CN111774736A - 一种外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备及方法，包括激光切割装置、电脑机柜和电控柜，激光切割装置包括机架及设置于机架上的切割单元、运动单元和夹持单元，切割单元沿X轴向滑动设置于机架上，运动单元上放置金属套管组件并能够带动金属套管组件沿Y轴向和Z轴向移动，夹持单元用于夹持金属套管组件且能够带动金属套管组件在X轴向转动，金属套管组件与机架平行设置，电控柜与激光切割装置分别与电脑机柜电连接。本发明可在热室外部远程控制激光自动切割，允许金属外套管不平整表面的定焦距切割，层层切割、能够精确控制激光的切割深度，避免了外包层工件的表面被切割损伤，切割效率高，环境污低。

Description

一种外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备及方法
技术领域
本发明涉及激光切割的技术领域，特别是涉及一种外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备及方法。
背景技术
在反应堆工程领域，常需要在检验热室中需对外包层工件的外套管进行切割，再取出内部的外包层工件。传统方式是在热室中采用切割机对外包层工件金属外套管进行切割，在切割片切割金属外套管过程中产生大量金属颗粒，且需用水流冲击切割片进行降温，所以此过程中不经有废液产生，而且切割效率低、切割深度难控制，会导致无法高效切割并造成取出的燃料棒表面有损伤。
申请号CN201810317582.4提供一种核设施水下高压水切割系统，通过引入磨料水射流技术，结合远程控制水下机器人进入贮存设施如乏燃料池内，并携带切割枪移动以切割贮存在贮存设施内的核设施部件，如金属套管组件，这样可以适用于特殊核设施设备的水下作业，但无一般热室内空气介质场景的应用。
申请号CN201710196154.6提供一种可远程操作，能够有效地控制切割环境的放射性物质污染扩散、降低热室运行成本的外包层工件切割装置及方法。但目前尚无一种在热室内环保高效精确切割外包层工件金属外套管的方式。
现有的切割方式是机械切割，是在热室内采用切割机利用高速转动金属切割片对外套管进行热切割，还需冲水对切割片进行降温。这样，切割过程中既有飞溅金属颗粒产生，也有废液存在，增加日常热室内的清洁和设备维护负担和成本；更重要的是较低的切割效率和不精确的切割深度控制，会损伤外包层工件，导致无法进行后续检验测试。
申请号CN201810317582.4提供一种水下高压水切割金属套管组件的系统，这样可以适用于特殊核设施设备的水下作业，但无一般热室内空气介质场景的应用。申请号CN201710196154.6提供一种可远程操作，能够有效地控制切割环境的放射性物质污染扩散、降低热室运行成本的外包层工件切割装置及方法。但目前尚无一种在热室内环保高效精确切割外包层工件金属外套管的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使外包层工件的金属外套管切割精度容易控制且不损伤外包层工件表面，对环境污染小、切割效率高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备，包括激光切割装置、电脑机柜和电控柜，所述激光切割装置包括机架及设置于所述机架上的切割单元、运动单元和夹持单元，所述切割单元沿X轴向滑动设置于所述机架上，所述切割单元能够利用激光对外包层工件的金属外套管进行逐层切割，所述运动单元上放置金属套管组件并能够带动所述金属套管组件沿Y轴向和Z轴向移动，所述夹持单元用于夹持所述金属套管组件且能够带动所述金属套管组件在X轴向转动，所述金属套管组件与所述机架平行设置，所述电控柜与所述激光切割装置分别与所述电脑机柜电连接。
优选的，所述切割单元包括滑动壳体、直线电机传输机构和聚焦机构，所述滑动壳体设置于所述直线电机传输机构上，所述聚焦机构设置于所述滑动壳体内，所述聚焦机构包括光纤隔离头、扫描振镜和场镜，所述扫描振镜和所述场镜的位置按照光路布局，所述光纤隔离头发出的激光经过扫描振镜改变偏转角后穿过用于调焦的场镜到达所述金属外套管的表面。
优选的，所述滑动壳体一侧设置有辅助吹气机构，所述辅助吹气机构包括喷气嘴和气泵，所述金属外套管表面和所述激光的交点与所述喷气嘴相对应，所述气泵与所述电脑机柜电连接。
优选的，所述电控柜内设置有激光器，所述激光器为纳秒级光纤激光器且与所述光纤隔离头通过光纤连接，所述扫描振镜包括X振镜和Y振镜，所述X振镜、所述Y振镜和所述激光器分别与所述电脑机柜电连接。
优选的，所述滑动壳体上设置有光电传感器和测距传感器，所述光电传感器用于检测所述金属套管组件的端面位置，所述测距传感器用于检测所述金属套管组件表面与所述场镜的距离。
优选的，所述运动单元包括升降台和Y向移动机构，所述升降台包括气缸和托架，所述托架设置于所述气缸的顶杆上，所述托架用于固定所述金属套管组件，所述Y向移动机构包括相互匹配的导轨和直线电机，所述直线电机与所述气缸的缸体连接。
优选的，所述夹持单元包括X向移动机构和卡盘夹具机构，所述X向移动机构包括滑轨和推动气缸，所述卡盘夹具机构的底座设置有与所述滑轨相匹配的滑槽，所述底座与所述推动气缸的顶杆连接，所述卡盘夹具机构的卡盘与所述金属套管组件的形状相匹配。
优选的，所述运动单元和所述夹持单元对称设置于所述机架的两端。
本发明还涉及一种外包层工件金属外套管激光非穿透切割方法，基于上述的外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备，具体包括以下步骤：
步骤一，将装有外包层工件的六棱柱形的金属外套管用机械手放置于运动单元上，启动电脑机柜上的激光切割处理程序、输入切割层数、选择切割路径并运行，所述电脑机柜控制切割单元带动光电传感器移动并识别金属套管组件的右端位置，同时控制测距传感器实时监测场镜到所述金属套管组件表面的距离并控制运动单元将所述金属套管组件表面移动至场镜的焦点处，之后所述电脑机柜控制开启辅助吹气装置、聚焦机构的X振镜和Y振镜、激光发射器，按照所述激光切割处理程序设定的切割路径进行逐层切割，直至达到设定的切割层数，所述金属外套管正好被切透，所述电脑机柜控制激光发射器、聚焦机构的X振镜和Y振镜关闭，一次激光切割工序完成；
步骤二，所述电脑机柜控制运动单元带动所述金属套管组件运动至与夹持单元共轴线处，左、右两侧的夹持单元受电脑机柜控制向中间靠拢并对所述金属套管组件的两端进行夹紧，然后旋转电机带动所述金属套管组件旋转120°，重复步骤一中的操作流程，直至所述金属外套管的第二面切割完成，内部的所述外包层工件便能够取出。
优选的，所述步骤一中，所述激光切割工序中的切割面为矩形，且所述金属外套管的第一面包含若干个矩形的所述切割面，当一次激光切割工序完成后，所述电脑机柜控制切割单元进行设定长度的平移，重复所述的操作流程，直至所述光电传感器识别不到所述金属套管组件的右端位置，即所述金属外套管的第一面切割完成。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备及方法，可以在热室外部远程控制激光切割过程，自动化程度高，自动对焦技术使得切割时允许金属外套管不平整表面的定焦距切割，层层切割、能够精确控制激光的切割深度，有效避免了外包层工件的表面被切割损伤；同时利用脉冲激光束辐照使得工件表面吸收激光能量直接升华或者瞬间汽化蒸发，切割效率高，解决了传统热室内机械切割存在环境污染、切割效率低、切割精度难控制引起的外包层工件表面损伤的问题，节省了成本。
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为本发明外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备及方法的结构示意图；
图2为本发明中激光切割装置的结构示意图一；
图3为本发明中激光切割装置的结构示意图二；
图4为本发明中激光切割装置的结构示意图三；
图5为本发明中激光切割装置的结构示意图四；
图6为本发明外包层工件金属外套管激光非穿透切割方法的流程示意图；
其中：1-电脑机柜，2-电控柜，3-激光切割装置，4-金属套管组件，5-机架，6-直线电机传输机构，7-聚焦机构，8-光纤隔离头，9-扫描振镜，10-场镜，11-喷气嘴，12-光电传感器，13-测距传感器，14-Y向移动机构，15-升降台，16-气缸，17-托架，18-X向移动机构，19-卡盘夹具机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备及方法，以解决现有技术存在的问题，使外包层工件的金属外套管切割精度容易控制且不损伤外包层工件表面，对环境污染小、切割效率高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图6所示：本实施例提供了一种外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备，包括激光切割装置3、电脑机柜1和电控柜2，激光切割装置3包括机架5及设置于机架5上的切割单元、运动单元和夹持单元，切割单元沿X轴向滑动设置于机架5上，切割单元能够利用激光对外包层工件的金属外套管进行逐层切割，运动单元上放置金属套管组件4并能够带动金属套管组件4沿Y轴向和Z轴向移动，夹持单元用于夹持金属套管组件4且能够带动金属套管组件4在X轴向转动，金属套管组件4与机架5平行设置，电控柜2与激光切割装置3分别与电脑机柜1电连接。本实施例的电脑机柜1可以输入参数和操作指令，与所有传感器电连接，控制所有的气缸、电机、激光发射器的运动。
切割单元包括滑动壳体、直线电机传输机构6和聚焦机构7，滑动壳体设置于直线电机传输机构6上，所述聚焦机构7设置于滑动壳体内，聚焦机构7包括光纤隔离头8、扫描振镜9和场镜10，扫描振镜9和场镜10的位置按照光路布局，光纤隔离头8发出的激光经过扫描振镜9改变偏转角后穿过用于调焦的场镜10到达金属外套管的表面，直线电机传输机构6包括直线电机和相匹配的导轨，其中直线电机为伺服电机，直线电机传输机构6的端部设置有限位机构或者测距传感器13。其中，切割单元也可以设置于一升降机构上，升降机构设置于直线电机传输机构6上，以实现聚焦机构7的高度调节。滑动壳体一侧设置有辅助吹气机构，辅助吹气机构包括喷气嘴11和气泵，金属外套管表面和激光的交点与喷气嘴11相对应，气泵与电脑机柜1电连接。直线电机传输机构6为本领域常规的直线电机和导轨机构，也可以为同步带、带轮连接结构，此处不再赘述其具体结构。金属外套管切割熔化后挥发成气态，被喷气嘴11吹走，喷气嘴吹气形成“气帘”，可防止飞溅的烟尘颗粒干扰场镜10出来的激光光路，影响切割效果。热室内同步集中吸尘，可有效降低热内环境污染程度，远低于废水处理带来的环境污染和成本。
电控柜2内设置有激光器，激光器为纳秒级光纤激光器且与光纤隔离头8通过光纤连接，扫描振镜9包括X振镜和Y振镜，X振镜、Y振镜和激光器分别与电脑机柜1电连接。采用纳秒级光纤激光器，能获得更好表面切割效果，滑动壳体上设置有光电传感器13和测距传感器13，光电传感器12用于检测金属套管组件4的端面位置，测距传感器13用于检测金属套管组件4表面与场镜10的距离。通过驱动振镜电机改变X振镜和Y振镜对激光的偏转角，可以是激光形成切割线，进而形成切割图形或切割面；当激光依次通过X振镜上反射镜及Y振镜上反射镜时，发生偏转，激光在工件表面形成的可以是切割线(即，激光光斑与光斑搭接成线)，也可以是切割面(即，线与线搭接成面)。
运动单元和夹持单元对称设置于机架5的两端。运动单元包括升降台15和Y向移动机构14，升降台15包括气缸16和托架17，托架17设置于气缸16的顶杆上，托架17用于固定金属套管组件4，Y向移动机构14包括相互匹配的导轨和直线电机，直线电机与气缸16的缸体连接。夹持单元包括X向移动机构18和卡盘夹具机构19，X向移动机构18包括滑轨和推动气缸16，卡盘夹具机构19的底座设置有与滑轨相匹配的滑槽，底座与推动气缸16的顶杆连接，卡盘夹具机构19的卡盘与金属套管组件4的形状相匹配。卡盘夹具机构19为本领域常规的气动卡盘夹具机构，此处不再赘述其具体结构。X向移动机构18、Y向移动机构14可以是直线电机机构、滚珠丝杠机构或者同步带传输机构，能够实现带动升降台15沿Y轴移动的本领域常规的其他机构也可以。
基于本实施例的外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备的一种外包层工件金属外套管激光非穿透切割方法，以六棱柱形的金属外套管的切割为例，具体包括以下步骤：
步骤一，将装有外包层工件的六棱柱形的金属外套管(金属套管组件4)用机械手放置于运动单元上，启动电脑机柜1上的激光切割处理程序、输入切割层数、选择切割路径并运行，电脑机柜1控制切割单元带动光电传感器12移动并识别金属套管组件4的右端位置，同时控制测距传感器13实时监测场镜10到金属套管组件4表面的距离并控制运动单元将金属套管组件4表面移动至场镜10的焦点处，若金属套管组件4表面有凹陷或者凸起，运动单元的升降台15根据测距传感器13的监测数据进行相应的升降移动，以保障金属套管组件4表面始终处于该焦点处，精确控制激光的切割深度，有效避免了外包层工件的表面被切割损伤。之后电脑机柜1控制开启辅助吹气装置、聚焦机构7的X振镜和Y振镜、激光发射器，按照激光切割处理程序设定的切割路径进行逐层切割，直至达到设定的切割层数，金属外套管正好被切透，电脑机柜1控制激光发射器、聚焦机构7的X振镜和Y振镜关闭，一次激光切割工序完成。其中，激光切割工序中的切割面为矩形，且金属外套管的第一面包含若干个矩形的切割面，当一次激光切割工序完成后，电脑机柜1控制切割单元进行设定长度的平移，重复的操作流程，直至光电传感器12识别不到金属套管组件4的右端位置，即金属外套管的第一面切割完成。
步骤二，电脑机柜1控制运动单元带动金属套管组件4运动至与夹持单元共轴线处，左、右两侧的夹持单元受电脑机柜1控制向中间靠拢并对金属套管组件4的两端进行夹紧，然后旋转电机带动金属套管组件4旋转120°，重复步骤一中的操作流程，直至金属外套管的第二面切割完成，内部的外包层工件便能够取出。
其中，激光切割步骤顺序(轴向表面切割)、切割工艺参数(切割处理程序、输入切割层数、选择切割路径)和切割对象的外观形状也能做柔性调整，设备在外观及激光器类型方面可以根据切割对象做出许多变形和修改。
本实施例采用激光非穿透切割外套管，原理是利用高能激光束照射工件表面，使表面材料瞬间熔融甚至气化，然后通过控制激光在材料表面的路径形成一条具有一定深度的凹槽，再通过严格控制切割工艺达到精确控制单次切割深度，快速扫射的切割路径，避免热传导造成的熔化在材料上形成狭窄割缝，以实现外套管切割部位减薄层层去除而不损伤外包层工件，切割效率高、切割效果更好。脉冲激光束是无接触切割工具，对工件不施加任何力，工件无机械变形、刀具无磨损，也不用考虑刀具的转换问题；激光切割能力不受被切材料的硬度影响，无须考虑切割材料的硬度，任何硬度的材料都可以切割。激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而与自动化设备相结合容易实现切割过程自动化和切割程度的精确控制，解决了传统热室内机械切割存在环境污染、切割效率低、切割精度难控制引起的外包层工件表面损伤的问题。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备，其特征在于：包括激光切割装置、电脑机柜和电控柜，所述激光切割装置包括机架及设置于所述机架上的切割单元、运动单元和夹持单元，所述切割单元沿X轴向滑动设置于所述机架上，所述切割单元能够利用激光对外包层工件的金属外套管进行逐层切割，所述运动单元上放置金属套管组件并能够带动所述金属套管组件沿Y轴向和Z轴向移动，所述夹持单元用于夹持所述金属套管组件且能够带动所述金属套管组件在X轴向转动，所述金属套管组件与所述机架平行设置，所述电控柜与所述激光切割装置分别与所述电脑机柜电连接。
2.根据权利要求1所述的外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备，其特征在于：所述切割单元包括滑动壳体、直线电机传输机构和聚焦机构，所述滑动壳体设置于所述直线电机传输机构上，所述聚焦机构设置于所述滑动壳体内，所述聚焦机构包括光纤隔离头、扫描振镜和场镜，所述扫描振镜和所述场镜的位置按照光路布局，所述光纤隔离头发出的激光经过扫描振镜改变偏转角后穿过用于调焦的场镜到达所述金属外套管的表面。
3.根据权利要求2所述的外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备，其特征在于：所述滑动壳体一侧设置有辅助吹气机构，所述辅助吹气机构包括喷气嘴和气泵，所述金属外套管表面和所述激光的交点与所述喷气嘴相对应，所述气泵与所述电脑机柜电连接。
4.根据权利要求2所述的外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备，其特征在于：所述电控柜内设置有激光器，所述激光器为纳秒级光纤激光器且与所述光纤隔离头通过光纤连接，所述扫描振镜包括X振镜和Y振镜，所述X振镜、所述Y振镜和所述激光器分别与所述电脑机柜电连接。
5.根据权利要求2所述的外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备，其特征在于：所述滑动壳体上设置有光电传感器和测距传感器，所述光电传感器用于检测所述金属套管组件的端面位置，所述测距传感器用于检测所述金属套管组件表面与所述场镜的距离。
6.根据权利要求1所述的外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备，其特征在于：所述运动单元包括升降台和Y向移动机构，所述升降台包括气缸和托架，所述托架设置于所述气缸的顶杆上，所述托架用于固定所述金属套管组件，所述Y向移动机构包括相互匹配的导轨和直线电机，所述直线电机与所述气缸的缸体连接。
7.根据权利要求1所述的外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备，其特征在于：所述夹持单元包括X向移动机构和卡盘夹具机构，所述X向移动机构包括滑轨和推动气缸，所述卡盘夹具机构的底座设置有与所述滑轨相匹配的滑槽，所述底座与所述推动气缸的顶杆连接，所述卡盘夹具机构的卡盘与所述金属套管组件的形状相匹配。
8.根据权利要求1所述的外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备，其特征在于：所述运动单元和所述夹持单元对称设置于所述机架的两端。
9.一种外包层工件金属外套管激光非穿透切割方法，基于权利要求1-8中任一项所述的外包层工件金属外套管激光非穿透切割设备，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一，将装有外包层工件的六棱柱形的金属外套管用机械手放置于运动单元上，启动电脑机柜上的激光切割处理程序、输入切割层数、选择切割路径并运行，所述电脑机柜控制切割单元带动光电传感器移动并识别金属套管组件的右端位置，同时控制测距传感器实时监测场镜到所述金属套管组件表面的距离，并控制运动单元将所述金属套管组件表面移动至场镜的焦点处，之后所述电脑机柜控制开启辅助吹气装置、聚焦机构的X振镜和Y振镜、激光发射器，按照所述激光切割处理程序设定的切割路径进行逐层切割，直至达到设定的切割层数，所述金属外套管正好被切透，所述电脑机柜控制激光发射器、聚焦机构的X振镜和Y振镜关闭，一次激光切割工序完成；
步骤二，所述电脑机柜控制运动单元带动所述金属套管组件运动至与夹持单元共轴线处，左、右两侧的夹持单元受电脑机柜控制向中间靠拢并对所述金属套管组件的两端进行夹紧，然后旋转电机带动所述金属套管组件旋转120°，重复步骤一中的操作流程，直至所述金属外套管的第二面切割完成，内部的所述外包层工件便能够取出。
10.根据权利要求9所述的外包层工件金属外套管激光非穿透切割方法，其特征在于：所述步骤一中，所述激光切割工序中的切割面为矩形，且所述金属外套管的第一面包含若干个矩形的所述切割面，当一次激光切割工序完成后，所述电脑机柜控制切割单元进行设定长度的平移，重复所述的操作流程，直至所述光电传感器识别不到所述金属套管组件的右端位置，即所述金属外套管的第一面切割完成。
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