CN108216411A - 爬行机器人及船舶钢材表面的预处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种爬行机器人及船舶钢材表面的预处理工艺，将光纤激光器装载在车体上，通过驱动车体行进，在行进过程中进行激光清洗，简便高效；通过设置带磁性驱动轮的车体，可以使车体紧紧贴在船体表面行走，车体上装载的激光器与船体表面的距离保持一致。采用光纤激光在焦平面位置进行激光扫描，使功率密度分布相对均匀，在不损伤钢材基底材料的同时清除杂物；采用无接触性加工，相对于打磨的传统方法，激光加工对船舶钢材无直接冲击，不会发生机械变形；激光加工精度较高，可以减少人为因素对加工质量的影响，加工效率高、质量稳定可靠，且外形美观。

Description

爬行机器人及船舶钢材表面的预处理工艺

技术领域

本发明涉及激光处理技术领域，尤其涉及一种爬行机器人及船舶钢材表面的预处理工艺。

背景技术

航行于海洋上的船舶，一直处于强腐蚀介质中，其腐蚀问题十分突出，由此而引起的经济损失相当的严重。而对于船舶钢结构来说，涂刷防护涂层，充分有效的利用船用车间底漆仍然是当今防腐的主要手段之一。

钢材从钢厂出厂的时候，其表面完整的覆盖了一层坚硬的氧化皮，表面看起来很硬，但实际上存在着很多缝隙、网隙，阻挡不了水汽、氧气的侵入。等时间一长，缝隙就开始腐蚀，并且向四周蔓延，导致氧化皮脱落，所以金属表面必须要涂装防护覆盖层，隔绝金属表面与外界接触，阻碍金属层表面微电量的作用。但是在船舶涂装前必须认真的去除钢材表面的氧化皮、锈蚀物、油污或其他杂质，这就是船舶钢材的表面预处理。涂装前的钢材表面处理，不仅只除去钢材表面的铁锈，还包括除去覆盖在钢材表面的氧化皮、旧涂层以及油污、焊渣、灰尘等，此外表面处理之后还要形成一定的粗糙度，以便再涂装。

现今船舶行业钢材表面预处理的方式有抛射磨料处理、喷射磨料处理和酸洗处理等方式来进行清除。前者在处理的过程中或多或少会重新沾附上一点粉末，钢板在预处理涂装车间底漆时，会将其一并胶粘在钢板表面上，在日后的运输、下料、气割、装配等各种原因下使胶粘的粉尘粒剥落，又形成了很多缝隙，再一次腐蚀，效用不大。后者只能用来清洗氧化层、表面的铁锈或者细小颗粒，清洗的精度小，并且不能保证有一定的粗糙度，并且所用的溶液对人体伤害较大，有强腐蚀性，污染环境，成本大，生产能力低，耗材大，金属损耗高。

此外，船舶体积较大，采用固定式的激光清洗设备不方便移动，清洗效率低下。

综上所述，亟待开发出一种简单高效、适用于产业化应用、不产生任何环境污染且一次性实现钢材涂装前的表面预处理的工艺，一件便于移动、高效的爬行机器人。

发明内容

有鉴于此，一方面，本发明提出了一种船舶钢材表面的预处理工艺，简单高效、绿色环保且符合质量要求，本发明的预处理工艺可在各种尺寸和不同形状的船舶钢材表面获得长期稳定的、具有一定粗糙度、没有氧化层和旧涂层的表面，同时制得的表面还具有出色的涂装性能；另一方面，本发明提出了一种爬行机器人，其能简便高效地除去覆盖在船舶钢材表面的氧化皮、旧涂层以及油污、焊渣、灰尘等。

本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种爬行机器人，其包括光纤激光器和爬行车，所述爬行车包括车体、驱动轮和导向轮，驱动轮和导向轮分别与车体可转动连接，激光器装载在车体上，光纤激光器发射出的激光束与驱动轮和导向轮所在底面呈大于0°、小于180°的夹角。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述驱动轮为带磁性的防滑轮。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述爬行车还包括防撞杆，防撞杆与车体固定。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括漏斗状遮光罩和风扇，所述遮光罩同轴嵌套在激光器激光束发射窗口并与之密封，所述遮光罩侧壁上开设有吸尘口和进风口，底部开设有出光口，风扇设置于进风口处。进一步优选的，所述出光口侧壁上固定有毛刷。进一步优选的，遮光罩还包括出风管，出风管一端连通吸尘口、另一端延伸到靠近出光口处。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括激光测距传感器，固定在光纤激光器激光束发射窗口附近，检测光纤激光器激光束发射窗口与正面障碍物的实时距离并传送给激光器，当实时距离超过光纤激光器预设距离时，光纤激光器停止激光束发射窗口发出激光束。如此，可防止意外出光，伤害操作人员。

另一方面，本发明提供了一种船舶钢材表面的预处理工艺，其本发明第一方面所述的爬行机器人，如图3所示，包括以下步骤，

步骤一：将爬行机器人置于待处理的船舶钢材表面，调节光纤激光器的焦距，使船舶钢材表面处于光纤激光器离焦平面位置；

步骤二：采用光纤激光器对船舶钢材表面进行激光扫描处理，去除船舶钢材表面的杂物。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤二中光纤激光器离焦平面位置为光纤激光器焦距平面以上或以下10mm-30mm。常见的激光清洗方式采用在激光聚焦平面进行加工，因为激光焦点处光斑中心功率密度高，清理的很干净，很彻底，但是对于保留一定粗糙度且不损伤基材表面来说，通过离焦方式使功率密度分布相对均匀，在不损伤钢材基底材料的同时清除掉原本钢材表面的氧化层，旧涂层等杂物。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述光纤激光器采用振镜系统进行激光扫描，激光扫描的速度为0.1mm/s-30m/s。具体的，激光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定。作为另外一种优选实施方案，所述光纤激光器采用多棱镜系统进行激光扫描，激光扫描的速度为1m/s-800m/s。具体的，激光的通断及多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定。对于以上两种优选实施方案，所述步骤二中激光扫描速度为5m/s-25m/s，且相邻两个脉冲的重合度的范围为1％-99％，重复频率为10KHz-50KHz。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤二中光纤激光器波长小于1550nm，平均功率大于1500W，重复频率小于60KHz。进一步优选的，所述步骤二中光纤激光器波长为1064nm，平均功率为2000W，重复频率为50KHz，相邻两个脉冲的重合度的范围为10％-50％。具体的，激光的通断及振镜系统、多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤二中激光扫描处理中光纤激光器发出的激光束经过多边形棱镜反射并绕铅垂方向转动，沿着船舶钢材待清洗的表面进行匀速扫描处理。如此，通过光纤激光器发出的激光束相对于船舶钢材待清洗的表面沿X轴和Y轴方向行走，实现对船舶钢材表面的清洗。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤三中采用真空装置抽走激光扫描处理产生的气相或者小颗粒杂质成分。

本发明的爬行机器人及船舶钢材表面的预处理工艺相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)将光纤激光器装载在车体上，通过驱动车体行进，在行进过程中进行激光清洗，简便高效；

(2)通过设置带磁性驱动轮的车体，可以使车体紧紧贴在船体表面行走，车体上装载的激光器与船体表面的距离保持一致，使得船体受热更加均匀，能克服重力作用，在大角度平面行走清洗；

(3)采用光纤激光进行扫描。不同的物质、材料对特定激光波长的吸收率不同，有的涂层材料根本不吸收某些激光波长。特别是对于有一定厚度的涂层而言，一般功率小的激光器根本就打不动，功率大的激光器很容易将材料表面破坏，所以通过特定的激光照射，使钢材表层旧涂层物质吸收能量温度瞬间急剧升高到熔点并汽化掉，所以不会对底层基材产生损伤；同时还要控制激光输出，通过激光工艺参数调节，清除掉表面氧化层，保留一定粗糙度，并且不会有新的氧化层出现；

(4)在离焦平面位置进行激光扫描。因为激光焦点处光斑中心功率密度过高，容易将基底材料清除，而通过离焦方式使功率密度分布相对均匀，在不损伤钢材基底材料的同时清除氧化皮、旧涂层以及油污、焊渣、灰尘等杂物；

(5)采用无接触性加工，相对于打磨的传统方法，激光加工对船舶钢材无直接冲击，不会发生机械变形；另外，由于激光加工的精度较高，只对旧涂层、氧化层的待清洗表面进行加工，对非激光照射部位没有或者影响极小，可以减少人为因素对加工质量的影响，加工效率高、质量稳定可靠，且外形美观。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明爬行机器人的正视图；

图2为本发明爬行机器人的遮光罩的结构示意图；

图3为本发明船舶钢材表面的预处理工艺的流程图；

图4为本发明实施例1得到的船舶钢材表面扫描电镜照片；

图5为本发明实施例2得到的船舶钢材表面扫描电镜照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

首先介绍本发明的爬行机器人，如图1所示，其包括光纤激光器1、爬行车2、遮光罩3和风扇4。

光纤激光器1，装载在爬行车2上，在爬行车2行走过程中发出激光束，对船体表面进行清洗。具体的，激光器1装载在车体21上，光纤激光器1发射出的激光束与驱动轮22和导向轮23所在底面呈大于0°、小于180°的夹角。一般情况下，光纤激光器1垂直于爬行车2安装。

爬行车2，包括车体21、驱动轮22和导向轮23，驱动轮22和导向轮23分别与车体21可转动连接。具体的，所述驱动轮22为带磁性的防滑轮，如此，能与钢材保持紧密接触，且能克服重力作用，在大角度平面上作业。具体的，所述爬行车2还包括防撞杆25，防撞杆25与车体21固定。所述防撞杆25一方面能起到撞击防护作用，另一方面，可作为绳子的附着点，牵引爬行车2在大角度平面上作业。

具体的，所述光纤激光器1激光束发射窗口同轴嵌套有漏斗3，所述漏斗3侧壁上开设有吸尘口31。如此，可将清洗过程中产生的烟、灰尘及时清理，保护光纤激光器1激光束发射窗口镜片。优选的，所述漏斗3底部设置有毛刷35。如此，在激光清洗之前，可以先对船体表面采用毛刷35清理，提高效率。优选的，还包括激光测距传感器4，固定在光纤激光器1激光束发射窗口附近，检测光纤激光器1激光束发射窗口与正面障碍物的实时距离并传送给光纤激光器1，当实时距离超过光纤激光器1预设距离时，光纤激光器1停止激光束发射窗口发出激光束。如此，可限定光纤激光器1在预设距离范围内出光，防止在搬运过程中不小心出光而导致人员伤亡，起安全作用。

遮光罩3，遮光罩3同轴嵌套在激光器1激光束发射窗口并与之密封。一方面，起到遮挡激光的作用；另一方面可收集激光扫描处理产生的气相或者小颗粒杂质成分，防止二次污染。所述遮光罩3侧壁上开设有吸尘口31和进风口32，底部开设有出光口33，风扇4设置于进风口32处。具体的，所述出光口33侧壁上固定有毛刷35，用于清理船舶钢材表面的颗粒状污物。遮光罩3还包括出风管34，出风管34一端连通吸尘口31、另一端延伸到靠近出光口33处，如此，便于即时抽走激光清洗过程中产生的气相或者小颗粒杂质成分，防止污染激光器1激光束发射窗口。

以下结合具体实施例介绍本发明的船舶钢材表面的预处理工艺。

实施例1

本实施例的船舶钢材表面的预处理工艺，采用本发明第一方面所述的爬行机器人。

本实施例中，光纤激光器1波长为1064nm，将爬行机器人置于需要清洗的船舶钢材表面，调节光纤激光器1的焦距，使需要清洗的船舶钢材表面放置在激光离焦平面位置，所述需要清理的船舶钢材表面杂质为钢材出厂保留的氧化皮、旧涂层以及油污、焊渣、灰尘等杂物；所述激光离焦平面位置为正离焦10mm，位于焦距平面以上，使激光光斑功率密度分布相对均匀，并且在处理船舶钢材表面时，如果激光能量太集中，很容易损伤基材表面，并且会产生新的氧化层，表面粗糙度也会很低。

清洗过程如下：将待处理的船舶钢材表面进行简单清扫，驱动爬行车2前进，毛刷35去除表面积灰和大颗粒物质；同时光纤激光器1对船舶钢材表面进行激光扫描处理，清除钢材表面杂物；所述光纤激光器1功率为2000W，重复频率为50Khz，所述激光扫描利用多棱镜系统，使激光束以15m/s的速度逐行逐列烧蚀所述待加工表面；所述多棱镜系统由高速旋转的多边形棱镜、电子驱动放大器和场镜组成，所述多棱镜系统的线扫描范围和速度均由电脑控制器进行控制和设定，所述电脑控制器提供的信号通过所述驱动放大电路驱动多棱镜，可以在一维方向上实现激光束偏转，同时与运动平台相结合，实现另一方向的移动；其中激光光束相对于船舶钢材沿水平面内X轴方向移动，通过控制移动速度和激光脉冲重复频率，使其脉冲光束重合度在X轴方向达到1％-99％，完成移动后，再沿水平面内Y轴方向单步移动，通过控制步进距离，使其脉冲光束重合度在Y轴方向达到1％-99％。

本实施例清洗后得到的船舶钢材表面，其扫描电镜照片如图4所示。

实施例2

本实施例的一种船舶钢材表面的预处理工艺，采用本发明第一方面所述的爬行机器人。

本实施例中，光纤激光器1波长为1064nm，将爬行机器人置于需要清洗的船舶钢材表面，调节光纤激光器1的焦距，使需要清洗的船舶钢材表面放置在激光离焦平面位置，所述需要清理的船舶钢材表面杂质为钢材出厂保留的氧化皮、旧涂层以及油污、焊渣、灰尘等杂物；所述激光离焦平面位置为负离焦10mm，位于焦距平面以下，使激光光斑功率密度分布相对均匀，并且在处理船舶钢材表面时，如果激光能量太集中，很容易损伤基材表面，并且会产生新的氧化层，表面粗糙度也会很低。

具体清洗过程如下：将待处理的船舶钢材表面进行简单清扫，驱动爬行车2前进，毛刷35去除表面积灰和大颗粒物质；同时光纤激光器1对船舶钢材表面进行激光扫描处理，清除钢材表面杂物；所述光纤激光器1功率为2000W，重复频率为50Khz，所述激光扫描利用多棱镜系统，使激光束以15m/s的速度逐行逐列烧蚀所述待加工表面；所述多棱镜系统由高速旋转的多边形棱镜、电子驱动放大器和场镜组成，所述多棱镜系统的线扫描范围和速度均由电脑控制器进行控制和设定，所述电脑控制器提供的信号通过所述驱动放大电路驱动多棱镜，可以在一维方向上实现激光束偏转，同时与运动平台相结合，实现另一方向的移动；其中激光光束相对于船舶钢材沿水平面内X轴方向移动，通过控制移动速度和激光脉冲重复频率，使其脉冲光束重合度在X轴方向达到1％-99％，完成移动后，再沿水平面内Y轴方向单步移动，通过控制步进距离，使其脉冲光束重合度在Y轴方向达到1％-99％。

本实施例清洗后得到的钢材表面，其扫描电镜照片如图5所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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)

1.一种爬行机器人，其特征在于：其包括光纤激光器(1)和爬行车(2)，所述爬行车(2)包括车体(21)、驱动轮(22)和导向轮(23)，驱动轮(22)和导向轮(23)分别与车体(21)可转动连接，激光器(1)装载在车体(21)上，光纤激光器(1)发射出的激光束与驱动轮(22)和导向轮(23)所在底面呈大于0°、小于180°的夹角。

2.如权利要求1所述的爬行机器人，其特征在于：所述驱动轮(22)为带磁性的防滑轮。

3.如权利要求1所述的爬行机器人，其特征在于：所述爬行车(2)还包括防撞杆(25)，防撞杆(25)与车体(21)固定。

4.如权利要求1所述的爬行机器人，其特征在于：还包括漏斗状遮光罩(3)和风扇(4)，所述遮光罩(3)同轴嵌套在激光器(1)激光束发射窗口并与之密封，所述遮光罩(3)侧壁上开设有吸尘口(31)和进风口(32)，底部开设有出光口(33)，风扇(4)设置于进风口(32)处。

5.如权利要求4所述的爬行机器人，其特征在于：所述出光口(33)侧壁上固定有毛刷(35)。

6.如权利要求4所述的爬行机器人，其特征在于：遮光罩(3)还包括出风管(34)，出风管(34)一端连通吸尘口(31)、另一端延伸到靠近出光口(33)处。

7.如权利要求1所述的爬行机器人，其特征在于：还包括激光测距传感器(5)，固定在光纤激光器(1)激光束发射窗口附近，检测光纤激光器(1)激光束发射窗口与正面障碍物的实时距离并传送给光纤激光器(1)，当实时距离超过光纤激光器(1)预设距离时，光纤激光器(1)停止激光束发射窗口发出激光束。

8.一种船舶钢材表面的预处理工艺，其特征在于：其采用权利要求1所述的爬行机器人，包括以下步骤，

步骤一：将爬行机器人置于待处理的船舶钢材表面，调节光纤激光器(1)的焦距，使船舶钢材表面处于光纤激光器(1)离焦平面位置；

步骤二：采用光纤激光器(1)对船舶钢材表面进行激光扫描处理，去除船舶钢材表面的杂物。

9.如权利要求8所述的船舶钢材表面的预处理工艺，其特征在于：所述步骤一中光纤激光器(1)离焦平面位置为光纤激光器(1)焦距平面以上或以下10mm-30mm。

10.如权利要求8所述的船舶钢材表面的预处理工艺，其特征在于：所述步骤二中激光扫描速度为5m/s-25m/s，且相邻两个脉冲的重合度的范围为1％-99％，重复频率为10KHz-50KHz。