CN108044245A - 一种手持激光开孔设备 - Google Patents

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熊凯
陈吉
张骆
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汪军
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Abstract

本发明涉及一种手持式激光开孔设备，包括开孔机柜、激光开孔枪、聚焦镜和靠模工具，开孔机柜内设有脉冲激光器和主控制电路，脉冲激光器与主控制电路电连接，脉冲激光器与激光开孔枪通过光纤光路连接，聚焦镜设置在激光开孔枪内，激光开孔枪与靠模工具连接，靠模工具设置在待开孔部件位置处，且靠模工具上设有供激光穿过的通孔，脉冲激光器出射的激光经由光纤进入激光开孔枪内，并从聚焦镜聚焦后穿过通孔以到达待开孔部件上的目标开孔位置处。本发明的激光开孔设备结构简单、携带转移方便，满足实际工况的环境要求。由于激光能量密度集中、加工速度快，且使用激光开孔外观比传统开孔要美观，边缘平滑无过多毛刺适用于船身底板或侧板开孔。

Description

一种手持激光开孔设备
技术领域
本发明涉及激光切割处理技术领域，尤其涉及一种手持激光开孔设备。
背景技术
船作为一种典型的水中结构物，需要承受巨大的水压力，因此，船体表面必须有坚固的耐压表面，为了满足实际的使用需求，船体表面还会开各种功能的孔，比如流水孔、透气孔、止漏孔、锚穴孔等。由于开孔会破坏结构的连续性，削弱壳体表面的强度，会在开孔的周围造成应力集中现象。因此，在船体表面开孔，一方面要尽量避开应力集中区域，所有的开孔还应有光滑的边缘和足够大的圆角。
现今的加工处理方法主要有三种方法，分别是火焰切孔、等离子切孔和CO2激光切孔。
第一种方法是火焰切孔法，火焰切割其原理是先用可燃气体加热钢铁到“燃点”温度，一旦通过预热达到这个温度，再喷射纯氧与炽热的钢铁产生放热反应，迅速侵蚀掉钢铁。它的缺点在于这种方法只适合切割碳钢，火焰切割对其他类型的金属并不适用，比如不锈钢和铝。另外，火焰切割对操作者的学习能力要求很高，需要大量的练习、技巧和经验才能产生良好的切割效果。此外，火焰切割的热影响区很大，断面粗糙并且有挂渣。
第二种方法是等离子切割，利用高温的电离气体产生高能量密度的切割电弧，所以能切割所有导电材料，甚至是生锈的、带脏的金属都行。但是它的设备成本高，并且是在数控台上完成，运用于船体表面开孔局限性很大，不方便操作。
第三种方法是CO2激光切割，靠激光电源带动激光管发光，通过几个反光镜的折射，使光线传输到激光头，再由激光头上安装的聚焦镜将光线汇聚成为一点，而这一点可以达到很高的温度，从而将材料瞬间升华为气体，由抽风机吸走，这样就达到切割的目的。同样这种激光开孔方式是在数控台上完成，不方便操作，对操作者的学习能力要求很高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单、使用方便、安全可靠，可实现船身底板或侧板的手持式激光开孔设备。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种手持式激光开孔设备，包括开孔机柜、激光开孔枪、聚焦镜和靠模工具，所述开孔机柜内设有脉冲激光器和主控制电路，所述脉冲激光器与所述主控制电路电连接，所述脉冲激光器与所述激光开孔枪通过光纤光路连接，所述聚焦镜设置在所述激光开孔枪内，所述激光开孔枪与所述靠模工具连接，所述靠模工具设置在待开孔部件位置处，且所述靠模工具上设有至少一个供激光穿过的通孔，所述脉冲激光器出射的激光经由所述光纤进入所述激光开孔枪内，并从所述聚焦镜聚焦后穿过所述靠模工具上的所述通孔以到达待开孔部件上的目标开孔位置处。
本发明的有益效果是：本发明的手持式激光开孔设备，通过所述主控制电路控制所述脉冲激光器出射激光，并经过所述光纤进入所述激光开孔枪，最终通过所述聚焦镜聚焦后利用靠模工具到达目标开孔位置，结构简单、携带和转移方便，满足实际工况的环境要求。由于激光能量密度集中、加工速度快，且使用激光开孔外观比传统开孔要美观，边缘平滑无过多毛刺，正好适用于船身底板或侧板开孔。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述聚焦镜采用光学准直及聚焦镜头，且所述聚焦镜设置在所述激光开孔枪内。
上述进一步方案的有益效果是：采用光学准直及聚焦镜头可以保证激光保持直线方向传输，保证切割开孔的精度。另外，通过将所述聚焦镜设置在所述激光开孔枪内，可以实现激光光路的封闭设计，有效防止激光辐射的泄露，保证激光束的出光安全。
进一步：所述脉冲激光器出射的脉冲激光的波长范围为800-1100nm，所述脉冲激光的脉宽范围为100fs-240ns，所述脉冲激光的功率范围在200-1000W，所述脉冲激光的重复频率范围为50Hz-1MHz，所述脉冲激光的单脉冲能量范围为0.3mJ-0.6mJ。
进一步：所述靠模工具包括本体，所述本体设置在待开孔部件上，所述通孔设置在所述本体上，并与待开孔部件上的目标开孔位置对齐，所述激光开孔枪设置在所述本体上，并可沿着所述通孔侧壁周向运动。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述靠模工具可以使得所述激光开孔枪可以沿着所述通孔进行圆周运动，从而对待开孔部件上的目标开孔位置进行环形切割，从而精确完成开孔。
进一步：所述本体上靠近待开孔部件一侧表面设有强力开关式磁铁座，所述本体通过所述强力开关式磁铁座与待开孔部件可拆卸式连接。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述强力开关式磁铁座可以将所述本体稳定的设置在待开孔部件上，避免在开孔过程中移动造成孔位偏移，同时在开孔完成后可以比较方便的拆卸，大大提高了操作效率。
进一步：所述激光开孔抢的出射端设有可以自由转动的卡接部，所述卡接部上设有与所述通孔侧壁相匹配的卡槽，所述通孔侧壁与所述卡接部通过所述卡槽卡接，且所述激光开孔抢通过所述卡接部可沿着所述通孔侧壁周向运动。
上述进一步方案的有益效果是：通过在所述激光开孔抢的出射端设置可以自由转动的卡接部，使得所述所述激光开孔抢通过所述卡接部可沿着所述通孔侧壁自由转动运动，便于对待开孔部件实现精准切割，保证开孔精度。
进一步：所述卡槽与所述靠模工具连接处位于所述聚焦镜的焦距平面内。
上述进一步方案的有益效果是：通过将所述卡槽与所述靠模工具连接处设置在所述聚焦镜的焦距平面内，可以使得激光作用在待开孔部件表面的能量最大化，可以实现高效率的开孔。
进一步：所述开孔机柜内还设有恒温除湿装置，所述恒温除湿装置与所述主控制电路电连接，并控制所述开孔机柜内部温湿度。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述恒温除湿装置可以用于现场室外高/低温及潮湿环境下对所述脉冲激光器及光纤的保护，保证所述脉冲激光器的工作环境，增光光路的稳定性。
进一步：所述开孔机柜的外侧壁上设有人机面板，所述人机面板与所述主控制电路电连接，并显示所述开孔机柜内设备的工作状态。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述人机面板可以显示所述脉冲激光器和恒温除湿装置的上电要求以及异常情况，能保证所述脉冲激光器正常出光，同时也能降低所述脉冲激光器损坏的几率，延长所述脉冲激光器的使用寿命。
进一步：所述开孔机柜内还设有保险电路，所述保险电路电连接在所述主控制电路与所述脉冲激光器之间，并在所述脉冲激光器出现异常时自动断开电源。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述保险电路可以实现在所述脉冲激光器出现异常时自动断开电源，保证激光的出光安全，防止人为造成的伤害。
附图说明
图1为本发明的手持激光开孔设备结构示意图；
图2为本发明的激光开孔枪与靠模工具连接示意图
图3为图2中A处局部放大示意图；
图4为本发明的手持激光开孔设备电路结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、开孔机柜，2、激光开孔枪，3、聚焦镜，4、脉冲激光器，5、主控制电路，6、靠模工具，7、保险电路，8、恒温除湿装置，9、人机面板，10、光纤；
61、本体，62、通孔，63、强力开关式磁铁座，64、卡接部，65、卡槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和图4所示，一种手持激光开孔设备，包括开孔机柜1、激光开孔枪2、聚焦镜3和靠模工具6，所述开孔机柜1内设有脉冲激光器4和主控制电路5，所述脉冲激光器4与所述主控制电路5电连接，所述脉冲激光器4与所述激光开孔枪2通过光纤10光路连接，所述聚焦镜3设置在所述激光开孔枪2内，所述激光开孔枪2与所述靠模工具6连接，所述靠模工具6设置在待开孔部件位置处，且所述靠模工具6上设有至少一个供激光穿过的通孔62，所述脉冲激光器4出射的激光经由所述光纤10进入所述激光开孔枪2内，并从所述聚焦镜3聚焦后穿过所述靠模工具6上的所述通孔62以到达待开孔部件上的目标开孔位置处。
本发明的手持激光开孔设备，通过所述主控制电路5控制所述脉冲激光器4出射激光，并经过所述光纤10进入所述激光开孔枪，最终通过所述聚焦镜3聚焦后利用靠模工具6到达目标开孔位置，结构简单、携带和转移方便，满足实际工况的环境要求。由于激光能量密度集中、加工速度快，且使用激光开孔外观比传统开孔要美观，边缘平滑无过多毛刺，正好适用于船身底板或侧板开孔。
另外，通过将所述聚焦镜3设置在所述激光开孔枪2内，可以实现激光光路的封闭设计，有效防止激光辐射的泄露，保证激光束的出光安全的同时，提高激光的利用率。
优选地，在上述实施例中，所述聚焦镜3采用光学准直及聚焦镜头，且所述聚焦镜3设置在所述激光开孔枪2内。通过采用光学准直及聚焦镜头可以在所述脉冲激光器4出射的激光经由所述光纤10进入所述激光开孔枪2后进行聚焦，缩小照射到目标开孔位置处的光斑，提高激光的强度，使得目标开孔位置处的温度快速上升，便于进行切割，同时，采用光学准直及聚焦镜头可以保证激光保持直线方向传输，保证切割开孔的精度。
当然，实际中，所述聚焦镜3也可以采用其他的激光聚焦透镜，这里不再一一列举，只要能保证对从所述脉冲激光器4出射的激光束进行聚焦，并缩小所述激光束到达目标开孔位置处的光斑即可。
本实施例中，所述脉冲激光器4出射的脉冲激光的波长范围为800-1100nm，所述脉冲激光的脉宽范围为100fs-240ns，所述脉冲激光的功率范围在200-1000W，所述脉冲激光的重复频率范围为50Hz-1MHz，所述脉冲激光的单脉冲能量范围为0.3mJ-0.6mJ。
实际中，为了保证激光出光的准确性，通常在所述激光开孔枪2内的几何立体中心位置处设置一个瞄准器，通过所述瞄准器出射引导指示光，可以作为激光出射的参照，这样可以使得脉冲激光器4出射的激光到达待开孔部件的光斑位置与所述引导指示光到达待开孔部件上的目标开孔位置重合，这样可以实现高精度开孔。
如图2所示，在上述实施例中，所述靠模工具6包括本体61，所述本体61设置在待开孔部件上，所述通孔62设置在所述本体61上，并与待开孔部件上的目标开孔位置对齐，所述激光开孔枪2设置在所述本体61上，并可沿着所述通孔62侧壁周向运动。通过所述靠模工具6可以使得所述激光开孔枪2可以沿着所述通孔进行圆周运动，从而对待开孔部件上的目标开孔位置进行环形切割，从而精确完成开孔。
优选地，在上述实施例中，所述本体61上靠近待开孔部件一侧表面设有强力开关式磁铁座63，所述本体61通过所述强力开关式磁铁座63与待开孔部件可拆卸式连接。通过所述强力开关式磁铁座63可以将所述本体61稳定的设置在待开孔部件上，避免在开孔过程中移动造成孔位偏移，同时在开孔完成后可以比较方便的拆卸，大大提高了操作效率。
如图3所示，在上述实施例中，所述激光开孔抢2的出射端设有可以自由转动的卡接部64，所述卡接部64上设有与所述通孔侧壁相匹配的卡槽65，所述通孔62侧壁与所述卡接部64通过所述卡槽65卡接，且所述激光开孔抢2通过所述卡接部64可沿着所述通孔62侧壁周向运动。通过在所述激光开孔抢2的出射端设置可以自由转动的卡接部64，使得所述所述激光开孔抢2通过所述卡接部64可沿着所述通孔62侧壁自由转动运动，便于对待开孔部件实现精准切割，保证开孔精度。
优选地，在上述实施例中，所述卡槽65与所述靠模工具6连接处位于所述聚焦镜3的焦距平面内。通过将所述卡槽65与所述靠模工具6连接处设置在所述聚焦镜3的焦距平面内，可以使得激光作用在待开孔部件表面的能量最大化，可以实现高效率的开孔。
优选地，在上述实施例中，所述开孔机柜1内还设有恒温除湿装置8，所述恒温除湿装置8与所述主控制电路5电连接，并控制所述开孔机柜1内部温湿度。通过所述恒温除湿装置8可以用于现场室外高/低温及潮湿环境下对所述脉冲激光器4及光纤4的保护，保证所述脉冲激光器4的工作环境，增光光路的稳定性。
实际中，需要事先设定好所述开孔机柜1内的温湿度标准值，开机时，所述恒温除湿装置8启动工作，将所述焊接机柜1内的温湿度调整时设定的温湿度标准值，再开启所述脉冲激光器4，这样可以确保所述脉冲激光器4在合适的环境下运行，提高整个设备的稳定性和精确性。
优选地，在上述实施例中，所述开孔机柜1的外侧壁上设有人机面板9，所述人机面板9与所述主控制电路5电连接，并显示所述开孔机柜1内设备的工作状态。通过所述人机面板9可以显示所述脉冲激光器4和恒温除湿装置9的上电要求以及异常情况，实现及人际交互，确保所述脉冲激光器4正常出光，同时也能降低所述脉冲激光器4损坏的几率，延长所述脉冲激光器4的使用寿命。
在本发明的实施例中，所述人机面板9包括指示灯、按钮和显示屏中的一种或多种。这里，所述指示灯可以为多个，以显示不同的工作状态，所述按钮也可以为多个，用以向所述主控制电路5输入不同的控制信息，所述显示屏可以为触摸屏，用以显示所述脉冲激光器4和恒温除湿装置8的上电状态以及异常信息，还可以显示所述焊接机柜1内的环境信息等，同时还可以作为输入端输入控制信息，比如，控制所述脉冲激光器4启动或停止工作等。
优选地，在上述实施例中，所述开孔机柜1内还设有保险电路7，所述保险电路7电连接在所述主控制电路5与所述脉冲激光器4之间，并在所述脉冲激光器4出现异常时自动断开电源。通过所述保险电路7可以实现在所述脉冲激光器4出现异常时自动断开电源，保证激光的出光安全，防止人为造成的伤害。
本实施例中，所述保险电路7包括两个保险开关，其中一个所述保险开关设置在所述人机面板9上，另一个所述保险开关设置在所述激光开孔枪2的扳机位置处，且两个所述保险开关串联在所述脉冲激光器4与所述主控制电路5之间，只有当两个所述保险开关闭合时，才能启动所述脉冲激光器4，这样可以保证激光的出光安全，防止无意识的操作造成对人体的伤害。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种手持激光开孔设备，其特征在于：包括开孔机柜(1)、激光开孔枪(2)、聚焦镜(3)和靠模工具(6)，所述开孔机柜(1)内设有脉冲激光器(4)和主控制电路(5)，所述脉冲激光器(4)与所述主控制电路(5)电连接，所述脉冲激光器(4)与所述激光开孔枪(2)通过光纤(10)光路连接，所述聚焦镜(3)设置在所述激光开孔枪(2)内，所述激光开孔枪(2)与所述靠模工具(6)连接，所述靠模工具(6)设置在待开孔部件位置处，且所述靠模工具(6)上设有至少一个供激光穿过的通孔(62)，所述脉冲激光器(4)出射的激光经由所述光纤(10)进入所述激光开孔枪(2)内，并从所述聚焦镜(3)聚焦后穿过所述靠模工具(6)上的所述通孔(62)以到达待开孔部件上的目标开孔位置处。
2.根据权利要求1所述的手持激光开孔设备，其特征在于：所述聚焦镜(3)采用光学准直及聚焦镜头。
3.根据权利要求1所述的手持激光开孔设备，其特征在于：所述脉冲激光器(4)出射的脉冲激光的波长范围为800-1100nm，所述脉冲激光的脉宽范围为100fs-240ns，所述脉冲激光的功率范围在200-1000W，所述脉冲激光的重复频率范围为50Hz-1MHz，所述脉冲激光的单脉冲能量范围为0.3mJ-0.6mJ。
4.根据权利要求1所述的手持激光开孔设备，其特征在于：所述靠模工具(6)包括本体(61)，所述本体(61)设置在待开孔部件上，所述通孔(62)设置在所述本体(61)上，并与待开孔部件上的目标开孔位置对齐，所述激光开孔枪(2)设置在所述本体(61)上，并可沿着所述通孔(62)侧壁周向运动。
5.根据权利要求4所述的手持激光开孔设备，其特征在于：所述本体(61)上靠近待开孔部件一侧表面设有强力开关式磁铁座(63)，所述本体(61)通过所述强力开关式磁铁座(63)与待开孔部件可拆卸式连接。
6.根据权利要求4所述的手持激光开孔设备，其特征在于：所述激光开孔抢(2)的出射端设有可以自由转动的卡接部(64)，所述卡接部(64)上设有与所述通孔侧壁相匹配的卡槽(65)，所述通孔(62)侧壁与所述卡接部(64)通过所述卡槽(65)卡接，且所述激光开孔抢(2)通过所述卡接部(64)可沿着所述通孔(62)侧壁周向运动。
7.根据权利要求6所述的手持激光开孔设备，其特征在于：所述激光开孔枪(2)上的所述卡槽(65)与所述靠模工具(6)连接处位于所述聚焦镜(3)的焦距平面内。
8.根据权利要求1至7任一项所述的手持激光开孔设备，其特征在于：所述开孔机柜(1)内还设有恒温除湿装置(8)，所述恒温除湿装置(8)与所述主控制电路(5)电连接，并控制所述开孔机柜(1)内部温湿度。
9.根据权利要求1至7任一项所述的手持激光开孔设备，其特征在于：所述开孔机柜(1)的外侧壁上设有人机面板(9)，所述人机面板(9)与所述主控制电路(5)电连接，并显示所述开孔机柜(1)内设备的工作状态。
10.根据权利要求1至7任一项所述的手持激光开孔设备，其特征在于：所述开孔机柜(1)内还设有保险电路(7)，所述保险电路(7)电连接在所述主控制电路(5)与所述脉冲激光器(4)之间，并在所述脉冲激光器(4)出现异常时自动断开电源。
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