CN114769897A - 一种巡航式水下激光切割装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种巡航式水下激光切割装置和方法，包括壳体，壳体内设置有切割系统设备舱、升潜舱、供气设备舱和导流舱，导流舱围绕在切割系统设备舱的四周，导流舱内部安装有主螺旋桨，导流舱的后端安装有活动百叶，切割系统设备舱内设置有激光器和超声波发生装置，切割系统设备舱的端部安装有红外传感器和夜视摄像仪，升潜舱中开有压载水舱，压载水舱上设置有压载水舱底部阀门和压载水舱顶部阀门，供气设备舱内设置有高压气罐组，压载水舱底部阀门和压载水舱顶部阀门与所述压缩机气路连接。本发明利用超声波作为熔渣清理手段，利用舱体与螺旋桨进行导流，通过调整压载水舱内气体与海水比例实现下潜上浮，以到达作业区域并处于合适的切割角度。

Description

一种巡航式水下激光切割装置和方法

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，具体地说，涉及一种巡航式水下激光切割装置和方法。

背景技术

在海洋环境中，许多设施均处于海平面以下，这些设施需要切割处理时往往人员难以到达且切割条件严苛。在传统的水下切割方法中，水下氧火焰切割和水下电弧氧切割都以气体为介质，必然要产生大量气泡，大大降低了水下可见度，增加了切割中的困难。随着科技的进步，水下切割技术也愈来愈多需满足如切割速度快．效率高，具有较高的切割质量，热影响区小，切割工件无变形等要求而这些也正是激光切割的长处。但传统的激光切割机都需惰性气体进行熔渣清理，况且高能激光在水下进行切割时也会产生大量气泡，这并不符合海洋环境中提高切割能见度的需求，且在海洋环境中往往伴随着水下设施复杂、航行路线曲折等情况，作业人员往往需要借助船只或潜水器寻找作业区域，故为排除此类因素，设计出一种巡航式水下激光切割装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种巡航式水下激光切割装置和方法，使用激光切割实现海洋环境水下切割工作的同时，利用超声波作为熔渣清理手段，以避免气体激光切割过程中产生的空泡对可视性的影响，并且进一步利用舱体与螺旋桨进行导流，以避免高能激光在水下进行切割时产生大量气泡影响可视性，同时通过调整压载水舱内气体与海水比例实现下潜上浮，并由螺旋桨和平衡水舱对设备水下姿态进行调节和巡航推进，以到达作业区域并处于合适的切割角度。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种巡航式水下激光切割装置，包括壳体，所述壳体内设置有切割系统设备舱、升潜舱、供气设备舱和导流舱，所述导流舱围绕在所述切割系统设备舱的四周，所述导流舱内部安装有主螺旋桨，所述导流舱的后端安装有活动百叶，所述切割系统设备舱内设置有激光器和超声波发生装置，所述切割系统设备舱的端部安装有红外传感器和夜视摄像仪，所述升潜舱中开有压载水舱，所述压载水舱上设置有压载水舱底部阀门和压载水舱顶部阀门，所述供气设备舱内设置有高压气罐组，所述高压气罐组通过管路与压缩机连接，所述压载水舱底部阀门和压载水舱顶部阀门与所述压缩机气路连接。

上述方案中，所述激光器和超声波发生装置在切割系统设备舱内部，并通过防水端盖隔绝外部水域，所述防水端盖上开有红外传感器孔位并内置红外传感器，用于确定切割区域是否完成切割作业目标，在激光器与超声波发生装置投影位置分别开有激光透射孔和超声端子安装孔，并在其上分别加装保护镜和密封圈，所述激光器透过保护镜对待加工表面进行切割作业，所述超声波发生装置透过密封圈伸出防水端盖之外，通过发出超声波清除激光切割过程中产生的熔渣。

上述方案中，所述升潜舱中还设置有前平衡水舱和后平衡水舱，所述前平衡水舱上开有前平衡水舱底部阀门、前平衡水舱顶部阀门，所述后平衡水舱上开有后平衡水舱底部阀门和后平衡水舱顶部阀门，所述前平衡水舱底部阀门、所述前平衡水舱顶部阀门、所述后平衡水舱底部阀门和所述后平衡水舱顶部阀门均与所述压缩机气路连接。

上述方案中，所述壳体的两侧对称布置有可轴向旋转的姿态平衡螺旋桨，通过实时改变姿态平衡螺旋桨的角度及转速以应对海洋环境不同洋流状况对设备姿态的干扰，配合前平衡水舱和后平衡水舱保证设备具有平稳的工作路线，必要时也可配合压载水舱进行升潜位置的调整。

上述方案中，所述壳体的两侧对称布置有横向螺旋桨，所述横向螺旋桨连通导流舱和外界水域，用于实现设备的横向移动，以满足设备横向路径激光切割的需求，同时在切割过程中可通过导流舱实现一定的切割气泡导流任务。

上述方案中，所述供气设备舱和所述切割系统设备舱之间设置有电控单元。

上述方案中，所述导流舱在前端面安装有过滤网以过滤大型颗粒杂质，所述主螺旋桨外安装有防护端盖，以保护设备。

上述方案中，所述供气设备舱由供气设备舱盖密封保护，在设备维护时可打开供气设备舱盖进行压缩机和高压气罐组的检修。

上述方案中，所述电控单元加装有电控舱盖，线束和电控舱盖上的快插将电能供给至整个设备，同时线束内的信号线路将电控单元采集到的设备状态、夜视摄像仪和红外传感器的图像传输至地面操作人员。

本发明还提供了一种利用巡航式水下激光切割装置进行激光切割的方法，包括：S1：通过电控单元检查高压气罐组气体是否充足，不足则打开供气设备舱盖进行充气，直至电控单元显示达到一次作业所需气量；S2：将设备投放至作业区域附近海面，控制电控单元打开压载水舱底部阀门和压载水舱顶部阀门海水灌入压载水舱设备总体密度升高，姿态平衡螺旋桨开始工作使设备平稳下潜至作业区域深度；S3：活动百叶开启，主螺旋桨和横向螺旋桨开始工作，通过电控单元参考夜视摄像仪采集的水下图像，调节主螺旋桨和横向螺旋桨转速与方向，使设备航行到达作业区附近；S4：电控单元调节前平衡水舱底部阀门、前平衡水舱顶部阀门、后平衡水舱底部阀门和后平衡水舱顶部阀门开闭，并配合压缩机对前平衡水舱和后平衡水舱进行供气调节，使设备处于平衡状态并保持合适的工作倾角；S5：激光器和超声波发生装置打开，试切割开始，通过电控单元调控激光工作参数，夜视摄像仪观测到大量气泡产生即说明激光工作参数为有效切割参数；S6：活动百叶关闭，主螺旋桨保持开启，切割气泡被导流至导流舱，视野阻碍减少，并可通过夜视摄像仪和红外传感器观测作业区切割状态；S7：调节两侧横向螺旋桨的转速，使设备横向移动从而完成路径切割；S8：切割任务完成，活动百叶打开，主螺旋桨反转，设备退回可上浮海域，使压载水舱底部阀门处于开启状态，压载水舱顶部阀门处于关闭状态，压缩机将高压气罐组中的气体注入压载水舱将海水排出，设备总体密度降低，上浮至海面，进行设备回收。

本发明的有益效果：（1）通过压载水舱、螺旋桨和夜视仪的配合，能有效应对复杂多变的水下环境，快速到达作业区域；（2）超声波发生器与激光切割相结合可以实现减少切割气泡的同时对激光切割熔道进行清理；（3）对气泡进行导流能有效降低激光切割时在水中产生的大量气泡空泡对可视性的影响；（4）激光切割具有较高的切割质量，无需辅助化学试剂，不产生有害物质，绿色环保。

附图说明

图1为本发明装置其中一个角度的轴测图。

图2为本发明装置另外一个角度的轴测图。

图3为本发明装置的剖视图。

图4为本发明装置中升潜舱的底部结构示意图。

图中：1.升潜舱，2.防水端盖，3.红外传感器孔位，4.透射孔，5.超声端子安装孔，6.过滤网，7.夜视摄像仪，8.壳体，9.电控舱盖，10.快插，11.线束，12.供气设备舱盖，13.姿态平衡螺旋桨，14.后平衡水舱顶部阀门，15.活动百叶，16.横向螺旋桨，17.压载水舱顶部阀门，18.前平衡水舱顶部阀门，19.防护端盖，20.主螺旋桨，21.后平衡水舱底部阀门，22.压载水舱底部阀门，23.前平衡水舱底部阀门，24.供气设备舱，25.高压气罐组，26.压缩机，27.电控单元，28.激光器，29.切割系统设备舱，30.超声波发生装置，31.红外传感器，32.前平衡水舱，33.压载水舱，34.后平衡水舱，35.导流舱，36.密封圈，37.保护镜。

具体实施方法

如图1至图4所示，本发明用到一种巡航式水下激光切割装置，其中包括1.升潜舱，2.防水端盖，3.红外传感器孔位，4.透射孔，5.超声端子安装孔，6.过滤网，7.夜视摄像仪，8.壳体，9.电控舱盖，10.快插，11.线束，12.供气设备舱盖，13.姿态平衡螺旋桨，14.后平衡水舱顶部阀门，15.活动百叶，16.横向螺旋桨，17.压载水舱顶部阀门，18.前平衡水舱顶部阀门，19.防护端盖，20.主螺旋桨，21.后平衡水舱底部阀门，22.压载水舱底部阀门，23.前平衡水舱底部阀门，24.供气设备舱，25.高压气罐组，26.压缩机，27.电控单元，28.激光器，29.切割系统设备舱，30.超声波发生装置，31.红外传感器，32.前平衡水舱，33.压载水舱，34.后平衡水舱，35.导流舱，36.密封圈，37.保护镜。

激光器28和超声波发生装置30在切割系统设备舱29内部，并通过防水端盖2隔绝外部水域，激光器28透过保护镜37对待加工表面进行切割作业。超声波发生装置30透过密封圈36伸出防水端盖2之外，可以发出超声波清除激光切割过程中产生的熔渣，以保证在不采用喷气嘴时激光切割的加工质量。防水端盖2上开有红外传感器孔位3并内置红外传感器31，用于确定切割区域是否完成切割作业目标，在激光器28与超声波发生装置30投影位置分别开有激光透射孔4和超声端子安装孔5，并在其上分别加装保护镜37和密封圈36以保证设备正常工作的同时，将其与水域环境隔绝，提供保护。

导流舱35与主螺旋桨20相连，且三面围绕切割系统设备舱29以覆盖切割时气泡产生区域，并在前端面安装有过滤网6以过滤大型颗粒杂质。导流舱35后端安装有活动百叶15，活动百叶15开启，大量水流从导流舱35通过主螺旋桨20，进入巡航状态，活动百叶15关闭则水流从导流舱35吸入，实现对切割气泡的导流。所述主螺旋桨20外安装有防护端盖19以保护设备。

升潜舱1中开有压载水舱33，在设备下潜时压载水舱底部阀门22和压载水舱顶部阀门17打开，使海水灌入压载水舱33设备整体密度增大开始下潜，在设备上浮时供气设备舱24中的压缩机26将高压气罐组25储存的气体注入压载水舱33，此时压载水舱底部阀门22打开，压载水舱顶部阀门17关闭，舱体中的海水被高压气体压出，设备整体密度减少浮力增大，实现上浮,其中供气设备舱24由供气设备舱盖12密封保护，在设备维护时可打开供气设备舱盖12进行压缩机26和高压气罐组25的检修。前平衡水舱32、后平衡水舱34与压缩机26气路相连，且分别开有前平衡水舱底部阀门23、前平衡水舱顶部阀门18、后平衡水舱底部阀门21和后平衡水舱顶部阀门14，通过阀门的开闭与压缩气体的排注实现设备倾仰的姿态调整。壳体8上对称布置可轴向旋转的姿态平衡螺旋桨13通过实时改变角度及转速以应对海洋环境不同洋流状况对设备姿态的干扰，配合前平衡水舱32和后平衡水舱34保证设备具有平稳的工作路线，必要时也可配合压载水舱33进行升潜位置的调整。横向螺旋桨16对称布置于壳体8两侧，连通导流舱35和外界水域，用于实现设备的横向移动，以满足设备横向路径激光切割的需求，同时在切割过程中可通过导流舱35实现一定的切割气泡导流任务。

具体的实施方法包括以下的步骤：首先通过电控单元27检查高压气罐组25气体是否充足，不足则打开供气设备舱盖12进行充气，直至电控单元27显示达到一次作业所需气量。将设备投放至作业区域附近海面，控制电控单元27打开压载水舱底部阀门22和压载水舱顶部阀门17海水灌入压载水舱33设备总体密度升高，姿态平衡螺旋桨13开始工作使设备平稳下潜至作业区域深度。活动百叶15开启，主螺旋桨20和横向螺旋桨16开始工作，通过电控单元27参考夜视摄像仪7采集的水下图像，调节主螺旋桨20和横向螺旋桨16转速与方向，使设备航行到达作业区附近。电控单元27调节前平衡水舱底部阀门23、前平衡水舱顶部阀门18、后平衡水舱底部阀门21和后平衡水舱顶部阀门14开闭，并配合压缩机26对前平衡水舱32和后平衡水舱34进行供气调节，使设备处于平衡状态并保持合适的工作倾角。激光器28和超声波发生装置30打开，试切割开始，通过电控单元27调控激光工作参数，夜视摄像仪7观测到大量气泡产生即说明激光工作参数为有效切割参数。活动百叶15关闭，主螺旋桨20保持开启，切割气泡被导流至导流舱35，视野阻碍减少，并可通过夜视摄像仪7和红外传感器31观测作业区切割状态。调节两侧横向螺旋桨16的转速，使设备横向移动从而完成路径切割。切割任务完成，活动百叶15打开，主螺旋桨20反转，设备退回可上浮海域，使压载水舱底部阀门22处于开启状态，压载水舱顶部阀门17处于关闭状态，压缩机26将高压气罐组25中的气体注入压载水舱33将海水排出，设备总体密度降低，上浮至海面，进行设备回收。

所述实施案例仅用于说明本发明的技术方案，不限于上述实施方式，不得以任何形式限制本发明，本领域的技术人员对本发明做出的显而易见的改进、替换，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种巡航式水下激光切割装置，包括壳体(8)，其特征在于，所述壳体(8)内设置有切割系统设备舱（29）、升潜舱(1)、供气设备舱（24）和导流舱（35），所述导流舱（35）围绕在所述切割系统设备舱（29）的四周，所述导流舱（35）内部安装有主螺旋桨（20），所述导流舱（35）的后端安装有活动百叶（15），所述切割系统设备舱（29）内设置有激光器（28）和超声波发生装置（30），所述切割系统设备舱（29）的端部安装有红外传感器（31）和夜视摄像仪(7)，所述升潜舱(1)中开有压载水舱(33)，所述压载水舱（33）上设置有压载水舱底部阀门（22）和压载水舱顶部阀门（17），所述供气设备舱（24）内设置有高压气罐组(25)，所述高压气罐组(25)通过管路与压缩机(26)连接，所述压载水舱底部阀门（22）和压载水舱顶部阀门（17）与所述压缩机(26)气路连接。

2.根据权利要求1所述的一种巡航式水下激光切割装置，其特征在于，所述激光器（28）和超声波发生装置（30）在切割系统设备舱（29）内部，并通过防水端盖（2）隔绝外部水域，所述防水端盖（2）上开有红外传感器孔位（3）并内置红外传感器（31），用于确定切割区域是否完成切割作业目标，在激光器（28）与超声波发生装置（30）投影位置分别开有激光透射孔（4）和超声端子安装孔（5），并在其上分别加装保护镜（37）和密封圈（36），所述激光器（28）透过保护镜（37）对待加工表面进行切割作业，所述超声波发生装置（30）透过密封圈（36）伸出防水端盖（2）之外，通过发出超声波清除激光切割过程中产生的熔渣。

3.根据权利要求1所述的一种巡航式水下激光切割装置，其特征在于，所述升潜舱(1)中还设置有前平衡水舱（32）和后平衡水舱（34），所述前平衡水舱（32）上开有前平衡水舱底部阀门（23）、前平衡水舱顶部阀门（18），所述后平衡水舱（34）上开有后平衡水舱底部阀门（21）和后平衡水舱顶部阀门（14），所述前平衡水舱底部阀门（23）、所述前平衡水舱顶部阀门（18）、所述后平衡水舱底部阀门（21）和所述后平衡水舱顶部阀门（14）均与所述压缩机(26)气路连接。

4.根据权利要求3所述的一种巡航式水下激光切割装置，其特征在于，所述壳体（8）的两侧对称布置有可轴向旋转的姿态平衡螺旋桨（13），通过实时改变姿态平衡螺旋桨（13）的角度及转速以应对海洋环境不同洋流状况对设备姿态的干扰，配合前平衡水舱（32）和后平衡水舱（34）保证设备具有平稳的工作路线，必要时也可配合压载水舱（33）进行升潜位置的调整。

5.根据权利要求3或4所述的一种巡航式水下激光切割装置，其特征在于，所述壳体（8）的两侧对称布置有横向螺旋桨（16），所述横向螺旋桨（16）连通导流舱（35）和外界水域，用于实现设备的横向移动，以满足设备横向路径激光切割的需求，同时在切割过程中可通过导流舱（35）实现一定的切割气泡导流任务。

6.根据权利要求5所述的一种巡航式水下激光切割装置，其特征在于，所述供气设备舱（24）和所述切割系统设备舱（29）之间设置有电控单元（27）。

7.根据权利要求1所述的一种巡航式水下激光切割装置，其特征在于，所述导流舱（35）在前端面安装有过滤网（6）以过滤大型颗粒杂质，所述主螺旋桨（20）外安装有防护端盖（19），以保护设备。

8.根据权利要求1所述的一种巡航式水下激光切割装置，其特征在于，所述供气设备舱（24）由供气设备舱盖（12）密封保护，在设备维护时可打开供气设备舱盖（12）进行压缩机（26）和高压气罐组（25）的检修。

9.根据权利要求6所述的一种巡航式水下激光切割装置，其特征在于，所述电控单元（27）加装有电控舱盖（9），线束（11）和电控舱盖（9）上的快插（10）将电能供给至整个设备，同时线束（11）内的信号线路将电控单元（27）采集到的设备状态、夜视摄像仪（7）和红外传感器（31）的图像传输至地面操作人员。

10.一种如权利要求9所述的巡航式水下激光切割装置进行激光切割的方法，其特征在于，包括：

S1：通过电控单元（27）检查高压气罐组（25）气体是否充足，不足则打开供气设备舱盖（12）进行充气，直至电控单元（27）显示达到一次作业所需气量；

S2：将设备投放至作业区域附近海面，控制电控单元（27）打开压载水舱底部阀门（22）和压载水舱顶部阀门（17）海水灌入压载水舱（33）设备总体密度升高，姿态平衡螺旋桨（13）开始工作使设备平稳下潜至作业区域深度；

S3：活动百叶（15）开启，主螺旋桨（20）和横向螺旋桨（16）开始工作，通过电控单元（27）参考夜视摄像仪（7）采集的水下图像，调节主螺旋桨（20）和横向螺旋桨（16）转速与方向，使设备航行到达作业区附近；

S4：电控单元（27）调节前平衡水舱底部阀门（23）、前平衡水舱顶部阀门（18）、后平衡水舱底部阀门（21）和后平衡水舱顶部阀门（14）开闭，并配合压缩机（26）对前平衡水舱（32）和后平衡水舱（34）进行供气调节，使设备处于平衡状态并保持合适的工作倾角；

S5：激光器（28）和超声波发生装置（30）打开，试切割开始，通过电控单元（27）调控激光工作参数，夜视摄像仪（7）观测到大量气泡产生即说明激光工作参数为有效切割参数；

S6：活动百叶（15）关闭，主螺旋桨（20）保持开启，切割气泡被导流至导流舱（35），视野阻碍减少，并可通过夜视摄像仪（7）和红外传感器（31）观测作业区切割状态；

S7：调节两侧横向螺旋桨（16）的转速，使设备横向移动从而完成路径切割；

S8：切割任务完成，活动百叶（15）打开，主螺旋桨（20）反转，设备退回可上浮海域，使压载水舱底部阀门（22）处于开启状态，压载水舱顶部阀门（17）处于关闭状态，压缩机（26）将高压气罐组（25）中的气体注入压载水舱（33）将海水排出，设备总体密度降低，上浮至海面，进行设备回收。

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