RU2769194C1 - Multifunctional laser module mlm (complex) - Google Patents
Multifunctional laser module mlm (complex) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2769194C1 RU2769194C1 RU2021120639A RU2021120639A RU2769194C1 RU 2769194 C1 RU2769194 C1 RU 2769194C1 RU 2021120639 A RU2021120639 A RU 2021120639A RU 2021120639 A RU2021120639 A RU 2021120639A RU 2769194 C1 RU2769194 C1 RU 2769194C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- cutting
- optical module
- remote
- underwater
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
- B23K26/38—Removing material by boring or cutting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
- B23K37/04—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups for holding or positioning work
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к оборудованию для разделительной резки (в том числе дистанционной) массивных металлических, бетонных и комбинированных конструкций, преимущественно в труднодоступных местах, в том числе под водой, при наличии опасных факторов или в условиях ликвидации техногенных аварий.The invention relates to equipment for separation cutting (including remote cutting) of massive metal, concrete and combined structures, mainly in hard-to-reach places, including under water, in the presence of hazardous factors or in the conditions of liquidation of man-made accidents.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИPRIOR ART
Основным методом утилизации массивных толстостенных металлоконструкций, таких как, например, корпуса списанных морских судов, выведенных из эксплуатации нефтегазодобывающих платформ, а также демонтаж строительных объектов является их разделительная резка на фрагменты с массами и габаритами удобными для их транспортировки к месту утилизации. Основными требованиями, предъявляемыми к резке, являются оперативность проведения работ, безопасность персонала и сравнительно невысокая стоимость работ, которыми известные существующие средства обладают не в полной мере.The main method for the disposal of massive thick-walled metal structures, such as, for example, the hulls of decommissioned marine vessels, decommissioned oil and gas platforms, as well as the dismantling of construction objects, is their separating cutting into fragments with masses and dimensions convenient for their transportation to the place of disposal. The main requirements for cutting are the efficiency of work, the safety of personnel and the relatively low cost of work, which the known existing tools do not fully possess.
Одним из хорошо известных традиционных термических методов разделительной резки металлических изделий является плазменная резка. Между электродом и соплом аппарата, или между электродом и разрезаемым металлом зажигается электрическая дуга. В сопло подается газ под давлением несколько атмосфер. При прохождении рабочего газа через электрическую дугу образуется высокотемпературная плазма с температурой несколько тысяч градусов, которой осуществляется резка.One of the well-known traditional thermal separation cutting methods for metal products is plasma cutting. An electric arc is ignited between the electrode and the nozzle of the apparatus, or between the electrode and the metal being cut. Gas is fed into the nozzle at a pressure of several atmospheres. When the working gas passes through an electric arc, a high-temperature plasma is formed with a temperature of several thousand degrees, which is used for cutting.
Устройство, работающее на данном принципе, достаточно эффективно, однако, обладает рядом существенных недостатков:A device operating on this principle is quite effective, however, it has a number of significant drawbacks:
1) необходимость применения газовых смесей: резка низкоуглеродистой стали толщиной > 20 мм осуществляется в азоте и азотно-водородных смесях; при резке высоколегированных сталей толщиной > 50 мм применяются азотно-кислородные смеси; при резке нержавеющих сталей применяется азотно-водородная смесь;1) the need to use gas mixtures: cutting of low-carbon steel with a thickness of > 20 mm is carried out in nitrogen and nitrogen-hydrogen mixtures; when cutting high-alloy steels > 50 mm thick, nitrogen-oxygen mixtures are used; when cutting stainless steels, a nitrogen-hydrogen mixture is used;
2) дорогое и сложное оборудование плазмотрона;2) expensive and complex plasma torch equipment;
3) сравнительно небольшая толщина разрезаемого металла: высоколегированная сталь - до 100 мм;3) relatively small thickness of the metal being cut: high-alloy steel - up to 100 mm;
4) большая трудоемкость и длительность подготовки оборудования и проведения работ;4) high labor intensity and duration of equipment preparation and work;
5) повышенный шум вследствие истечения газа из сопла с околозвуковыми скоростями.5) increased noise due to the outflow of gas from the nozzle at transonic speeds.
6) жесткие требования к отклонению от перпендикулярности реза. В зависимости от толщины детали угол отклонения не должен превышать 10÷50°. При выходе за эти пределы наблюдается значительное расширение реза и, как одно из следствий, быстрый износ расходных материалов.6) stringent requirements for deviation from perpendicularity of the cut. Depending on the thickness of the part, the deflection angle should not exceed 10÷50°. When these limits are exceeded, there is a significant expansion of the cut and, as one of the consequences, rapid wear of consumables.
Другим распространенным термическим методом разделительной резки металлических изделий является газовая резка, принцип которой заключается в сгорании металла в струе химически чистого кислорода, с последующим удалением этой струей продуктов окисления из зоны реза (выдувом). С помощью горючего газа осуществляется прогрев металла до температуры 1100°С. Затем в зону воздействия подается струя чистого кислорода под давлением 10÷12 атм. в которой происходит окисление металла и последующий выдув шлака из зоны воздействия.Another common thermal separation cutting method for metal products is gas cutting, the principle of which is the combustion of metal in a jet of chemically pure oxygen, followed by the removal of oxidation products from the cut zone by this jet (by blowing). With the help of combustible gas, the metal is heated to a temperature of 1100 ° C. Then, a jet of pure oxygen at a pressure of 10÷12 atm is supplied to the impact zone. in which the metal is oxidized and the subsequent slag is blown out of the impact zone.
Наиболее востребованными на практике на сегодняшний день являются следующие методы:The most popular in practice today are the following methods:
1) резка пропаном и кислородом применимая для операций с титановыми сплавами, низкоуглеродистыми и низколегированными сталями; если содержание углерода или легирующего компонента в материале превышает 1%, необходимо искать другие способы кислородной эффективной резки металла; данный метод предусматривает применение и других газов: метан, ацетилен и некоторые другие;1) cutting with propane and oxygen applicable for operations with titanium alloys, low carbon and low alloy steels; if the content of carbon or an alloying component in the material exceeds 1%, it is necessary to look for other methods of oxygen efficient metal cutting; this method involves the use of other gases: methane, acetylene and some others;
2) воздушно-дуговая резка, принцип которой заключается в расплавлении металла с помощью электрической дуги, а удаление остатков выполняет воздушная струя; кислородно-электрическая дуговая резка предполагает подачу газа непосредственно вдоль электрода; недостатком данного способа являются неглубокие резы;2) air-arc cutting, the principle of which is to melt the metal using an electric arc, and the removal of residues is performed by an air jet; oxygen-electric arc cutting involves the supply of gas directly along the electrode; The disadvantage of this method are shallow cuts;
3) кислородно-флюсовая резка, особенностью которой является подача в рабочую зону дополнительного компонента (порошка), обеспечивающего большую податливость материала во время резки; метод используется для разрезания материалов, образующих твердоплавкие окислы; кислородно-флюсовая резка применима для чугуна, легированных сталей, алюминия, меди и медных сплавов, зашлакованных металлов и железобетона.3) oxygen-flux cutting, a feature of which is the supply of an additional component (powder) to the working area, which ensures greater compliance of the material during cutting; the method is used to cut materials that form hard-melting oxides; oxy-flux cutting is applicable to cast iron, alloy steels, aluminum, copper and copper alloys, slagged metals and reinforced concrete.
Сам метод газовой резки и устройства, работающие на его принципе, обладают общими недостатками:The gas cutting method itself and devices operating on its principle have common disadvantages:
- необходимость применения газовых смесей;- the need to use gas mixtures;
- метод не безопасен, поскольку возможен взрыв газовой смеси;- the method is not safe, since an explosion of the gas mixture is possible;
- термическому воздействию подвергается значительный участок.- a significant area is exposed to thermal effects.
Известны средства механической разделительной резки применяемой при резке строительных материалов (бетон, железобетон, кирпич, камень и др.) с применением алмазного инструмента: алмазный диск, алмазный канат.Known means of mechanical separating cutting used in cutting building materials (concrete, reinforced concrete, brick, stone, etc.) using a diamond tool: diamond disc, diamond wire.
Алмазный диск представляет собой металлический диск, на режущую часть которого нанесена с помощью напыления алмазная крошка, удерживаемая специальным связующим веществом. Это позволяет значительно увеличить ресурс работы инструмента, повысить его производительность, точность и чистоту обработки, сохранить неизменным диаметр круга в процессе его эксплуатации.A diamond disc is a metal disc, on the cutting part of which diamond grit is deposited by spraying, held by a special binder. This allows you to significantly increase the resource of the tool, increase its productivity, accuracy and cleanliness of processing, keep the diameter of the circle unchanged during its operation.
Недостатком данного инструмента является необходимость частой смены дисков, а также то, что большой диаметр диска не позволяет вести резку в труднодоступных местах. Диск малого диаметра, при этом, не позволит сделать глубокий рез.The disadvantage of this tool is the need for frequent disc changes, as well as the fact that the large diameter of the disc does not allow cutting in hard-to-reach places. A disc of small diameter, at the same time, will not allow you to make a deep cut.
Алмазный канат представляет собой сплетенный трос из гальванизированной стали, с закрепленными на определенном расстоянии (расстояние между отдельными сегментами составляет 25 мм) алмазными кольцами - перлинами. Кольца отделены друг от друга специальными вставками или полимером, благодаря чему исключается их перемещение относительно троса. Алмазное кольцо - режущий инструмент аналогичный сегментам алмазных дисков.The diamond wire is a braided cable made of galvanized steel, with diamond rings - pearls - fixed at a certain distance (the distance between the individual segments is 25 mm). The rings are separated from each other by special inserts or polymer, which prevents them from moving relative to the cable. Diamond ring - a cutting tool similar to the segments of diamond discs.
К недостатку алмазного каната можно отнести необходимость частой смены инструмента (каната), а также следующее обстоятельство. При резке крупногабаритных массивных изделий его части приходят в движение под собственным весом и рвут канат. Данное обстоятельство может привести к травмированию обслуживающего персонала.The disadvantage of diamond wire is the need for frequent tool (rope) changes, as well as the following circumstance. When cutting large-sized massive products, its parts are set in motion under their own weight and tear the rope. This circumstance can lead to injury to the operating personnel.
Одно из средств механической разделительной резки радиоактивных металлоконструкций АЭС известно из патента RU 2687048, опубл. 07.05.2019, Бюл. №13.One of the means of mechanical separation cutting of radioactive metal structures of nuclear power plants is known from patent RU 2687048, publ. 05/07/2019, Bull. No. 13.
Основным недостатком данного устройства является необходимость частой смены оснастки - режущих инструментов (алмазных пил, дисковых фрез, гидравлических ножниц и т.д.) в труднодоступных условиях радиационного воздействия.The main disadvantage of this device is the need for frequent change of equipment - cutting tools (diamond saws, circular cutters, hydraulic shears, etc.) in hard-to-reach conditions of radiation exposure.
Известно средство разделительной резки на базе технологии LASOX (Laser ASisted Oxygen), основанной на применении сверхзвуковой кислородной резке с поддержкой лазерным излучением. Отличительной особенностью технологии LASOX (Laser ASisted OXygen), разработанной британской компанией The ВОС Group Fabrication Technology Centre at Morden, UK [1,2], является то, что излучение CO2-лазера лишь нагревает поверхность металла до температуры >1000°С перед тем как на эту поверхность попадает сверхзвуковая кислородная струя, которая и осуществляет резку металла за счет реакции окисления.Known means of separation cutting based on technology LASOX (Laser ASisted Oxygen), based on the use of supersonic oxygen cutting with the support of laser radiation. A distinctive feature of the LASOX technology (Laser ASisted OXygen), developed by the British company The BOC Group Fabrication Technology Center at Morden, UK [1,2], is that CO 2 laser radiation only heats the metal surface to a temperature of >1000°C before how a supersonic oxygen jet hits this surface, which cuts the metal due to the oxidation reaction.
Комплекс резки включает в себя следующие элементы, обладающие следующими характеристиками:The cutting complex includes the following elements with the following characteristics:
- технологический непрерывный СО2-лазер (PRC 2.0 kW СО2) с выходной мощностью до 2 кВт и двухкоординатным позиционированием;- technological cw CO 2 laser (PRC 2.0 kW CO 2 ) with an output power of up to 2 kW and two-coordinate positioning;
- газодинамическое сопло с выходным диаметром 2.5 мм;- gas-dynamic nozzle with an outlet diameter of 2.5 mm;
- система подачи кислорода высокого давления 6÷8 атм. и высокой чистоты для формирования сверхзвуковой струи;- high pressure
- диаметр расходящегося лазерного пучка на поверхности металла составляет 4 мм;- the diameter of the diverging laser beam on the metal surface is 4 mm;
- диаметр соосной с лазерным лучом сверхзвуковой кислородной струи составляет 3 мм;- the diameter of the supersonic oxygen jet coaxial with the laser beam is 3 mm;
- скорость резки - 0.3 м/мин;- cutting speed - 0.3 m/min;
- толщина разрезаемого металла - до 50 мм.- thickness of the cut metal - up to 50 mm.
К недостаткам данного устройства можно отнести необходимость применения кислорода высокой чистоты, небольшую толщину разрезаемого стального листа и существенно более низкую скорость резки по сравнению с традиционной лазерно-кислородной резкой.The disadvantages of this device include the need to use high purity oxygen, the small thickness of the cut steel sheet and a significantly lower cutting speed compared to traditional laser-oxygen cutting.
Кроме того, общий недостаток всех выше описанных средств и методик заключается в том, что все они не являются дистанционными. Расстояние от инструмента резки до поверхности материала составляет несколько миллиметров, а алмазная резка выполняется при контакте режущего инструмента с поверхностью.In addition, a common drawback of all the above described tools and techniques is that they are not all remote. The distance from the cutting tool to the surface of the material is a few millimeters, and diamond cutting is performed with the cutting tool in contact with the surface.
Известный из патента RU 2485287, опубл. 20.06.2013 Бюл. №17 мобильный лазерный технологический комплекс обладает достаточно большой мощностью и позволяет производить дистанционную разделительную резку массивных метало- и бетонных конструкций на большом (до 75 м) удалении объекта взаимодействия от фокусирующей системы.Known from patent RU 2485287, publ. 06/20/2013 Bull. No. 17 mobile laser technological complex has a sufficiently high power and allows remote separation cutting of massive metal and concrete structures at a large (up to 75 m) distance between the object of interaction from the focusing system.
Однако фокусирующая система данного комплекса не позволяет получить острую фокусировку излучения (диаметр фокального пятна несколько миллиметров), что позволило бы добиться более интенсивного удаления расплава из области взаимодействия излучения с материалом.However, the focusing system of this complex does not make it possible to obtain a sharp focusing of the radiation (the focal spot diameter is several millimeters), which would make it possible to achieve a more intensive removal of the melt from the region of radiation interaction with the material.
Кроме того, оборудование комплекса размещено в четырех блок-контейнерах габаритами (Ш×В×Д) 2.34×2.34×2.34 м общей массой 10 т, что осложняет его транспортировку и ограничивает круг решаемых технологических задач.In addition, the equipment of the complex is placed in four block containers with dimensions (W × H × D) 2.34 × 2.34 × 2.34 m with a total weight of 10 tons, which complicates its transportation and limits the range of technological tasks to be solved.
Из патента RU 2708442, опубл. 06.12.2019 Бюл. №34 известен способ дистанционной разделительной резки аварийных металлоконструкций и объемного оборудования морских буровых платформ. Способ предполагает размещение оборудования лазерного комплекса на палубе судна в морских блок-контейнерах и формирующего телескопа на опорно-поворотной стабилизированной платформе. С борта судна, осуществляющего обход аварийного объекта, ведут наблюдение за состоянием разделяемых металлоконструкций и при обнаружении результата резки прекращают работу.From patent RU 2708442, publ. 06.12.2019 Bull. No. 34, a method for remote separation cutting of emergency metal structures and bulk equipment of offshore drilling platforms is known. The method involves placing the equipment of the laser complex on the deck of the vessel in sea block containers and the forming telescope on a turntable stabilized platform. The state of the metal structures to be separated is monitored from the board of the vessel that bypasses the emergency facility, and when the cutting result is detected, work is stopped.
Однако данный способ и возможный на его основе корабельный лазерный комплекс обеспечивают решение узконаправленных задач и не позволяют вести разделительную резку в труднодоступных местах конструкции.However, this method and the shipborne laser complex based on it provide a solution to narrowly focused tasks and do not allow separation cutting in hard-to-reach areas of the structure.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Технической задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является выполнение широкого спектра технологических задач: разделительной резки метало- и бетонных конструкций на расстоянии до 100 м в воздушной среде, проведение подводной резки, а также ликвидация последствий углеводородных загрязнений водной поверхности, прибрежных и береговых полос, в том числе в арктических ледовых условиях.The technical task and technical result of the proposed invention is the implementation of a wide range of technological tasks: separation cutting of metal and concrete structures at a distance of up to 100 m in the air, underwater cutting, as well as the elimination of the consequences of hydrocarbon pollution of the water surface, coastal and coastal strips, including number in arctic ice conditions.
Решение этих задач возможно с помощью лазерного комплекса МЛМ (многофункционального лазерного модуля) с выходной мощностью излучения до 20 кВт на базе волоконного Yb лазера и возможностью оперативного переключения транспортного оптоволокна лазера на различные фокусирующие системы с широким диапазоном перефокусировки.The solution of these problems is possible with the help of the MLM laser complex (multifunctional laser module) with an output radiation power of up to 20 kW based on a Yb fiber laser and the ability to quickly switch the laser transport fiber to various focusing systems with a wide refocusing range.
Отличие настоящего лазерного комплекса состоит в том, что онThe difference of this laser complex is that it
выполнен с функциями резки массивных металлических, бетонных и комбинированных конструкций, проведения подводной резки, и ликвидации последствий углеводородных загрязнений,it is designed with the functions of cutting massive metal, concrete and combined structures, carrying out underwater cutting, and eliminating the consequences of hydrocarbon pollution,
содержит один Yb волоконный лазер, одноканальный лазерный формирующий телескоп, а также набор фокусирующих систем: выносной оптический модуль и герметичный выносной оптический модуль для подводной резки,contains one Yb fiber laser, a single-channel laser shaping telescope, as well as a set of focusing systems: an external optical module and a sealed external optical module for underwater cutting,
каждая из указанных фокусирующих систем выполнена с возможностью оперативного подключения к Yb волоконному лазеру с помощью транспортного оптоволокна.each of these focusing systems is configured to be operatively connected to a Yb fiber laser using a transport fiber.
В отличие от аналога, описанного в патенте RU 2485287, опубл. 20.06.2013 Бюл. №17, все оборудование настоящего лазерного комплекса размещено в одном блок-контейнере габаритами (Ш×В×Д) 2.3×2.2×6.0 м и общей массой 6 т, что значительно облегчает его погрузку и транспортировку к месту работы любыми видами сухопутного, морского и воздушного транспорта. Также, в отличие от аналога, в состав настоящего лазерного комплекса входит один волоконный Yb лазер и одноканальный формирующий телескоп, подключенного к лазеру через транспортное оптоволокно длиной 5 м, что избавляет от необходимости такой сложной операции как сведение на расстоянии трех пучков в один. Формирующий телескоп комплекса способен фокусировать излучение на расстоянии от 20 до 100 м с диаметром фокального пятна Ø10÷15 мм и интенсивностью в пятне 104 Вт/см2 с последующим проведением резки и удалением расплава за счет вытекания под действием силы тяжести, а также в отличие от фокусирующей системы аналога, способен получить остросфокусированный пучок Ø4÷5 мм на расстоянии до 30 м. В соответствии с изобретением последнее обстоятельство позволяет получить повышенное (1÷1.5)⋅105 Вт/см2 по сравнению с аналогом (104 Вт/см2) на том же расстоянии (до 30 м) значение интенсивности в фокальном пятне и реализовать более эффективный механизм удаления расплава под действием давления отдачи паров материала. Применение одноканального телескопа настоящего лазерного комплекса позволяет вести дистанционную резку металлоконструкций толщиной до 190 мм, что решает большинство требуемых задач по дистанционной разделительной резке.Unlike the analogue described in the patent RU 2485287, publ. 06/20/2013 Bull. No. 17, all the equipment of this laser complex is placed in one block container with dimensions (W × H × D) of 2.3 × 2.2 × 6.0 m and a total weight of 6 tons, which greatly facilitates its loading and transportation to the place of work by any type of land, sea and air transport. Also, unlike the analogue, this laser complex includes one Yb fiber laser and a single-channel shaping telescope connected to the laser through a transport fiber 5 m long, which eliminates the need for such a complex operation as bringing three beams into one at a distance. The forming telescope of the complex is capable of focusing radiation at a distance of 20 to 100 m with a focal spot diameter of Ø10÷15 mm and an intensity in the spot of 10 4 W/cm from the analog focusing system, is capable of obtaining a sharply focused beam Ø4÷ 5 mm at a distance of up to 30 m. 2 ) at the same distance (up to 30 m) the intensity value in the focal spot and implement a more efficient mechanism for the removal of the melt under the action of the material vapor recoil pressure. The use of a single-channel telescope of this laser complex allows remote cutting of metal structures up to 190 mm thick, which solves most of the required tasks for remote separation cutting.
Для ведения резки на малых расстояниях, в труднодоступных местах конструкции предусмотрено применение входящего в состав настоящего комплекса выносного оптического модуля (ВОМ), оперативно подключаемого к лазеру через транспортное оптоволокно длиной до 100 м и оснащенного газодинамической системой защиты выходной оптики, соединенной гибким шлангом с баллоном со сжатым воздухом. Диапазон перефокусировки ВОМ составляет 0.1÷3 м, а диаметр фокального пятна на поверхности объекта взаимодействия Ø4÷5 мм, что позволяет при выходной мощности лазера 20 кВт получить интенсивность излучения в зоне воздействия (1÷1.5)⋅105 Вт/см2 и обеспечивает резку металлоконструкций толщиной до 190 мм. В соответствии с изобретением удаление расплава из зоны воздействия излучением при этом происходит за счет давления отдачи паров материала, а воздушная струя газодинамической системы защиты препятствует попаданию паров и капель расплава на защитное стекло ВОМ.For cutting at short distances, in hard-to-reach places of the structure, the use of a remote optical module (PTO), which is part of this complex, is operatively connected to the laser through a transport fiber up to 100 m long and equipped with a gas-dynamic system for protecting the output optics, connected by a flexible hose to a cylinder with compressed air. The refocusing range of the PTO is 0.1÷3 m, and the diameter of the focal spot on the surface of the interaction object is Ø4÷5 mm, which makes it possible, with a laser output power of 20 kW, to obtain a radiation intensity in the impact zone (1÷1.5)⋅10 5 W/cm 2 and provides cutting metal structures up to 190 mm thick. In accordance with the invention, the removal of the melt from the zone of exposure to radiation occurs due to the recoil pressure of the vapors of the material, and the air jet of the gas-dynamic protection system prevents vapors and melt drops from entering the PTO protective glass.
Максимальная разрезаемая толщина бетонных конструкций в 1.5 раза превышает максимальную толщину резки металлоконструкций при одинаковом энерговкладе. Это обстоятельство объясняется на порядок меньшей теплопроводностью бетона по сравнению со сталью, что позволяет успешно применять настоящий лазерный комплекс при демонтаже строительных бетонных конструкций.The maximum cutting thickness of concrete structures is 1.5 times higher than the maximum cutting thickness of metal structures with the same energy input. This circumstance is explained by an order of magnitude lower thermal conductivity of concrete compared to steel, which makes it possible to successfully use this laser complex in the dismantling of building concrete structures.
При разработке газодинамической системы защиты реализованы две схемы: соосная с лазерным лучом и с поперечным обдувом выходной оптики. Принцип действия первой схемы основан на выдувании паров и брызг расплава от защитного стекла ВОМ в направлении по ходу луча. Во второй схеме организован поперечный сверхзвуковой воздушный поток, препятствующий оседанию паров и капель расплава на поверхность защитного стекла ВОМ.When developing a gas-dynamic protection system, two schemes were implemented: coaxial with a laser beam and with transverse blowing of the output optics. The principle of operation of the first scheme is based on the blowing of vapors and melt splashes from the PTO protective glass in the direction along the beam. In the second scheme, a transverse supersonic air flow is organized, which prevents vapors and melt drops from settling on the surface of the PTO protective glass.
Для проведения резки под водой применяется герметичный подводный оптический модуль (ПОМ), оперативно подключаемого к лазеру через транспортное оптоволокно длиной до 100 м и оснащенный соосным с лазерным лучом газодинамическим соплом, а также робот-манипулятор и система видеонаблюдения. В этой части описываемая схема близка к соосной схеме газодинамической системы защиты выходной оптики ВОМ. При применении ПОМ организуется воздушный канал в водной среде между соплом и поверхностью разрезаемого изделия. Конструкция ПОМ, а также вся технологическая оснастка позволяет вести разделительную резку на глубине до 100 м.For underwater cutting, a sealed underwater optical module (POM) is used, which is quickly connected to the laser through a transport fiber up to 100 m long and equipped with a gas-dynamic nozzle coaxial with the laser beam, as well as a robotic arm and a video surveillance system. In this part, the described scheme is close to the coaxial scheme of the gas-dynamic protection system for the PTO output optics. When using POM, an air channel is organized in the aquatic environment between the nozzle and the surface of the product being cut. The design of the POM, as well as all the technological equipment, allows for separation cutting at a depth of up to 100 m.
С помощью формирующего телескопа или ВОМ, входящих в состав настоящего лазерного комплекса, возможно проведение ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов на водной, ледовой, прибрежной и береговой поверхностях. ВОМ, подключенный к лазеру через транспортное оптоволокно, позволяет на расстоянии нескольких метров получить расходящийся пучок с площадью сечения 3÷30 см2, что при выходной мощности лазера 20 кВт дает интенсивность в пучке 6.7⋅102÷6.7⋅103 Вт/см2. Затем посредством перемещения пятна лазерного пучка по очищаемой поверхности (лучевого сканирования) производится сжигание нефтепродуктов.With the help of a forming telescope or PTO, which are part of this laser complex, it is possible to eliminate emergency oil spills on water, ice, coastal and coastal surfaces. The PTO, connected to the laser through a transport optical fiber, makes it possible to obtain a diverging beam with a cross-sectional area of 3÷30 cm 2 at a distance of several meters, which, with a laser output power of 20 kW, gives an intensity in the beam of 6.7⋅10 2 ÷6.7⋅10 3 W/cm 2 . Then, by moving the spot of the laser beam over the surface to be cleaned (beam scanning), oil products are burned.
При применении настоящего лазерного комплекса достигаются следующие результаты:When using this laser complex, the following results are achieved:
- использование одноканального формирующего телескопа, устраняющее необходимость такой сложной операции как сведение на расстоянии нескольких пучков в один;- the use of a single-channel shaping telescope, which eliminates the need for such a complex operation as bringing several beams into one at a distance;
- получение интенсивности излучения в зоне воздействия (1÷1.5)⋅105 Вт/см2, что приводит к интенсивному кипению расплава и его удалению под действием давления отдачи паров;- obtaining the intensity of radiation in the impact zone (1÷1.5)⋅10 5 W/cm 2 , which leads to intense boiling of the melt and its removal under the action of vapor pressure;
- дистанционная резка металлоконструкций толщиной до 190 мм;- remote cutting of metal structures up to 190 mm thick;
- максимальная разрезаемая толщина бетонных конструкций в 1.5 раза превышает максимальную толщину резки металлоконструкций при одинаковом энерговкладе;- the maximum cutting thickness of concrete structures is 1.5 times higher than the maximum cutting thickness of metal structures with the same energy input;
- проведение подводной разделительной резки на глубине до 100 м;- carrying out underwater separation cutting at a depth of up to 100 m;
- получение расходящегося пучка с площадью сечения 3÷30 см2 и, соответственно, при выходной мощности лазера 20 кВт интенсивности в пучке 6.7⋅102÷6.7⋅103 Вт/см2, позволяющие проводить лазерную очистку водной, ледовой, прибрежной и береговой поверхностей.- obtaining a divergent beam with a cross-sectional area of 3÷30 cm 2 and, accordingly, at a laser output power of 20 kW, the intensity in the beam is 6.7⋅10 2 ÷6.7⋅10 3 W/cm 2 , allowing laser cleaning of water, ice, coastal and coastal surfaces.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Суть изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:The essence of the invention is illustrated by drawings, which show:
Фиг. 1 - лазерный комплекс МЛМ (многофункциональный лазерный модуль) в транспортном блок-контейнере;Fig. 1 - laser complex MLM (multifunctional laser module) in a transport block container;
Фиг. 2 - схема ведения резки с помощью телескопа;Fig. 2 - diagram of cutting with a telescope;
Фиг. 3 - схема ведения резки с помощью ВОМ;Fig. 3 - scheme of cutting with the help of PTO;
Фиг. 4 - схема газодинамической система защиты выходной оптики ВОМ;Fig. 4 - diagram of the gas-dynamic protection system for the PTO output optics;
Фиг. 5 - схема ведения подводной резки;Fig. 5 - scheme of conducting underwater cutting;
Фиг. 6 - схема ликвидации последствий углеводородных загрязнений.Fig. 6 - scheme of liquidation of the consequences of hydrocarbon pollution.
Позиции на Фиг. 1÷6 обозначают следующее:Positions in Fig. 1÷6 mean the following:
1 - одноканальный лазерный формирующий телескоп;1 - single-channel laser forming telescope;
2 - двухкоординатное опорно-поворотное устройство формирующего телескопа (ОПУ);2 - two-coordinate support-rotary device of the forming telescope (OPU);
3 - стол ОПУ;3 - table OPU;
4 - электроконвектор;4 - electric convector;
5 - огнетушитель;5 - fire extinguisher;
6 - вентиляционная решетка;6 - ventilation grill;
7 - система охлаждения;7 - cooling system;
8 - Yb волоконный лазер;8 - Yb fiber laser;
9 - стол оператора;9 - operator's table;
10 -электрощит;10 - electrical panel;
11 - воздуховод выхлопа от чиллера;11 - exhaust duct from the chiller;
12 - труба выхлопа от генератора отопителя;12 - exhaust pipe from the heater generator;
13 - дизельный отопитель;13 - diesel heater;
14 - блок-контейнер с оборудованием лазерного комплекса;14 - block container with equipment of the laser complex;
15 - лазерное излучение;15 - laser radiation;
16 - объекта взаимодействия;16 - object of interaction;
17 - транспортное оптоволокно;17 - transport fiber;
18 - двухкоординатное опорно-поворотное устройство выносного оптического модуля (ОПУ ВОМ);18 - two-coordinate turntable of a remote optical module (OPU PTO);
19 - выносной оптический модуль (ВОМ);19 - remote optical module (PTO);
20 - насадка газодинамической системой защиты;20 - nozzle gas-dynamic protection system;
21 - гибкий шланг подачи сжатого воздуха;21 - flexible compressed air supply hose;
22 - баллоном со сжатым воздухом;22 - cylinder with compressed air;
23 - насадка с поперечным обдувом выходной оптики;23 - nozzle with transverse blowing of the output optics;
24 - щелевое сопло;24 - slotted nozzle;
25, 26 - боковые прорези;25, 26 - side slots;
27 - робот-манипулятор;27 - robotic arm;
28 - «рука» робота-манипулятора;28 - "arm" of the robotic arm;
29 - подводный оптический модуль (ПОМ);29 - underwater optical module (POM);
30 - воздушный канал между соплом и поверхностью разрезаемого изделия;30 - air channel between the nozzle and the surface of the product being cut;
31 - кабель контроля и управления роботом-манипулятором;31 - cable for monitoring and controlling the robotic arm;
32 - несущий трос-кабель;32 - carrying rope-cable;
33 - кабель питания манипулятора;33 - manipulator power cable;
34 - катушка трос-кабеля;34 - cable-cable reel;
35 - очищаемая поверхность (ледовая, водная, грунтовая).35 - surface to be cleaned (ice, water, ground).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Все элементы лазерного комплекса МЛМ расположены в одном блок-контейнере (Фиг. 1). Лазерный формирующий одноканальный телескоп 1 установлен на ОПУ 2, расположенном на столе ОПУ 3. Рядом со столом ОПУ 3 установлен электроконвектор 4, а возле входной двери в блок-контейнер комплекса - огнетушитель 5. После входной двери, на той же стороне блок-контейнера, расположена вентиляционная решетка 6 системы охлаждения 7 Yb волоконного лазера с выходной мощностью 20 кВт 8. Рядом со столом ОПУ 3 установлен стол оператора 9, над которым расположен силовой электрощит 10. За системой охлаждения расположен воздуховод выхлопа от чиллера 11 (условно не показан), а также труба выхлопа от генератора отопителя 12 и дизельный отопитель 13. 14 - блок-контейнер с оборудованием лазерного комплекса.All elements of the MLM laser complex are located in one block container (Fig. 1). The laser forming single-channel telescope 1 is installed on the
Для возможности ведения разделительной резки на расстояниях 10÷100 м от фокусирующей системы (Фиг.2) в составе настоящего комплекса 14 применяется формирующий одноканальный телескоп 7, фокусирующий лазерное излучение 15 на поверхности объекта взаимодействия 16.To be able to conduct separation cutting at distances of 10÷100 m from the focusing system (Figure 2), as part of this complex 14, a forming single-
При ведении резки на расстояниях 0.1÷3 м от фокусирующей системы (Фиг. 3) к Yb волоконному лазеру настоящего комплекса 14 через транспортное оптоволокно 17 длиной до 100 м, установленный на ОПУ ВОМ 18, подключен ВОМ 19. На фронтальной части ВОМ резьбовым соединением закреплена насадка газодинамической системой защиты 20, соединенная гибким шлангом подачи сжатого воздуха 21 с баллоном со сжатым воздухом 22. Сфокусированный лазерный луч 75 падает на поверхность объекта взаимодействия 16, осуществляя разделительную резку.When cutting at distances of 0.1÷3 m from the focusing system (Fig. 3),
Разработана и реализована схема газодинамической защиты выходной оптики ВОМ с организацией поперечного лазерному лучу сверхзвукового воздушного потока (Фиг. 4). На фронтальной части насадки 23 смонтировано щелевое сопло 24, образующее вертикально направленный сверхзвуковой воздушный поток, уносящий пары и брызги расплава. Через боковые прорези 25 и 26 осуществляется фокусировка ВОМ посредством поворота лимба и обдув защитного стекла ВОМ перед началом работы, соответственно.A scheme of gas-dynamic protection of the PTO output optics with the organization of a supersonic air flow transverse to the laser beam has been developed and implemented (Fig. 4). A
При проведении подводной лазерной резки применяется ПОМ и робот-манипулятор, соединенный кабелями с настоящим лазерным комплексом в том числе расположенном на борту корабля (Фиг.5 а и б): 27 - робот-манипулятор, 28 - «рука» робота-манипулятора, 29 - ПОМ, 30 - воздушный канал между соплом и поверхностью разрезаемого изделия, 21 - гибкий шланг подачи сжатого воздуха, 77 - транспортное оптоволокно лазера, 31 -кабель контроля и управления роботом-манипулятором, 32 - несущий трос-кабель, 33 - кабель питания манипулятора, 16 - разрезаемая металлоконструкция, 34 - катушка трос-кабеля, 14 - настоящий лазерный комплекс.When carrying out underwater laser cutting, a POM and a robotic arm are used, connected by cables to a real laser complex, including those located on board the ship (Fig.5 a and b): 27 - robotic arm, 28 - "arm" of the robotic arm, 29 - POM, 30 - air channel between the nozzle and the surface of the product being cut, 21 - flexible compressed air supply hose, 77 - laser transport fiber, 31 - cable for monitoring and controlling the robot-manipulator, 32 - carrying cable-cable, 33 - manipulator power cable , 16 - cut metal structure, 34 - cable-cable reel, 14 - real laser complex.
Для ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов на водной, ледовой, прибрежной и береговой поверхностях (Фиг. 6) к Yb волоконному лазеру настоящего комплекса 14 через транспортное оптоволокно 77, установленный на ОПУ ВОМ 18, подключен ВОМ 19. Излучение лазера 75 падает на очищаемую поверхность (ледовую, водную, грунтовую) 35. По завершению фазы самоподдерживающегося горения нефтепродуктов с помощью двухкоординатного опорно-поворотного устройства 18 производится лучевое сканирование очищаемой поверхности методом дожигания на ней остатков нефтепродуктов.To eliminate emergency oil spills on water, ice, coastal and coastal surfaces (Fig. 6) to the Yb fiber laser of this complex 14 through the transport fiber 77 installed on the
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021120639A RU2769194C1 (en) | 2021-07-13 | 2021-07-13 | Multifunctional laser module mlm (complex) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021120639A RU2769194C1 (en) | 2021-07-13 | 2021-07-13 | Multifunctional laser module mlm (complex) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2769194C1 true RU2769194C1 (en) | 2022-03-29 |
Family
ID=81076103
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021120639A RU2769194C1 (en) | 2021-07-13 | 2021-07-13 | Multifunctional laser module mlm (complex) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2769194C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU1568390C (en) * | 1988-12-26 | 1995-03-20 | Научно-исследовательский центр по технологическим лазерам | Device for fastening and replacing of optical heads of laser technological complexes |
RU2485287C1 (en) * | 2011-12-21 | 2013-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром газобезопасность" | Preparation of well head zone for elimination of emergency flowing |
CN108838558A (en) * | 2018-08-23 | 2018-11-20 | 深圳市海目星激光智能装备股份有限公司 | A kind of blanking punch group, cutting quick-changing mechanism and laser cutting device |
CN209578506U (en) * | 2018-12-19 | 2019-11-05 | 无锡超强伟业科技有限公司 | A kind of electromotion focusing fiber cut head of interchangeable different focal length focusing lens |
RU2708442C1 (en) * | 2019-04-29 | 2019-12-06 | Общество с Ограниченной Ответственностью "НЦЛСК "Астрофизика" | Method for separating cutting of metal structures and equipment |
CN211840639U (en) * | 2020-02-24 | 2020-11-03 | 温州大学 | Portable replacement type laser cutting head |
-
2021
- 2021-07-13 RU RU2021120639A patent/RU2769194C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU1568390C (en) * | 1988-12-26 | 1995-03-20 | Научно-исследовательский центр по технологическим лазерам | Device for fastening and replacing of optical heads of laser technological complexes |
RU2485287C1 (en) * | 2011-12-21 | 2013-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром газобезопасность" | Preparation of well head zone for elimination of emergency flowing |
CN108838558A (en) * | 2018-08-23 | 2018-11-20 | 深圳市海目星激光智能装备股份有限公司 | A kind of blanking punch group, cutting quick-changing mechanism and laser cutting device |
CN209578506U (en) * | 2018-12-19 | 2019-11-05 | 无锡超强伟业科技有限公司 | A kind of electromotion focusing fiber cut head of interchangeable different focal length focusing lens |
RU2708442C1 (en) * | 2019-04-29 | 2019-12-06 | Общество с Ограниченной Ответственностью "НЦЛСК "Астрофизика" | Method for separating cutting of metal structures and equipment |
CN211840639U (en) * | 2020-02-24 | 2020-11-03 | 温州大学 | Portable replacement type laser cutting head |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4151393A (en) | Laser pile cutter | |
WO2013141810A1 (en) | A laser cleaning apparatus and method | |
Lainetti | Cutting techniques for facilities dismantling in decommissioning projects | |
RU2769194C1 (en) | Multifunctional laser module mlm (complex) | |
Alfille et al. | New pulsed YAG laser performances in cutting thick metallic materials for nuclear applications | |
RU2756175C1 (en) | Robotic laser complex and method of dismantling metal structures of npp | |
RU2708442C1 (en) | Method for separating cutting of metal structures and equipment | |
Eutizzi et al. | Cutting of structural materials utilizing high-powered CO2 laser | |
JP7343970B2 (en) | Cutting method and device for steel-concrete composite members | |
Mehtaj et al. | A techno-economic study on ship recycling practices in bangladesh: from safety perspective | |
JPS56119666A (en) | Gas cutting method and device for stainless steel and stainless-clad steel or the like | |
Lazov et al. | Laser ablation of paint coatings in industry | |
Jones et al. | Hybrid Induction-Oxygen Cutting Process for Faster, More Efficient, and Less Costly Scrapping of Off-Shore Petroleum Platforms | |
Eutizzi et al. | No. 8A-2 Cutting of Structural Materials Utilizing High Powered CO2 Laser | |
RU2113956C1 (en) | Method of laser treatment of large-sized products and device for its realization | |
Lin | Rapid steel pile cutting technology | |
Hallada et al. | Chemical oxygen-iodine laser (COIL) for the dismantlement of nuclear facilities | |
Arutyunyan et al. | Problems of Safe Application of Laser Technological Process for Disassembly of the Nuclear Installations of NSM | |
Metschkow et al. | Laser welded joints in shipbuilding | |
Arner et al. | Hybrid Induction Plasma-Oxygen Cutting, Using a Mobile Robot System for Shipyard Application | |
Chhaniyara | Underwater welding | |
Merchant | Laser welding in the pipeline industry | |
Henderson et al. | Cutting Reactor Pressure Vessels and their Internals–Trends on Selected Technologies–10247 | |
Sekhar et al. | Remote crack repair welding in steels using high power Nd: YAG lasers | |
JPS6183874A (en) | Refractory laser flame spray coating device |