光发生器7将激光传送至所述激光切割枪1，进而将激光束8聚焦到待切割工件10的表面上，进行切割；
E.切割完毕后，先关闭激光发生器7，经过确定的时间(例如0-20s)后关闭超声电源17，最后关闭供气装置5。
其中，步骤C中打开超声电源后，在待切割工件10处的气泡16由于超声辐射力的作用会延缓上浮时间，形成一个隔绝待切割工件10与水接触的局部干燥空间。该步骤C中，还可以根据需要调节超声参数，例如，超声振动频率在10-50kHz范围内可调，超声换能器3将电能转变为机械能，并通过超声变幅杆6可将振幅扩大到10-200μm。
步骤D中，还可以根据需要调节激光参数，例如，激光功率在1-20kW范围内可调，重复频率在0-250kHz范围内可调，切割速度可以为10-50mm/s。
优选地，当所述超声辅助水下激光切割装置包括开关机构2时，步骤B可进一步包括步骤：
B1.通过所述供气装置5向所述防水壳体4内部供气，调节供气压力，在满足条件P气≥P水+△时打开所述开关机构2，其中，P气为所述防水壳体内4的气体压力，P水为所述开关机构2所在位置处的水压，△为预设的压力差，优选为0.5Pa；
B2.继续供气以增大所述防水壳体4内部的气体压力，使所述轴向内孔18中的水经所述超声变幅杆6的前端排出，并使气体经所述超声变幅杆6的前端进入水中，形成气泡16。
优选地，当采用本发明所提出的图示的开关机构2时，步骤B1中，开关结构2可响应防水壳体4内部的气体压力而自动打开；在步骤E中，关闭供气装置5后，弹簧202则可由压缩状态自动恢复到伸展状态，直至达到平衡。
本发明提供的超声辅助水下激光切割方法中，超声作用于水下激光切割的原理如附图2和3所示。首先通过开关机构2利用防水壳体4内外压力不平衡，使防水壳体4内的气体由超声换能器3、超声变幅杆6进入到水12中，并且在水12中产生气泡16；此时超声产生的超声辐射力是通过作用于待切割工件10附近的气泡16来辅助水下激光切割的，并且超声产生的声流效应，使待切割工件10周围的水形成稳定的束流状流动。在此基础上进行超声辅助水下激光切割。
本发明提供的优选实施方式的超声辅助水下激光切割装置中，开关机构2的使用主要有以下作用：一是为了在不进行水下激光切割时，防止水12由经超声变幅杆6的轴向内孔18进入到防水壳体4内；二是在进行水下激光切割时通过内外压力的不同，使支架201上的通孔与推杆203上的通孔对正，这样保证激光束8能无障碍地穿过支架201和推杆203。
向防水壳体4内通入气体有两个作用：一是给开关机构2提供内外压力差，保证防水壳体4内的气体压力与开关机构2处的水压满足：P气≥P水+0.5Pa，此时弹簧202被压缩到极限，推杆203沿弹簧202收缩方向移动，实现推杆203上的通孔与支架201上的通孔对正，保证水下激光切割时激光束8穿过开关机构2作用到待切割工件10；二是调整气压使防水壳体4内的气体压力大于超声变幅杆6下端的水压，这样能将超声换能器3与超声变幅杆6的轴向内孔18中的水排出，最终气体从超声变幅杆6下端进入水中，在水中形成气泡16。此时通过超声产生的辐射力作用到气泡16上，可以延缓气泡上浮时间。
综上，本发明的超声辅助水下激光切割装置的有益效果包括：首先，可利用超声产生的超声辐射力作用到待切割工件处的氩气气泡上，延缓气泡上浮时间，使激光在局部干燥的氩气环境中切割，减少了水对激光能量的吸收，提高了激光能量的利用率，有利于增加切割深度；其次，氩气环境类似于陆上激光切割，对水下激光切割起到了保护作用，降低了碎屑沉积，提高了切割质量；再次，利用超声的声流效应，使待切割工件周围的水形成稳定的束流状流动，减小了待切割工件处水流扰动对切割质量的影响。因此本发明有效解决了水下激光切割中能量衰减严重的问题，切割效率增加，切割质量显著提高，能够满足水下切割领域的需求。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，包括切割头和供气装置，所述供气装置用于向所述切割头的前端面处供气；其中，所述切割头包括：
激光切割枪；
超声振动机构，其位于所述激光切割枪的前方，所述超声振动机构设置有贯通前后的轴向内孔，所述轴向内孔与所述激光切割枪同轴布置；和
防水壳体，其密闭地包围所述激光切割枪和所述超声振动机构的至少一部分；
所述切割头还包括位于所述激光切割枪和所述超声振动机构之间的开关机构；所述供气装置与所述防水壳体内部相连；所述开关机构用于启闭所述轴向内孔与所述防水壳体的内部空间之间的通路；
所述开关机构包括固定于防水壳体上的支架、滑动地设置在支架内腔中的推杆、和在支架内腔中支撑所述推杆的弹簧，所述支架的侧壁上设有第一通孔，所述推杆上设有第二通孔，当所述推杆将所述弹簧压缩至极限位置时，所述第一通孔与所述第二通孔对正。
2.根据权利要求1所述的超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，所述支架的一端通过螺纹固定至所述防水壳体，另一端为自由端。
3.根据权利要求2所述的超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，所述支架的自由端为敞开结构，在所述敞开结构的端口处设有止挡结构。
4.根据权利要求1所述的超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，所述支架通过螺纹连接件与所述超声振动机构相连接。
5.根据权利要求1-4之一所述的超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，所述开关机构被设置成在满足条件P气≥P水+△时打开，其中，P气为所述防水壳体内的气体压力，P水为在执行水下切割时所述开关机构所在位置处的水压，△为预设的压力差。
6.根据权利要求1-4之一所述的超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，还包括设置在所述防水壳体外部的激光发生器和超声电源，所述激光发生器通过光纤与所述激光切割枪相连，所述超声电源通过超声电源线与所述超声振动机构相连，所述光纤和所述超声电源线均穿过所述防水壳体并与所述防水壳体之间实现密封。
7.一种超声辅助水下激光切割方法，其特征在于，其采用根据权利要求1-6之一所述的超声辅助水下激光切割装置进行切割。
8.根据权利要求7所述的超声辅助水下激光切割方法，其特征在于，所述超声辅助水下激光切割装置还包括设置在所述防水壳体外部的激光发生器和超声电源，所述超声辅助水下激光切割方法包括步骤：
A.调整所述切割头与位于水中的待切割工件的相对位置；
B.打开供气装置，向所述切割头的前端面处供气；
C.通过所述超声电源驱动所述超声振动机构进行振动；
D.通过所述激光发生器将激光传送至所述激光切割枪，进而将激光束聚焦到待切割工件的表面上，进行切割；
E.切割完毕后，先关闭激光发生器，经过确定的时间后关闭超声电源，最后关闭供气装置。
9.根据权利要求8所述的超声辅助水下激光切割方法，其特征在于，步骤A中，使所述切割头的前端面与待切割工件之间相隔10-50mm。
10.根据权利要求8或9所述的超声辅助水下激光切割方法，其特征在于，所述超声振动机构包括彼此贴合的超声换能器和超声变幅杆，步骤B进一步包括步骤：
B1.通过所述供气装置向所述防水壳体内部供气，调节供气压力，在满足条件P气≥P水+△时打开所述开关机构，其中，P气为所述防水壳体内的气体压力，P水为所述开关机构所在位置处的水压，△为预设的压力差；
B2.继续供气以增大所述防水壳体内部的气体压力，使所述轴向内孔中的水经所述超声变幅杆的前端排出，并使气体经所述超声变幅杆的前端进入水中，形成气泡。
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