CN203526145U - 一种激光清洗设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种激光清洗设备，包括激光器（2）及与其连接的清洗加工头（3），采用半导体泵浦固体脉冲激光器，通过MOPA结构，采用电光调Q的方式提高激光输出功率，并将其通过空心锥耦合进光纤，通过光纤传输，实现较长距离大范围内且长时间稳定的清洗作业，不会对机体造成的安全隐患，极大地降低清洗成本，而且减少脱漆剂对环境的污染，可实现自动控制，使用成本低、效率高。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光清洗技术领域，特别是应用于对飞机蒙皮清洗，同时也可应用于模具清洗、石材、金属等物体表面的污垢、锈迹以及溶剂残留物的清洗，核工业维修清洗减废，古文物、遗迹、古建筑除污维护。
背景技术
飞机在使用一段时间(5年左右)后,就需要大修一次。在大修时,需要把表面油漆全部除掉,这不仅是为了大修后重新涂漆以得到一个崭新的装饰涂层,更是为了检测发现机体或结构件的缺陷和疲劳裂纹,从而避免飞机发生疲劳破坏事故。
现有技术中，目前主要采用脱漆剂对飞机机体进行除漆工作。然而采用脱漆剂除漆的缺点很多,不但有毒有污染,而且脱漆剂使用量非常大,成本非常高昂；脱漆剂对铆在机体上的钢质铆钉有腐蚀作用，而采用激光除漆(Laser Paint Stripping)不但无上述问题,而且便于实时控制,因而在激光清洗领域内受到广泛的关注。
中国航空工业第一集团公司发布的报告称,到2023年,我国客货运输机将达2769架。如果再把军机和通用飞机考虑在内,我国的飞机数目更是非常庞大。我国某中型运输机除漆时,每架需要脱漆剂2.4吨,每吨脱漆剂价值3.8万元人民币，由此可知,该型飞机的脱漆费用,光脱漆剂一项就需9.12万元；若使用激光除漆技术,飞机除漆的成本主要就是激光器的耗电费用。
飞机激光除漆需要一台输出功率为5千瓦的激光器,连续工作48小时就可以完成整架飞机除漆任务。激光器的电光转换效率为10%，耗电量计算如下：（5KW*48H）/10%=2400（度）；按照工业用电标准，每度电1.2元，总计电费为：2400度*1.2元/度=2880元；只相当于使用脱漆剂费用的3%，按照目前中国民航市场的飞机保有量2000架计算，参照一个中型飞机使用激光清洗设备的费用，可节约的成本计算如下：（91200-2880）*2000=1.7664亿元，经济效益非常巨大，将给客户节约巨额的成本开支。
飞机对安全性有着近乎苛刻的要求，所以在航空工业部门，无论是生产还是维修，对每一道工序的改进，首先想到的不是成本而是安全。因此激光脱漆要代替传统的脱漆剂法，首先要提供的就是安全保证，激光脱漆不会对飞机机体有丝毫的损伤。如果激光脱漆的速度缓慢，就会拖延飞机的维修时间，由此导致的经济损失是相当严重的。所以只有激光脱漆的速度达到乃至超过脱漆剂的脱漆速度，也就是每小时可以剥离约22m2的机体漆层，激光脱漆的优点才会得以体现。
如何提供一种激光清洗设备来有效的进行飞机蒙皮清洗值得我们思考。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种激光清洗设备，解决脱漆剂除漆对机体造成的安全隐患，降低清洗成本，减少脱漆剂清洗对环境的污染。
为实现上述目的，本实用新型提供一种激光清洗设备，包括激光器2以及与其连接的清洗加工头3，其中，所述激光器2包括依次设置于光路上的全反射镜21、第一半导体泵浦模块22、电光调Q开关23、输出镜24、第一45°反射镜25、第一束流收集器26、衰减器27、第二45°反光镜28、第二泵浦模块29、光开关元件211、第二束流收集器212、第三45°反光镜213、光纤耦合器214，并且所有器件光轴同轴，第一泵浦模块22泵浦产生激光，通过电光调Q开关23调Q输出高功率脉冲激光，并通过第二泵浦模块29再次放大激光功率，并将高功率脉冲激光经光纤耦合器214耦合入光纤7；
所述清洗加工头3包括扩束镜31，扩束镜的输出光方向设有45°反光铜片32，45°反光铜片的反射光路上设有扫描振镜33，扫描振镜的反射光路上设有聚焦透镜34，聚焦透镜的光路输出端输出激光束35用于清洗物体6。
优选地，还包括吸尘装置5，所述吸尘装置连接于清洗加工头3的前端，吸尘装置5中连有气管51，以吸收激光清洗过程中引起的碎屑保护聚焦镜34、扫描振镜33免受清洗产生的污物污染。
优选地，还包括冷凝器4，所述清洗加工头3中还包括吸光装置36，吸光装置中设有冷却水管，冷却水管通过出水管41和回水管42与冷凝器4相连，所述吸光装置吸收激光转换为热量以对激光器2和清洗加工头3进行散热处理。
优选地，还包括触屏显示单元，激光器的控制器连接所述触屏显示单元，通过所述触屏显示单元进行激光清洗参数设置和清洗工作模式选择。
优选地，还包括功率计210，所述功率计经激光器的控制器控制，并通过I/O接口实时监测清洗时的激光功率。
优选地，所述光纤耦合器214为空心锥耦合器。
优选地，所述激光器2为MOPA激光器。
优选地，所述第一、第二半导体泵浦模块22、29是连续泵浦模块。
优选地，所述清洗加工头3下端设有把手37。
优选地，所述清洗加工头3的前端还设有保护罩。
如上所述，本实用新型的一种激光清洗设备，包括激光器2及与其连接的清洗加工头3，采用半导体泵浦固体脉冲激光器，通过MOPA结构，采用电光调Q的方式提高激光输出功率，并将其通过空心锥耦合进光纤，通过光纤传输，实现较长距离大范围内且长时间稳定的清洗作业，而且不使用化学试剂从而无毒无污染，可实现自动控制，使用成本低、效率高。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步详细说明；
图1是本实用新型实施例中的一种激光清洗设备结构示意图；
图2是图1中激光器结构示意图；
图3是激光清洗设备控制系统模块结构示意图；
图1至图3中，
控制机柜1、激光器2、全反镜21、第一泵浦模块22、电光调Q开关23、输出镜24、第一45°反射镜25、第一束流收集26、衰减器27、第二45°反光镜28、第二泵浦模块29、功率计210、光开关元件211、第二束流收集器212、第三45°反光镜213、光纤耦合器214、清洗加工头3、扩束镜31、反光铜片32、扫描振镜33、聚焦镜34、激光束35、吸光装置36、把手37、冷凝器4、出水管41、回水管42、吸尘装置5、气管51、清洗物体6、光纤7。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本说明书附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
请参考图1所示，其为本实用新型的激光清洗设备的结构示意图，同时结合图2所示的激光器2结构示意图，该清洗设备包括：激光器2以及与其连接的清洗加工头3，所述激光器2为MOPA结构的激光器，所述激光器2包括依次设置于光路上的全反射镜21、第一半导体泵浦模块22、电光调Q开关23、输出镜24、第一45°反射镜25、第一束流收集器26、衰减器27、第二45°反光镜28、第二泵浦模块29、光开关元件211、第二束流收集器212、第三45°反光镜213、光纤耦合器214，并且所有器件光轴同轴，第一泵浦模块22泵浦产生激光，通过电光调Q开关23调Q输出高功率脉冲激光，并通过第二泵浦模块29再次放大激光功率，并且所述第一、第二半导体泵浦模块22、29是连续泵浦模块，并将高功率脉冲激光经光纤耦合器214耦合入光纤以实现长距离传输。
所述清洗加工头3包括扩束镜31，扩束镜的输出光方向设有45°反光铜片32，45°反光铜片的反射光路上设有扫描振镜33，扫描振镜的反射光路上设有聚焦透镜34，聚焦透镜的光路输出端输出激光束35用于清洗物体6。
本方案的清洗设备还可以包括吸尘装置5，所述吸尘装置连接于清洗加工头3的前端，吸尘装置5中连有气管51，以帮助吸收激光清洗过程中引起的碎屑以保护聚焦镜34、扫描振镜33免受清洗产生的污物污染。
本方案的清洗设备还可以包括冷凝器4，所述清洗加工头3中还包括吸光装置36，吸光装置中设有冷却水管，冷却水管通过出水管41和回水管42与冷凝器4相连，所述吸光装置吸收激光转换为热量以对激光器2和清洗加工头3进行散热处理。
在上述方案中，激光器2和清洗加工头3之间用10m长，芯径为600um的光纤17连接，其中所述光纤耦合器214为空心锥耦合器，能够有效缓解大功率激光耦合过程中对光纤7的烧灼，同时耦合效率可以达到80%，且有效地降低成本，可以实现10m以内的激光清洗，以便扩大清洗使用范围。
所述清洗加工头3下端设有把手37，通过把手可以实现机械手臂和人工的方便操作；所述清洗加工头3的前端还设有保护罩，能够有效防止清洗碎片对聚焦镜34造成污染。
请结合图3所示，其为本实用新型的激光清洗设备控制系统模块结构示意图，其包括控制器，
控制器通过I/O接口接收激光开关的信号，以启动半导体泵浦模块电源、调节电光调Q开关驱动模块，以及驱动扫描振镜驱动单元；
本案的清洗设备还可以包括功率计210，所述功率计经激光器的控制器控制，并通过I/O接口实时监测清洗时的激光功率，并实时获取激光功率；
还可以包括与控制器连接的触屏显示单元，通过触屏显示单元进行参数设置和清洗工作模式选择；
与控制器连接的A/D转换单元，将设定好的参数通过D/A转换单元转换成两路模拟电压信号，一路模拟电压信号控制半导体泵浦电源以给半导体泵浦模块供电，另一路模拟电压信号输入到振镜驱动单元以驱动扫描振镜33；
控制器产生激光调制频率信号驱动调Q驱动模块，调Q驱动模块驱动电光调Q开关对激光器输出激光进行调制，使连续泵浦激光调Q后输出高峰值功率脉冲激光，输出的高峰值功率脉冲激光可以通过MOPA（主振荡功率放大结构）将具有高光束质量的种子信号光和泵浦光,通过一定的方式耦合进双包层光纤进行放大,从而实现对种子光源的高功率放大，然后光纤耦合输出。
本方案中的激光器2、冷凝器4、吸尘装置5可以一并设置在控制机柜1中，激光清洗设备工作过程如下，控制机柜1上电，开启电源后对控制机柜1内各部分状态进行设定，将清洗加工头2的把手37出光开关旋转，激光器2输出高峰值功率脉冲激光束，经扩束镜31扩束后照射到反光铜片32上，反光铜片与主光路成45°角放置，放光铜片32将激光束35反射到扫描振镜33，扫描振镜与主光路也成45°角放置，扫描振镜33高速来回扫描并将激光束35反射进入聚焦镜34，通过聚焦镜将激光束35聚焦到清洗物体6上，清除其机体表面蒙漆，同时的激光清洗作业时，吸尘装置5同时工作，以保护聚焦镜35及扫描振镜不受污染；清洗完毕时，通过旋转把手37上的反光铜片32开关，光路旋转打到吸光装置36上，激光被吸收转换为热量，由冷凝器4对设备进行冷却。
本实施例的方案中，采用深圳东露阳的PH-LW16-27-BHP激光冷凝器4，半导体泵浦电源为Sino Laser的CW Laser Diode Driver，采用Sino Laser的GN100Series，300W DPSS LaserModule型半导体泵浦模块，其输出功率为300瓦，电光调Q开关23使用英国古奇的电光调Q开关，电光调Q频率为10KHz时调制输出500W，脉宽为10ns，使用透过率为40%的输出镜24，扩束镜31采用Jenoptik Beam expander,扩束倍率为2倍，扫描振镜33选用ScanLab的单轴10mm口径振镜dynAXIS3-S，聚焦镜34焦距f=254mm，对于飞机机体除漆清洗速度达25m2/h，清洗效果良好。
本实用新型的一种激光清洗设备，采用MOPA结构激光器1结合清洗加工头3，采用大功率光纤7传导光能，实现长距离、大范围的且能够长时间稳定工作的激光清洗作业；而且不使用化学试剂从而无毒无污染，可实现自动控制，使用成本低。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种激光清洗设备，其特征在于，包括激光器（2）以及与其连接的清洗加工头（3），其中，
所述激光器（2）包括依次设置于光路上的全反射镜（21）、第一半导体泵浦模块（22）、电光调Q开关（23）、输出镜（24）、第一45°反射镜（25）、第一束流收集器（26）、衰减器（27）、第二45°反光镜（28）、第二泵浦模块（29）、光开关元件（211）、第二束流收集器（212）、第三45°反光镜（213）、光纤耦合器（214），并且所有器件光轴同轴，第一泵浦模块（22）泵浦产生激光，通过电光调Q开关（23）调Q输出高功率脉冲激光，并通过第二泵浦模块（29）再次放大激光功率，并将高功率脉冲激光经光纤耦合器（214）耦合入光纤（7）；
所述清洗加工头（3）包括扩束镜（31），扩束镜的输出光方向设有45°反光铜片（32），45°反光铜片的反射光路上设有扫描振镜（33），扫描振镜的反射光路上设有聚焦透镜（34），聚焦透镜的光路输出端输出激光束（35）用于清洗物体（6）。
2.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，还包括吸尘装置（5），所述吸尘装置连接于清洗加工头（3）的前端，吸尘装置（5）中连有气管（51），以吸收激光清洗过程中引起的碎屑保护聚焦镜（34）、扫描振镜（33）免受清洗产生的污物污染。
3.根据权利要求1或2所述的激光清洗设备，其特征在于，还包括冷凝器（4），所述清洗加工头（3）中还包括吸光装置（36），吸光装置中设有冷却水管，冷却水管通过出水管（41）和回水管（42）与冷凝器（4）相连，所述吸光装置吸收激光转换为热量以对激光器（2）和清洗加工头（3）进行散热处理。
4.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，还包括触屏显示单元，激光器的控制器连接所述触屏显示单元，通过所述触屏显示单元进行激光清洗参数设置和清洗工作模式选择。
5.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，还包括功率计（210），所述功率计经激光器的控制器控制，并通过I/O接口实时监测清洗时的激光功率。
6.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，所述光纤耦合器（214）为空心锥耦合器。
7.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，所述激光器（2）为MOPA激光器。
8.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，所述第一、第二半导体泵浦模块（22）、（29）是连续泵浦模块。
9.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，所述清洗加工头（3）下端设有把手（37）。
10.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，所述清洗加工头（3）的前端还设有保护罩。
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