CN110202272A - 一种基于飞秒激光的固体危化品切割装置及切割方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于飞秒激光的固体危化品切割装置及切割方法，所述装置包括：框架(14)、床身(13)、Y轴方向直线运动机构(1)、X轴方向直线运动机构(2)、直驱转台(3)、辅助支承(15)、密封罐(4)、Z轴方向直线运动机构(7)、扫描振镜(5)、可移动反射镜(11)、光学安装板(9)、秒激光器(6)、镜组箱(8)、吸尘器(10)；通过本装置可实现特定规格的危化品安全切割。
Description
技术领域
本发明涉及废旧危化品处理领域，具体地，涉及一种基于飞秒激光的固体危化品切割装置及切割方法。
背景技术
由于历史原因，一部分危险化学品或爆炸物被遗留在一些地方。随着越来越多的危险化学品或爆炸物被发现，由于其状态属性信息不全，其安全处置问题正引起关注。一部分爆炸物可通过引爆方式销毁，但存在一部分危化品由于内含剧毒化学品而不适合引爆销毁。对于此类危化品，一般通过拆解的方式进行处理。
目前，采用高压水射流技术拆除废旧危化品，是处理废旧危化品最高效、经济的方法，在世界各国得到广泛应用。然而，由于危化品自身的特殊性，水射流的高能束射流对危化品的冲击，可能会使危化品发生爆炸；另外，高压水射流易造成环境污染、多人操作存在安全隐患，经常有人员伤亡事故。
飞秒激光具有极短的脉宽和极高的峰值功率，脉宽短于材料晶格热驰豫时间(ps量级)，峰值功率可达到GW量级。在与材料作用时，激光光子直接破坏目标材料的结合键，瞬间的高能量密度沉积使电子的吸收和运动方式发生变化，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，从而在根本上改变了激光与物质相互作用的机制，实现了材料的非热熔加工。飞秒激光的非热熔性加工可以说是一种“冷”加工过程。飞秒激光的非热熔性“冷”加工特点，给固体危化品拆解处置带来一种新的技术途径，其无热传递和低冲击压强的安全绿色“冷”加工可以满足危化品的拆解处置需求。
国内少数科研单位开展了含能材料替代品的初步微加工演示实验，但还没有飞秒激光加工含能材料以及用于固体危化品拆解处置的深入研究方案。本发明提供了一种基于飞秒激光的固体危化品切割装置，可实现特定规格的危化品安全切割。
发明内容
本发明提供了一种基于飞秒激光的固体危化品切割装置及切割方法，可实现特定规格的危化品安全切割。
为实现上述发明目的，本申请提供了一种基于飞秒激光的固体危化品切割装置，所述装置包括：
框架、床身、Y轴方向直线运动机构、X轴方向直线运动机构、直驱转台、辅助支承、密封罐、Z轴方向直线运动机构、扫描振镜、可移动反射镜、光学安装板、秒激光器、镜组箱、吸尘器；
床身放置于框架上，床身上固定有Y轴方向直线运动机构或X轴方向直线运动机构，当床身上固定有Y轴方向直线运动机构时，X轴方向直线运动机构固定在Y轴方向直线运动机构的台面上，Y轴方向直线运动机构用于在水面面Y轴方向对X轴方向直线运动机构的直线运动进行调整；当床身上固定有X轴方向直线运动机构时，Y轴方向直线运动机构固定在X轴方向直线运动机构的台面上，X轴方向直线运动机构用于在水面面X轴方向对Y轴方向直线运动机构的直线运动进行调整；
直驱转台固定在Y轴方向直线运动机构和X轴方向直线运动机构两者中位于上方的该机构的台面上，直驱转台中的A轴端面安装固体危化品，固体危化品下放置辅助支承，辅助支承与Y轴方向直线运动机构和X轴方向直线运动机构两者中位于上方的该机构的台面固定连接；密封罐将直驱转台、固体危化品、辅助支承密封其中；吸尘器的管道一端延伸至密封罐内；
横梁安装固定在床身上，Z轴方向直线运动机构位于床身横梁上，Z轴方向直线运动机构的台面与横梁固定连接；Z轴方向直线运动机构用于对安装在其上的部件进行竖直方向的直线运动调整；扫描振镜固定安装在Z轴方向直线运动机构的台面上，扫描振镜与可移动反射镜固定连接；横梁上方固定安装有安装光学安装板，光学安装板上固定安装飞秒激光器和镜组箱；飞秒激光器产生激光通过镜组箱进行传输后对固体危化品进行切割。
其中，本装置基于边旋转边振镜扫描切割方式的结构设计，利于危化品散热与排渣；本装置采用密封结构，可实现密封罐内气氛控制，保证有毒有害材料不泄漏；本装置辅助支承高度可调，可适应一定尺寸变化范围的危化品。
其中，本发明的原理为：当需要对固体危化品进行切割时，将固体危化品安装在直驱转台中的A轴端面上，A轴为直驱转台，为旋转轴，转台是内部电机直驱，通过其转动能够带动固体危化品转动，使得其在转动的时候能够充分被飞秒激光器进行激光切割；床身上固定有Y轴方向直线运动机构或X轴方向直线运动机构，通过Y轴方向直线运动机构或X轴方向直线运动机构能够提供Y轴方向和X轴方向的移动，进而能够为固体危化品在切割时提供Y轴方向和X轴方向的移动，且本装置还设有Z轴方向直线运动机构能够对安装在其上的部件进行竖直方向的直线运动调整，进而在切割时对飞秒激光器产生激光通过镜组箱进行传输的切割方向进行调整，即本装置在切割时能够实现XYZ三个方向上的切割调整，使得切割的自由度和切割的准确率得到保障。
进一步的，本装置设有辅助支承利用辅助支承可以对固体危化品进行支撑，保障切割的准确和安装，利用密封罐将直驱转台、固体危化品、辅助支承密封其中，可以保障切割的安全性，吸尘器的管道一端延伸至密封罐内，可以将切割产生的粉末吸走，进一步保障切割完成后的粉末处理以及安全性。
进一步的，飞秒激光器输出的超短脉冲激光经扩束镜扩束至20mm，由反射镜组传输至扫描振镜，最后由场镜聚焦至工件表面。
进一步的，框架具体为钢框架，钢框架下方设有调平垫。
进一步的，床身具体为大理石床身。
进一步的，辅助支承高度可调。
进一步的，扫描振镜安装于Z轴方向直线运动机构的台面，通过螺钉进行固定；Z轴方向直线运动机构带动扫描振镜在Z轴方向进行直线运动。
进一步的，可移动反射镜与扫描振镜之间螺钉固定连接。
进一步的，光学安装板通过螺钉固定安装在横梁上方。
进一步的，飞秒激光器和镜组箱通过螺钉固定安装在光学安装板上。
另一方面，基于前面的切割装置，本申请还提供了一种固体危化品切割方法，所述方法包括：
步骤1：将固体危化品安装于直驱转台中的A轴端面上；
步骤2：通过Y轴方向直线运动机构和X轴方向直线运动机构调整切割位置；
步骤3：通过Z轴方向直线运动机构调整焦斑位置，使焦斑落在切割位置；
步骤4：启动直驱转台，旋转固体危化品；
步骤5：飞秒激光器出光，扫瞄振镜启动，开始切割过程。
进一步的，启动直驱转台，旋转固体危化品，转速为10r/min，扫瞄振镜的扫描范围为沿Y轴方向上下移动10mm内。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
通过本发明的装置，可实现一定规格的固体危化品切割拆解，切割过程安全、绿色，对环境基本无影响，为固体危化品处置提供了条件；辅助支承位置可调，可适应一定尺寸范围的固体危化品；边旋转边扫描的切割方式，有利于散热与排渣。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本申请中基于飞秒激光的固体危化品切割装置的结构示意图；
其中，1-Y轴方向直线运动机构；2-X轴方向直线运动机构；3-直驱转台；4-密封罐；5-扫描振镜；6-飞秒激光器；7-Z轴方向直线运动机构；8-镜组箱；9-光学安装板；10-吸尘器；11-可移动反射镜；12-固体危化品；13-床身；14-框架；15-辅助支承；16-调平垫。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
请参考图1，本发明实施例提供了一种基于飞秒激光的固体危化品切割装置，通过该装置实现特定规格的固体危化品安全切割拆解。
主要连接关系为：直驱转台(3)简称A轴，其端面安装固体危化品(12)，直驱转台(3)与固体危化品(12)固定连接，其中A轴为直驱转台，为旋转轴，转台是内部电机直驱；固体危化品(12)下放置辅助支承(15)，辅助支承(15)高度可调；辅助支承(15)与X轴固定连接，X轴方向直线运动机构(2)简称X轴，X轴为直线运动轴，其上为台面，辅助支承(15)与X轴台面连接，X轴为直线电机直驱。A轴位于X轴上方，固定连接，A轴外壳有安装面，安装面与X轴台面固定连接。
密封罐(4)将A轴、固体危化品(12)、辅助支承(15)密封其中；吸尘器(10)管道一端延伸至密封罐内，作用是吸走切割后的粉末，吸尘器(10)管道另一端与吸尘器连接。X轴与Y轴固定连接，Y轴方向直线运动机构(1)简称Y轴；Y轴(1)与床身(13)固定连接，床身为大理石床身，高运动精度设备一般采用大理石床身，热稳定性和抗振动性能好。床身(13)放置于框架(14)上，框架为钢框架，框架(14)下方为调平垫(16)；Z轴方向直线运动机构(7)简称Z轴，Z轴位于床身(13)横梁上，固定连接；其中，横梁是大理石床身的一个部位，即激光器下面的位置；Z轴为垂直上下运动轴，内部电机滚珠丝杠传动。Z轴上安装扫描振镜(5)，固定连接，振镜安装于Z轴台面，螺钉固定；Z轴带动振镜直线运动。扫描振镜(5)与可移动反射镜(11)固定连接，反射镜座与振镜座之间螺钉固定连接。；床身(13)横梁上方通过螺钉安装光学安装板(9)，固定连接；光学安装板(9)上安装飞秒激光器(6)和镜组箱(8)，飞秒激光出光通过镜片传输；出光方向为水平出光传输至镜组箱，光学安装板上安装两个组件：飞秒激光器和镜组箱，两个组件通过螺钉固定在光学安装板上。
装置的切割使用方法为：
1、将固体危化品(12)安装于A轴；
2、通过X轴和Y轴调整切割位置；
3、通过Z轴调整焦斑位置，使焦斑落在切割位置；
4、启动A轴)，旋转固体危化品(12)，转速10r/min；
5、飞秒激光器(6)出光，扫瞄振镜(5)启动，扫描范围10mm(Y方向)，开始切割过程。
其中，所采用的激光器为红外飞秒激光器，激光器的输出功率在20W-50W之间，输出的脉冲宽度小于150fs；
传输光路采用光电快门、扩束镜、反射镜、振镜、场镜的方式，振镜扫描范围10mm(Y方向)；
切割方式为边旋转边振镜扫描方式，转速≤10r/min；
切割过程温度全程监测，温度≤100℃。
密封罐内可吹氩气等保护气体，切割过程采用吸尘器进行烟雾净化。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于飞秒激光的固体危化品切割装置，其特征在于，所述装置包括：
框架(14)、床身(13)、Y轴方向直线运动机构(1)、X轴方向直线运动机构(2)、直驱转台(3)、辅助支承(15)、密封罐(4)、Z轴方向直线运动机构(7)、扫描振镜(5)、可移动反射镜(11)、光学安装板(9)、秒激光器(6)、镜组箱(8)、吸尘器(10)；
床身(13)放置于框架(14)上，床身(13)上固定有Y轴方向直线运动机构(1)或X轴方向直线运动机构(2)，当床身(13)上固定有Y轴方向直线运动机构(1)时，X轴方向直线运动机构(2)固定在Y轴方向直线运动机构(1)的台面上，Y轴方向直线运动机构(1)用于在水面面Y轴方向对X轴方向直线运动机构(2)的直线运动进行调整；当床身(13)上固定有X轴方向直线运动机构(2)时，Y轴方向直线运动机构(1)固定在X轴方向直线运动机构(2)的台面上，X轴方向直线运动机构(2)用于在水面面X轴方向对Y轴方向直线运动机构(1)的直线运动进行调整；
直驱转台(3)固定在Y轴方向直线运动机构(1)和X轴方向直线运动机构(2)两者中位于上方的该机构的台面上，直驱转台(3)中的A轴端面安装固体危化品(12)，固体危化品(12)下放置辅助支承(15)，辅助支承(15)与Y轴方向直线运动机构(1)和X轴方向直线运动机构(2)两者中位于上方的该机构的台面固定连接；密封罐(4)将直驱转台(3)、固体危化品(12)、辅助支承(15)密封其中；吸尘器(10)的管道一端延伸至密封罐(4)内；
横梁安装固定在床身(13)上，Z轴方向直线运动机构(7)位于床身(13)横梁上，Z轴方向直线运动机构(7)的台面与横梁固定连接；Z轴方向直线运动机构(7)用于对安装在其上的部件进行竖直方向的直线运动调整；扫描振镜(5)固定安装在Z轴方向直线运动机构(7)的台面上，扫描振镜(5)与可移动反射镜(11)固定连接；横梁上方固定安装有安装光学安装板(9)，光学安装板(9)上固定安装飞秒激光器(6)和镜组箱(8)；飞秒激光器(6)产生激光通过镜组箱(8)进行传输后对固体危化品(12)进行切割。
2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的固体危化品切割装置，其特征在于，框架(14)具体为钢框架，钢框架下方设有调平垫(16)。
3.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的固体危化品切割装置，其特征在于，床身(13)具体为大理石床身。
4.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的固体危化品切割装置，其特征在于，辅助支承(15)高度可调。
5.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的固体危化品切割装置，其特征在于，扫描振镜(5)安装于Z轴方向直线运动机构(7)的台面，通过螺钉进行固定；Z轴方向直线运动机构(7)带动扫描振镜(5)在Z轴方向进行直线运动。
6.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的固体危化品切割装置，其特征在于，可移动反射镜(11)与扫描振镜(5)之间螺钉固定连接。
7.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的固体危化品切割装置，其特征在于，光学安装板(9)通过螺钉固定安装在横梁上方。
8.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的固体危化品切割装置，其特征在于，飞秒激光器(6)和镜组箱(8)通过螺钉固定安装在光学安装板(9)上。
9.一种基于权利要求1-8中任意一个所述装置的固体危化品切割方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：将固体危化品(12)安装于直驱转台(3)中的A轴端面上；
步骤2：通过Y轴方向直线运动机构(1)和X轴方向直线运动机构(2)调整切割位置；
步骤3：通过Z轴方向直线运动机构(7)调整焦斑位置，使焦斑落在切割位置；
步骤4：启动直驱转台(3)，旋转固体危化品(12)；
步骤5：飞秒激光器(6)出光，扫瞄振镜(5)启动，开始切割过程。
10.根据权利要求9所述的固体危化品切割方法，其特征在于，启动直驱转台(3)，旋转固体危化品(12)，转速为10r/min，扫瞄振镜(5)的扫描范围为沿Y轴方向上下移动10mm内。
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