CN111871968A - 一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置及方法 - Google Patents

一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置及方法，属于金属材料除锈防腐应用技术领域，包括：移动机构，根据设定的路径行进至所需除锈零件附近；激光器，产生除锈和防腐所需激光；振镜及光路系统包括动态聚焦镜、激光测距仪、CCD相机、气体喷射装置和振镜；激光测距仪测量动态聚焦镜与零件表面的距离；动态聚焦镜实时调整焦距，使激光在零件表面的功率密度稳定；CCD相机获取零件表面照片，实时监控除锈防腐过程；振镜将激光对零件表面进行扫描，以使零件除锈和防腐；气体喷射装置向除锈后的零件喷射气体，并结合激光扫描，完成防腐处理。本发明解决了远距离金属零件的除锈和防腐，有效降低金属零件维护次数和延长寿命。

Description

一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置及方法
技术领域
本发明属于金属材料除锈防腐应用技术领域，更具体地，涉及一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置及方法。
背景技术
金属零件因长时间暴露在空气中会产生锈蚀，全世界每年因金属零件生锈而报废的金属零部件数不胜数，约占全年金属总产量的1/3，其造成的直接经济损失高达7000万美元，我国因金属锈蚀而造成的直接经济损失占国民生产总值的4％。因此金属零件的除锈和防腐研究至关重要。某些金属零件由于结构需要被安装在操作人员不方便触及的位置，如高空或者危险的环境中等等，此类金属零件的安装位置成为金属零件除锈和防腐的阻碍，因此需要远距离对此类金属零件进行除锈和防腐作业。
传统金属零件除锈防腐作业一般使用酸碱等化学试剂在金属零件表面进行发黑发蓝处理，对操作人员要求较高的同时还对环境造成危害；而激光作为高能激光束，能够气化金属零件表面锈渍，并且在空气或者氧气的环境下能够使金属零件表面产生致密的氧化层，保护金属零件的内层金属不被氧化，达到除锈防腐一体化的效果。因此对于金属零件来说，远距离激光除锈防腐一体化才是最具有应用价值的经济效益的方式。
专利号为CN208583736U，专利名称为“一种用于高压带电设备的激光除锈装置”，提出了利用脉冲激光器手持近距离高压带电金属零件的除锈装置，实现在不拆卸待除锈零件的前提下由人工手持装置进行近距离激光除锈。华中科技大学王泽敏等人(Parametersand surface performance of laser removal of rust layer on A3 Steel)、新加坡义安理工学院Chen G X等人(High-power fibre laser cleaning for green shipbuilding)和上海船舶工艺研究所刘洪伟等人(船用板材激光除锈应用技术)对钢板表面进行除锈，获得较好效果，其中刘洪伟等人达到Sa1-1/2级洁净度，腐蚀性能与传统喷砂工艺防腐相当。上述文献或专利均实现了近距离的金属表面除锈，并且存在激光除锈后金属抗腐蚀性能提升现象，但是均未实现远距离金属零件激光除锈防腐一体化。
专利“一种用于电力设备的远程激光除锈装置”(CN201810755984)和云南电网有限责任公司电力科学研究院杨明昆等人的论文《隔离开关的米级远距离激光除锈工艺研究》实现了2米远距离金属表面激光除锈。专利“一种远程自动激光清洗系统”(CN201821306317)发明了一种远程小功率激光清洗系统，工作距离可达30-150m。上述专利均实现了米级远距离的金属表面除锈，但是未实现远距离金属零件激光除锈防腐一体化。
专利“防锈不锈钢雕刻”(CN201610988532)及西安航天复合材料研究所韩红敏等人的论文《铝合金的一种激光表面处理方法》利用脉冲激光分别对不锈钢和铝合金进行表面钝化，达到防腐效果；艾克斯马赛大学A.Pereira等人(XeCl laser treatment of steelsurface；Laser treatment of a steel surface in ambient air)利用XeCl准分子激光器对钢和铜表面进行钝化，达到防腐效果。这些文献或专利实现了金属表面防腐，但是均未实现远距离金属零件激光除锈防腐一体化。
专利“一种激光金属表面除污或抗腐防锈装置”(CN 209792168 U)，通过激光照射金属表面，使其表面升温，去除金属表面锈渍，并在氧气的辅助下在其表面生成致密氧化膜，起到除锈防腐功能；涂允盛等人在论文《激光除锈的显微分析》和南开大学李伟等人在论文中《激光清洗锈蚀的机制研究和设备开发》，利用激光对钢板进行表面除锈并在表面形成了钝化层，达到防腐效果。上述文献或专利实现了金属表面除锈/防腐一体化，但是未实现远距离金属零件激光除锈/防腐一体化。
可见针对远距离的激光除锈、激光防腐以及近距离激光除锈、激光防腐都有相关报道，但是关于远距离激光除锈、防腐一体化的装备及工艺至今未见报道。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置及方法，由此解决无法远距离进行除锈和防腐作业导致工人安全难以保障，劳动强度高和环境污染的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置，包括：移动机构、激光器、多维运动机械臂和振镜及光路系统；
所述激光器设置于所述移动机构上，所述多维运动机械臂设置于所述移动机构上，所述振镜及光路系统设置于所述多维运动机械臂的末端；
所述移动机构用于根据设定的路径或现场人员遥控行进至所需除锈零件附近，并标定起点位置；所述激光器用于产生除锈和防腐所用激光，并通过光纤将所述激光输送至所述振镜及光路系统；所述多维运动机械臂用于定位待除锈零件，并移动所述振镜及光路系统，以实现不改变所述移动机构位置的情况下改变除锈及防腐区域；
所述振镜及光路系统包括动态聚焦镜、激光测距仪、CCD相机、气体喷射装置和振镜；所述激光测距仪用于实时测量所述动态聚焦镜与零件表面的距离，并将距离数据反馈至所述动态聚焦镜；所述动态聚焦镜用于根据所述距离数据实时调整焦距，以使激光在所述零件表面的功率密度稳定；所述CCD相机用于获取所述零件表面除锈或防腐后的照片，实时监控除锈或防腐过程；所述振镜用于将激光按照预先规划的扫描路径对所述零件表面进行扫描，以使所述零件除锈；所述气体喷射装置用于向除锈后的零件喷射气体，并结合激光扫描，以使除锈后的所述零件完成防腐处理；
还包括保护装置，保护装置设置于所述移动机构的前端，所述保护装置用于防止所述移动机构发生碰撞。
优选地，所述激光器为单模准连续光纤激光器。
优选地，所述激光器发射出连续功率范围为500～20000W、功率密度为1.0×105～1.5×109W/cm2的连续激光。
优选地，所述CCD相机还用于获取零件表面处理与否以及处理效果的数据，根据处理与待处理零件表面的位置实现自动拼接并规划下一处理位置。
优选地，所述气体为氧气或空气。
优选地，所述保护装置为激光防护雷达
按照本发明的另一方面，提供了一种远距离激光除锈防腐方法，所述方法包括以下步骤：
S1，规划移动机构的行进路径，并控制所述移动机构运动到指定位置；
S2，规划多维运动机械臂的运动路径，并对待处理零件的位置进行定位；
S3，激光器发出连续激光，所述激光经光纤传输至振镜及光路系统中，在激光测距仪及动态聚焦镜的辅助下，振镜及光路系统按照设定的扫描路径进行激光扫描，完成零件表面的除锈；
S4，待除锈完成后，气体喷射装置喷射氧气或空气于零件表面，同时激光器输出准连续激光至所述振镜及光路系统中，在激光测距仪及动态聚焦镜的辅助下，振镜及光路系统按照设定的扫描路径进行激光扫描，完成零件表面的防腐。
优选地，重复步骤S2-S4或根据金属零件所处位置及其形状重复S1-S4，以使零件表面完全除锈防腐。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明通过远距离除锈、防腐一体化设置，降低了金属零件除锈防腐作业的成本，有效地降低了金属零件维护次数，延长了金属零件的使用寿命；
2、本发明通过改变激光参数，实现远距离金属零件除锈与防腐的一体化，保证了工人操作的安全性；
3、本发明通过多维运动机械臂控制振镜及光路系统对金属零件表面进行除锈防腐处理，降低了劳动强度；
4、本发明通过改变激光参数，配合高压氧气或空气，使金属表面温度升高而形成致密氧化层，达到了防腐的目的，减少对环境的污染。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的结构示意图；
图2是本发明的一个实施例的振镜及光路系统的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：移动机构1；激光器2；多维运动机械臂3；振镜及光路系统4；保护装置5；动态聚焦镜6；激光测距仪7；CCD相机8；气体喷射装置9；振镜10。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的一个实施例提出了一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置，包括：移动机构1、激光器2、多维运动机械臂3、振镜及光路系统4、保护装置5。所述激光器2用于产生除锈和防腐所用的连续激光束，所述激光束经过所述振镜及光路系统4聚焦到待处理金属零件上并进行激光扫描，实现金属零件表面油污及锈层的祛除；在除锈工作结束后，改变激光的参数，在所述气体喷射装置9喷射氧气或者空气的辅助下，将金属零件表面温度提高并形成致密的氧化膜。所述移动机构1为可以行走的小车，所述移动机构1实现待处理金属零件的位置的初定位，并设置基准点，在初定位的过程中，所述移动机构1上的所述保护装置5可以保证在设定范围内无异物进入，即可防止所述移动机构1发生碰撞。具体的，保护装置5为激光防护雷达。所述多维运动机械臂3实现金属零件待处理部分的精确定位，实现在所述移动机构1不改变位置的情况下改变除锈或防腐处理的区域，可进行多角度、多方位、随动式运动。
更进一步的说明，如图1和图2所示，所述激光器1可发射出连续功率范围为500～20000W、功率密度为1.0×105～1.5×109W/cm2的连续激光，通过光纤将激光输送至所述振镜及光路系统4中。所述振镜及光路系统4包括动态聚焦镜6、激光测距仪7、CCD相机8、气体喷射装置9和振镜10，所述激光器1产生的激光经光纤传输、光路系统准直及扩束、进入到所述振镜10，所述振镜10根据预先设计的扫描路径进行激光扫描，激光经过所述动态聚焦镜6将激光聚焦到金属零件表面，实现除锈及防腐处理。所述激光测距仪7可测量所述动态聚焦镜6与金属零件表面的距离，并经过数据处理后实时改变焦距，保证金属零件表面的激光功率密度稳定。所述CCD相机可以实时获取金属零件表面处理与否以及处理效果的数据，可根据处理与待处理表面的位置实现自动拼接并规划下一处理位置，数据处理后可控制所述移动机构1及所述多维运动机械臂3精确运动，可根据处理后的金属零件表面特征进行工艺的调控，不断改善处理效果。
本发明的另一个实施例中，提出了距离金属零件1米距离的激光除锈防腐方法，包括以下步骤：
S1：规划所述移动机构1行走路径，并控制所述移动机构1运动到指定位置；
S2：规划所述多维运动机械臂3的运动路径，对待处理金属零件位置进行精确定位；
S3：所述激光器2发出激光功率为2000W的激光，经过光纤传输至所述振镜及光路系统4中对待处理金属零件部位进行激光扫描除锈作业，同时并根据所述激光测距仪7反馈数据动态聚焦；
S4:所述气体喷射装置9喷射氧气或空气，所述激光器2输出500W激光，经过光纤输至所述振镜及光路系统4中对待处理部位进行激光扫描防腐作业，同时并根据激光测距仪7反馈数据动态聚焦；直至完成所要求的金属零件表面全部防腐处理。
S5：重复S2～S4或根据金属零件所处位置及其形状重复S1～S4完成金属零件表面的全部除锈防腐作业。
本发明的另一个实施例中，提出了距离金属零件3米距离的激光除锈防腐方法，包括以下步骤：
S1：规划所述移动机构1行走路径，并控制所述移动机构1运动到指定位置；
S2：规划所述多维运动机械臂3的运动路径，对待处理金属零件位置进行精确定位；
S3：所述激光器2发出激光功率为10000W的激光，经过光纤传输至所述振镜及光路系统4中对待处理金属零件部位进行激光扫描除锈作业，同时并根据所述激光测距仪7反馈数据动态聚焦；
S4:所述气体喷射装置9喷射氧气或空气，所述激光器2输出3000W激光，经过光纤输至所述振镜及光路系统4中对待处理部位进行激光扫描防腐作业，同时并根据激光测距仪7反馈数据动态聚焦；直至完成所要求的金属零件表面全部防腐处理。
S5：重复S2～S4或根据金属零件所处位置及其形状重复S1～S4完成金属零件表面的全部除锈防腐作业。
本发明的另一个实施例中，提出了距离金属零件5米距离的激光除锈防腐方法，包括以下步骤：
S1：规划所述移动机构1行走路径，并控制所述移动机构1运动到指定位置；
S2：规划所述多维运动机械臂3的运动路径，对待处理金属零件位置进行精确定位；
S3：所述激光器2发出激光功率为20000W的激光，经过光纤传输至所述振镜及光路系统4中对待处理金属零件部位进行激光扫描除锈作业，同时并根据所述激光测距仪7反馈数据动态聚焦；
S4:所述气体喷射装置9喷射氧气或空气，所述激光器2输出10000W激光，经过光纤输至所述振镜及光路系统4中对待处理部位进行激光扫描防腐作业，同时并根据激光测距仪7反馈数据动态聚焦；直至完成所要求的金属零件表面全部防腐处理。
S5：重复S2～S4或根据金属零件所处位置及其形状重复S1～S4完成金属零件表面的全部除锈防腐作业。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置，其特征在于，包括：移动机构(1)、激光器(2)、多维运动机械臂(3)和振镜及光路系统(4)；
所述激光器(2)设置于所述移动机构(1)上，所述多维运动机械臂(3)设置于所述移动机构(1)上，所述振镜及光路系统(4)设置于所述多维运动机械臂(3)的末端；
所述移动机构(1)用于根据设定的路径或现场人员遥控行进至所需除锈零件附近，并标定起点位置；所述激光器(2)用于产生除锈和防腐所用激光，并通过光纤将所述激光输送至所述振镜及光路系统(4)；所述多维运动机械臂(3)用于定位待除锈零件，并移动所述振镜及光路系统(4)，以实现不改变所述移动机构(1)位置的情况下改变除锈及防腐区域；
所述振镜及光路系统(4)包括动态聚焦镜(6)、激光测距仪(7)、CCD相机(8)、气体喷射装置(9)和振镜(10)；所述激光测距仪(7)用于实时测量所述动态聚焦镜(6)与零件表面的距离，并将距离数据反馈至所述动态聚焦镜(6)；所述动态聚焦镜(6)用于根据所述距离数据实时调整焦距，以使激光在所述零件表面的功率密度稳定；所述CCD相机(8)用于获取所述零件表面除锈或防腐后的照片，实时监控除锈或防腐过程；所述振镜(10)用于将激光按照预先规划的扫描路径对所述零件表面进行扫描，以使所述零件除锈；所述气体喷射装置(9)用于向除锈后的零件喷射气体，并结合激光扫描，以使除锈后的所述零件完成防腐处理；
还包括保护装置(5)，所述保护装置(5)设置于所述移动机构(1)的前端，所述保护装置(5)用于防止所述移动机构(1)发生碰撞。
2.根据权利要求1所述的一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置，其特征在于：所述激光器(2)为单模准连续光纤激光器。
3.根据权利要求2所述的一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置，其特征在于：所述激光器(2)发射出连续功率范围为500～20000W、功率密度为1.0×105～1.5×109W/cm2的连续激光。
4.根据权利要求1所述的一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置，其特征在于：所述CCD相机(8)还用于获取零件表面处理与否以及处理效果的数据，根据处理与待处理零件表面的位置实现自动拼接并规划下一处理位置。
5.根据权利要求1所述的一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置，其特征在于：所述气体为氧气或空气。
6.根据权利要求1所述的一种远距离金属零件表面激光除锈防腐装置，其特征在于：所述保护装置(5)为激光防护雷达。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的远距离金属零件表面激光除锈防腐装置的远距离激光除锈防腐方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1，规划移动机构的行进路径，并控制所述移动机构运动到指定位置；
S2，规划多维运动机械臂的运动路径，并对待处理零件的位置进行定位；
S3，激光器发出准连续激光，所述激光经光纤传输至振镜及光路系统中，在激光测距仪及动态聚焦镜的辅助下，振镜及光路系统按照设定的扫描路径进行激光扫描，完成零件表面的除锈；
S4，待除锈完成后，气体喷射装置喷射氧气或空气于零件表面，同时激光器输出准连续激光至所述振镜及光路系统中，在激光测距仪及动态聚焦镜的辅助下，振镜及光路系统按照设定的扫描路径进行激光扫描，完成零件表面的防腐。
8.根据权利要求7所述的远距离激光除锈防腐方法，其特征在于：重复步骤S2-S4或根据金属零件所处位置及其形状重复S1-S4，以使零件表面完全除锈防腐。
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