CN117300344A - 一种水下大功率激光切割头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下大功率激光切割头，包括激光发射组件、延长光路结构和激光喷射组件；激光发射组件包括准直结构和聚焦镜，激光经准直结构准直后由聚焦镜聚焦后输入至延长光路结构；激光喷射组件包括光路引导结构和激光喷头，光路引导结构的一端与延长光路结构的出光端密封连接，延长光路结构的输出激光至光路引导结构，光路引导结构的另一端与激光喷头连接，激光经激光喷头的输出；本发明通过设置激光发射组件并将其直接与现有的激光发射头连接，不增加额外的成本，且各部件之间采用多重密封连接，避免在对强放射性物质进行水下切割时，水渗入至切割头内。

Description

一种水下大功率激光切割头

技术领域

本发明涉及核设施退役切割解体处理领域，具体涉及一种水下大功率激光切割头。

背景技术

核设施，尤其是反应堆，在长期运行后，其一回路系统、放射性废液贮存容器及其他系统设备可能会因中子辐射而活化，或因辐射产物沉积而受到污染，从而导致较高的辐射水平。如果在空气中进行切割，可能会导致放射性气溶胶扩散，从而对人员和环境造成辐射风险。因此，通常采取水下切割方法来拆除和解体这类强放射性物质。为了达到更好的屏蔽效果，切割的水深可能超过10米。

目前，核设施退役的水下切割技术主要包括等离子切割和高压磨料水射流切割，但这些技术存在一些缺陷，例如，等离子切割技术可能导致断弧和水体浑浊，而高压磨料水射流切割技术可能产生大量的二次放射性废物。

激光切割技术是一种新型技术，广泛应用于金属切割领域，特别是近年来，由于光纤激光器功率的快速提升，将激光切割技术与光纤传输技术结合形成的光纤激光切割技术，在核设施退役切割拆除领域显示出一系列显著的优势。这种技术不仅具有高切割效率、广适用范围、高自动化程度、少二次放射性废物量，而且适用于复杂结构和恶劣环境。然而，目前的激光切割设备主要用于空气中切割，适用于水下切割的激光头较少。

因此，有必要开发一种适用于水下环境的激光切割头，以便用于核设施退役的强放射性物质的切割解体。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是当前空气中应用激光切割头密封性不够、切割能力不足的问题，目的在于提供一种水下大功率激光切割头，使强放射性物项切割解体过程方便高效，降低切割过程中放射性气溶胶产生量，减少人员受照剂量，保护人员和环境安全，满足核设施退役强放射性物项切割解体需求。

本发明通过下述技术方案实现：

一种水下大功率激光切割头，包括：依次密封连接的激光发射组件、延长光路结构和激光喷射组件；

所述激光发射组件包括准直结构和聚焦镜，所述准直结构与激光发射头密封连接，所述准直结构与所述延长光路结构的入光端密封连接，所述激光发射器发射激光至所述准直结构，激光经所述准直结构准直后由所述聚焦镜聚焦后输入至所述延长光路结构；

所述激光喷射组件包括光路引导结构和激光喷头，所述光路引导结构的一端与所述延长光路结构的出光端密封连接，所述延长光路结构的输出激光至所述光路引导结构，所述光路引导结构的另一端与所述激光喷头连接，激光经所述激光喷头的输出。

具体地，所述准直结构包括准直筒和准直镜，所述准直筒的一端与所述激光发射头密封连接，所述准直筒的另一端与所述延长光路结构密封连接，所述准直镜固定设置在所述准直筒内，所述聚焦镜固定设置在所述准直筒内，且所述聚焦镜位于所述准直镜的光路后方。

可选地，所述延长光路结构内设置有第一激光束传输孔道、第二激光束传输孔道和第三激光束传输孔道，所述第一激光束传输孔道的第一端与所述延长光路结构的入光端连通，所述第三激光束传输孔道的第一端与所述延长光路结构的出光端连通，所述第二激光束传输孔道的第一端与所述第一激光束传输孔道的第二端连通，所述第二激光束传输孔道的第二端与所述第三激光束传输孔道的第二端连通；

所述第一激光束传输孔道与所述第二激光束传输孔道的连通处设置有上反射镜，所述第二激光束传输孔道与所述第三激光束传输孔道的连通处设置有下反射镜。

优选地，所述激光发射头的中心线、所述准直镜的中心线、所述聚焦镜的中心线、所述第一激光束传输孔道的中心线均同轴设置；

所述第三激光束传输孔道的中心线、所述光路引导结构的中心线和所述激光喷头的中心线同轴设置。

可选地，所述激光发射头与所述准直结构之间通过螺栓固定连接，所述准直结构与所述延长光路结构之间通过螺栓固定连接，所述准直结构与所述激光发射头和所述延长光路结构之间的接触面均安装有密封圈组件。

具体地，所述密封圈组件包括第一密封圈和第二密封圈，所述第一密封圈和所述第二密封圈同轴设置，且所述第一密封圈与所述第二密封圈之间设置有与其同轴的环形的气体密封孔道，所述准直结构内设置有与所述气体密封孔道连通的正压气路，所述准直结构表面设置有连接所述正压气路和正压气泵的充气口。

可选地，所述光路引导结构与所述延长光路结构之间通过密封端头连接，所述密封端头为法兰型结构，所述密封端头与所述光路引导结构焊接连接，所述密封端头与所述延长光路结构的接触面安装有密封圈组件。

具体地，所述密封圈组件包括第一密封圈和第二密封圈，所述第一密封圈和所述第二密封圈同轴设置，且所述第一密封圈与所述第二密封圈之间设置有与其同轴的环形的气体密封孔道，所述延长光路结构内设置有与所述气体密封孔道连通的正压气路，所述延长光路结构表面设置有连接所述正压气路和正压气泵的充气口。

进一步，所述激光喷射组件还包括喷嘴，所述激光喷头包括大径段和小径段，所述激光喷头的大径段与所述光路引导结构焊接连接，所述喷嘴与所述激光渗透的小径段焊接连接；

所述激光喷头内设置有内部气体管路，所述激光喷头的外表面设置有与所述内部气体管路的进气端连通的气流入口，所述喷嘴内设置有气体缓冲槽，所述喷嘴表面设置有与所述气体缓冲槽连通的环形气流出口，所述内部气体管路与所述气体缓冲槽连通。

优选地，所述激光喷头、所述喷嘴和所述环形气流出口均同轴设置。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过设置激光发射组件并将其直接与现有的激光发射头连接，不增加额外的成本，且各部件之间采用多重密封连接，避免在对强放射性物质进行水下切割时，水渗入至切割头内；同时通过设置延长光路结构来延长光路的传输路径，从而生成长焦距的光束，能够较厚的物质进行有效切割。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1是根据本发明所述的一种水下大功率激光切割头的结构示意图。

图2是根据本发明所述的激光喷头和喷嘴的结构示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是图2的B-B剖视图。

附图标记：激光发射头1、准直结构2、准直镜3、聚焦镜4、延长光路结构5、上反射镜6、下反射镜7、密封端头8、光路引导结构9、激光喷头10、喷嘴11、第一密封圈12、第二密封圈13。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

本发明主要提供一种可以与当前主流的光纤激光发生器进行连接，对核设施退役强放射性物进行水下切割解体的切割头。激光切割应用于水下切割主要存在三个问题：一是密封性不足导致激光切割头进水发生故障；二是现有激光切割头焦距较短，切割金属的厚度有限，无法对大厚度金属物项进行切割；三是水下切割时水体对激光束会产生影响，影响切割能力和效率。

实施例一

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供一种水下大功率激光切割头，包括：依次密封连接的激光发射组件、延长光路结构(5)和激光喷射组件。因为其是在水下进行工作，因此需要保证各个部件之间连接的密封性，防止水进入到切割头能造成切割头的损坏。

激光发射组件包括准直结构(2)和聚焦镜(4)，准直结构(2)与激光发射头(1)密封连接，准直结构(2)与延长光路结构(5)的入光端密封连接，激光发射器发射激光至准直结构(2)，激光经准直结构(2)准直后由聚焦镜(4)聚焦后输入至延长光路结构(5)；激光发射头(1)为现有的装置，其用于发射激光，准直结构(2)和聚焦镜(4)用于对激光发射头(1)发出的激光进行处理，提升光束的均匀性和质量。

延长光路结构(5)为激光的光路传输部分，主要作用是延长激光的传输路径，从而生成焦距较长的光束，便于切割厚度较大的物项。

实施例二

本实施例对各部件之间的密封连接进行说明。

如图1所示，激光喷射组件包括光路引导结构(9)和激光喷头(10)，光路引导结构(9)的一端与延长光路结构(5)的出光端密封连接，延长光路结构(5)的输出激光至光路引导结构(9)，光路引导结构(9)的另一端与激光喷头(10)连接，激光经激光喷头(10)的输出；光路引导结构(9)和激光喷头(10)组成激光输出部分，用于将激光光束投射至切割对象，实现物项的切割。

激光发射头(1)与准直结构(2)之间通过螺栓固定连接，准直结构(2)与延长光路结构(5)之间通过螺栓固定连接，准直结构(2)与激光发射头(1)和延长光路结构(5)之间的接触面均安装有密封圈组件。

密封圈组件包括第一密封圈(12)和第二密封圈(13)，第一密封圈(12)和第二密封圈(13)同轴设置，且第一密封圈(12)与第二密封圈(13)之间设置有与其同轴的环形的气体密封孔道，准直结构(2)内设置有与气体密封孔道连通的正压气路，准直结构(2)表面设置有连接正压气路和正压气泵的充气口。

在进行水下切割时，通过正压气泵向气体密封孔道内冲入空气，并且保持一定压力，从而在第一密封圈(12)和第二密封圈(13)之间形成正压气腔，防止外部的水渗透穿过激光发射头(1)和准直结构(2)之间的接触面进入激光切割头的内部。

光路引导结构(9)与延长光路结构(5)之间通过密封端头(8)连接，密封端头(8)为法兰型结构，密封端头(8)与光路引导结构(9)焊接连接，类似的，密封端头(8)与延长光路结构(5)的接触面也安装有密封圈组件。

密封圈组件包括第一密封圈(12)和第二密封圈(13)，第一密封圈(12)和第二密封圈(13)同轴设置，且第一密封圈(12)与第二密封圈(13)之间设置有与其同轴的环形的气体密封孔道，延长光路结构(5)内设置有与气体密封孔道连通的正压气路，延长光路结构(5)表面设置有连接正压气路和正压气泵的充气口。

实施例三

在实施例二中完成了连接部分的密封连接，在实际中，还存在一种情况——即水从激光喷头(10)出倒流进入到激光切割头内，因此为了避免此种情况，设定激光喷射组件还包括喷嘴(11)。

如图2、图3和图4所示，激光喷头(10)包括大径段和小径段，激光喷头(10)的大径段与光路引导结构(9)焊接连接，喷嘴(11)与激光渗透的小径段焊接连接。

激光喷头(10)内设置有内部气体管路，激光喷头(10)的外表面设置有与内部气体管路的进气端连通的气流入口，喷嘴(11)内设置有气体缓冲槽，喷嘴(11)表面设置有与气体缓冲槽连通的环形气流出口，内部气体管路与气体缓冲槽连通，激光喷头(10)、喷嘴(11)和环形气流出口均同轴设置。

在使用时，通过气流入口向内部气体管路注入具备一定压力的气体，气体沿内部气体管路流入至气体缓冲槽，经缓冲后，从环形气流出口喷出，因为激光喷射口位于环形气流出口内部，从而在喷嘴(11)与被切割物项之间形成环形气腔，将激光光束与外接水体隔离，避免了水进入激光切割头内，还可以防止水体对激光束的影响，保证切割能力和效率。

实施例四

在本发明中，准直结构(2)包括准直筒和准直镜(3)，准直筒的一端与激光发射头(1)密封连接，准直筒的另一端与延长光路结构(5)密封连接，准直镜(3)固定设置在准直筒内，聚焦镜(4)固定设置在准直筒内，且聚焦镜(4)位于准直镜(3)的光路后方。

另外提供一种延长光路的结构，本实施例提供一种N型的延长光路，延长光路结构(5)内设置有第一激光束传输孔道、第二激光束传输孔道和第三激光束传输孔道，第一激光束传输孔道的第一端与延长光路结构(5)的入光端连通，第三激光束传输孔道的第一端与延长光路结构(5)的出光端连通，第二激光束传输孔道的第一端与第一激光束传输孔道的第二端连通，第二激光束传输孔道的第二端与第三激光束传输孔道的第二端连通；

第一激光束传输孔道与第二激光束传输孔道的连通处设置有上反射镜(6)，第二激光束传输孔道与第三激光束传输孔道的连通处设置有下反射镜(7)。

激光发射头(1)的中心线、准直镜(3)的中心线、聚焦镜(4)的中心线、第一激光束传输孔道的中心线均同轴设置；第三激光束传输孔道的中心线、光路引导结构(9)的中心线和激光喷头(10)的中心线同轴设置。

激光束从激光发射头(1)射出，进入准直镜(3)，准直镜(3)将发散光束变为水平光束，然后进入聚焦镜(4)，聚焦镜(4)将水平光束转变为聚焦光束，然后进入第一激光束传输孔道，并经上反射镜(6)反射后进入第二激光束传输孔道，然后经下反射镜(7)反射进入第三激光束传输孔道，最后经光路引导结构(9)进入激光喷头(10)内，从喷嘴(11)内射出。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种水下大功率激光切割头，其特征在于，包括：依次密封连接的激光发射组件、延长光路结构(5)和激光喷射组件；

所述激光发射组件包括准直结构(2)和聚焦镜(4)，所述准直结构(2)与激光发射头(1)密封连接，所述准直结构(2)与所述延长光路结构(5)的入光端密封连接，所述激光发射器发射激光至所述准直结构(2)，激光经所述准直结构(2)准直后由所述聚焦镜(4)聚焦后输入至所述延长光路结构(5)；

所述激光喷射组件包括光路引导结构(9)和激光喷头(10)，所述光路引导结构(9)的一端与所述延长光路结构(5)的出光端密封连接，所述延长光路结构(5)的输出激光至所述光路引导结构(9)，所述光路引导结构(9)的另一端与所述激光喷头(10)连接，激光经所述激光喷头(10)的输出。

2.根据权利要求1所述的一种水下大功率激光切割头，其特征在于，所述准直结构(2)包括准直筒和准直镜(3)，所述准直筒的一端与所述激光发射头(1)密封连接，所述准直筒的另一端与所述延长光路结构(5)密封连接，所述准直镜(3)固定设置在所述准直筒内，所述聚焦镜(4)固定设置在所述准直筒内，且所述聚焦镜(4)位于所述准直镜(3)的光路后方。

3.根据权利要求2所述的一种水下大功率激光切割头，其特征在于，所述延长光路结构(5)内设置有第一激光束传输孔道、第二激光束传输孔道和第三激光束传输孔道，所述第一激光束传输孔道的第一端与所述延长光路结构(5)的入光端连通，所述第三激光束传输孔道的第一端与所述延长光路结构(5)的出光端连通，所述第二激光束传输孔道的第一端与所述第一激光束传输孔道的第二端连通，所述第二激光束传输孔道的第二端与所述第三激光束传输孔道的第二端连通；

所述第一激光束传输孔道与所述第二激光束传输孔道的连通处设置有上反射镜(6)，所述第二激光束传输孔道与所述第三激光束传输孔道的连通处设置有下反射镜(7)。

4.根据权利要求3所述的一种水下大功率激光切割头，其特征在于，所述激光发射头(1)的中心线、所述准直镜(3)的中心线、所述聚焦镜(4)的中心线、所述第一激光束传输孔道的中心线均同轴设置；

所述第三激光束传输孔道的中心线、所述光路引导结构(9)的中心线和所述激光喷头(10)的中心线同轴设置。

5.根据权利要求1所述的一种水下大功率激光切割头，其特征在于，所述激光发射头(1)与所述准直结构(2)之间通过螺栓固定连接，所述准直结构(2)与所述延长光路结构(5)之间通过螺栓固定连接，所述准直结构(2)与所述激光发射头(1)和所述延长光路结构(5)之间的接触面均安装有密封圈组件。

6.根据权利要求5所述的一种水下大功率激光切割头，其特征在于，所述密封圈组件包括第一密封圈(12)和第二密封圈(13)，所述第一密封圈(12)和所述第二密封圈(13)同轴设置，且所述第一密封圈(12)与所述第二密封圈(13)之间设置有与其同轴的环形的气体密封孔道，所述准直结构(2)内设置有与所述气体密封孔道连通的正压气路，所述准直结构(2)表面设置有连接所述正压气路和正压气泵的充气口。

7.根据权利要求1所述的一种水下大功率激光切割头，其特征在于，所述光路引导结构(9)与所述延长光路结构(5)之间通过密封端头(8)连接，所述密封端头(8)为法兰型结构，所述密封端头(8)与所述光路引导结构(9)焊接连接，所述密封端头(8)与所述延长光路结构(5)的接触面安装有密封圈组件。

8.根据权利要求7所述的一种水下大功率激光切割头，其特征在于，所述密封圈组件包括第一密封圈(12)和第二密封圈(13)，所述第一密封圈(12)和所述第二密封圈(13)同轴设置，且所述第一密封圈(12)与所述第二密封圈(13)之间设置有与其同轴的环形的气体密封孔道，所述延长光路结构(5)内设置有与所述气体密封孔道连通的正压气路，所述延长光路结构(5)表面设置有连接所述正压气路和正压气泵的充气口。

9.根据权利要求1所述的一种水下大功率激光切割头，其特征在于，所述激光喷射组件还包括喷嘴(11)，所述激光喷头(10)包括大径段和小径段，所述激光喷头(10)的大径段与所述光路引导结构(9)焊接连接，所述喷嘴(11)与所述激光渗透的小径段焊接连接；

所述激光喷头(10)内设置有内部气体管路，所述激光喷头(10)的外表面设置有与所述内部气体管路的进气端连通的气流入口，所述喷嘴(11)内设置有气体缓冲槽，所述喷嘴(11)表面设置有与所述气体缓冲槽连通的环形气流出口，所述内部气体管路与所述气体缓冲槽连通。

10.根据权利要求9所述的一种水下大功率激光切割头，其特征在于，所述激光喷头(10)、所述喷嘴(11)和所述环形气流出口均同轴设置。