超声辅助水下激光切割装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种超声辅助水下激光切割装置，其包括切割头和供气装置，所述供气装置用于向所述切割头的前端面处供气；其中，所述切割头包括：激光切割枪；超声振动机构，其位于所述激光切割枪的前方，所述超声振动机构设置有贯通前后的轴向内孔，所述轴向内孔与所述激光切割枪同轴布置；和防水壳体，其密闭地包围所述激光切割枪和所述超声振动机构的至少一部分。本发明专利技术有效解决了水下激光切割中能量衰减严重的问题，切割效率增加，切割质量提高，能够满足水下切割领域的需求。本发明专利技术还提供了一种超声辅助水下激光切割方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水下切割
，具体涉及一种超声辅助水下激光切割装置。本专利技术还涉及一种超声辅助水下激光切割方法。
技术介绍
随着海洋工程技术的发展，对于水下切割技术的需求日益广泛，例如，海上工作平台、海底管道、海洋工程结构物等的建造与维修都需要使用水下切割技术。现实的问题是，由于水的存在，使得在水下环境中进行的水下切割过程比陆上切割过程复杂得多，并且会产生各种各样陆上未曾预料到的问题。水下激光切割是目前较受关注的一种水下切割技术，其具有切割速度较快、效率高、适用范围广等特点。由于水的冷却作用，还降低了激光在切割处的热影响，从而可避免对材料的过度烧蚀，并减少表面的变质层。然而，水的存在同时也会对激光切割产生不利影响，主要包括：首先，激光会与水产生复杂的相互作用，特别是当水比较浑浊时，使到达待切割工件的激光能量减弱，导致切割深度减小；其次，激光切割后，熔融材料在冷却过程中会重新粘结在一起，导致碎屑的沉积。因此，如何消除水在切割区域附近造成的不利影响，是本领域技术人员一直困扰的问题，同时也是水下激光切割技术能否获得长足发展和广泛应用的关键。
技术实现思路
鉴于现有技术的以上现状，本专利技术一方面提供了一种超声辅助水下激光切割装置，其将超声技术与水下激光切割技术相结合，能够在切割区域附近形成局部干燥环境，使得切割效率增加、切割质量提高。本专利技术所采取的具体技术方案如下：一种超声辅助水下激光切割装置，其包括切割头和供气装置，所述供气装置用于向所述切割头的前端面处供气；其中，所述切割头包括：激光切割枪；超声振动机构，其位于所述激光切割枪的前方，所述超声振动机构设置有贯通前后的轴向内孔，所述轴向内孔与所述激光切割枪同轴布置；和防水壳体，其密闭地包围所述激光切割枪和所述超声振动机构的至少一部分。优选地，所述切割头还包括位于所述激光切割枪和所述超声振动机构之间的开关机构；所述供气装置与所述防水壳体内部相连；所述开关机构用于启闭所述轴向内孔与所述防水壳体的内部空间之间的通路。优选地，所述开关机构包括固定于防水壳体上的支架、滑动地设置在支架内腔中的推杆、和在支架内腔中支撑所述推杆的弹簧，其中，所述支架的侧壁上设有第一通孔，所述推杆上设有第二通孔，当所述推杆将所述弹簧压缩至极限位置时，所述第一通孔与所述第二通孔对正。优选地，所述支架的一端通过螺纹固定至所述防水壳体，另一端为自由端。优选地，所述支架的自由端为敞开结构，在所述敞开结构的端口处设有止挡结构。优选地，所述支架通过螺纹连接件与所述超声振动机构相连接。优选地，所述开关机构被设置成在满足条件P气≥P水+△时打开，其中，P气为所述防水壳体内的气体压力，P水为在执行水下切割时所述开关机构所在位置处的水压，△为预设的压力差。优选地，还包括设置在所述防水壳体外部的激光发生器和超声电源，所述激光发生器通过光纤与所述激光切割枪相连，所述超声电源通过超声电源线与所述超声振动机构相连，所述光纤和所述超声电源线均穿过所述防水壳体并与所述防水壳体之间实现密封。本专利技术另一方面还提供了一种超声辅助水下激光切割方法，其采用前面所述的超声辅助水下激光切割装置进行切割。优选地，所述超声辅助水下激光切割方法包括步骤：A.调整所述切割头与位于水中的待切割工件的相对位置，优选使所述
切割头的前端面与待切割工件之间相隔10-50mm；B.打开供气装置，向所述切割头的前端面处供气；C.通过外接的超声电源驱动所述超声振动机构进行振动；D.通过外接的激光发生器将激光传送至所述激光切割枪，进而将激光束聚焦到待切割工件的表面上，进行切割；E.切割完毕后，先关闭激光发生器，经过确定的时间后关闭超声电源，最后关闭供气装置。优选地，当所述超声辅助水下激光切割装置包括开关机构时，步骤B进一步包括步骤：B1.通过所述供气装置向所述防水壳体内部供气，调节供气压力，在满足条件P气≥P水+△时打开所述开关机构，其中，P气为所述防水壳体内的气体压力，P水为所述开关机构所在位置处的水压，△为预设的压力差；B2.继续供气以增大所述防水壳体内部的气体压力，使所述轴向内孔中的水经所述超声振动机构的前端排出，并使气体经所述超声变幅杆的前端进入水中，形成气泡。本专利技术的超声辅助水下激光切割装置的有益效果包括：首先，利用超声产生的超声辐射力作用到待切割工件处的气泡上，延缓气泡上浮时间，使激光在局部干燥氩气环境中切割，减少了水对激光能量的吸收，提高了激光能量的利用率，有利于增加切割深度；其次，氩气环境类似于陆上激光切割，对水下激光切割起到了保护作用，降低了碎屑沉积，提高了切割质量；再次，利用超声的声流效应，使切割区域周围的水形成稳定的束流状流动，减小了待切割工件处水流扰动对切割质量的影响。本专利技术有效解决了水下激光切割中能量衰减严重的问题，切割效率增加，切割质量提高，能够满足水下切割领域的需求。附图说明以下将参照附图对根据本专利技术的超声辅助水下激光切割装置及方法进行描述。图中：图1是本专利技术优选实施例的超声辅助水下激光切割装置的整体结构示意图；图2是图1的超声辅助水下激光切割装置在工作过程中的整体结构示意图；图3是图2中的切割区域附近的局部示意图。具体实施方式为克服现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种超声辅助水下激光切割装置，如图1所示，其包括切割头和供气装置5，所述供气装置5用于向所述切割头的前端面(图中为下端面)处供气，优选氩气。其中，所述切割头包括：激光切割枪1；超声振动机构(具体包括彼此贴合的超声换能器3和超声变幅杆6)，其位于所述激光切割枪1的前方(图中为下方)，所述超声振动机构设置有贯通前后的轴向内孔18，所述轴向内孔18优选布置成与所述激光切割枪1同轴(作为进一步优选方案，超声振动机构本身可以与所述激光切割枪1同轴布置，轴向内孔18则可以与所述超声振动机构本身同轴)；以及防水壳体4，其密闭地包围所述激光切割枪1和所述超声振动机构的至少一部分(例如超声变幅杆6的至少后段、所述超声换能器3的全部)。在具体用于水下切割时，切割头可以整体或部分地浸没于水中，并使其前端面靠近待切割工件。因超声振动机构设置有贯通前后的轴向内孔，使得由激光切割枪1发出的激光束8(参见图2)能够顺利穿过超声振动机构到达待切割工件10的表面。由于供气装置5能够向超声振动机构的前端面处供气以形成气泡16(参见图2、图3)，当超声振动机构振动时，其前端面(也就是切割头的前端面)处产生的超声辐射力作用到这些气泡16上，能够延缓气泡在水中上浮的时间，使激光得以在局部干燥的气体(氩气)环境中切割，减少水对激光能量的吸收，使得切割效率增加，并有利于增加切割深度。同时，由于切割区域附近的气体(氩气)环境类似于陆上激光切割的环境，因而还可对水下激光切割起到保护作用，降低碎屑沉积，提高切割质量。另外，利用超声的声流效应，能够使切割区域周围的水形成稳定的束流状流动，从而减小待切割工件处水流扰动对切割质量的影响。供气装置5向切割头的前端面处供气的方式可以采用多种形式。例如，可以采用管路直接供气，即从切割头的外部进行供气。此时，为防止水经轴向内孔18进入防水壳体的内部，可以在所述轴向内孔18中设置透明挡水元件(未示出)，例如高透玻璃片等。该透明挡水元件可以固定在超声变幅杆6的驻波点处，也可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，包括切割头和供气装置，所述供气装置用于向所述切割头的前端面处供气；其中，所述切割头包括：激光切割枪；超声振动机构，其位于所述激光切割枪的前方，所述超声振动机构设置有贯通前后的轴向内孔，所述轴向内孔与所述激光切割枪同轴布置；和防水壳体，其密闭地包围所述激光切割枪和所述超声振动机构的至少一部分。

【技术特征摘要】
1.一种超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，包括切割头和供气装置，所述供气装置用于向所述切割头的前端面处供气；其中，所述切割头包括：激光切割枪；超声振动机构，其位于所述激光切割枪的前方，所述超声振动机构设置有贯通前后的轴向内孔，所述轴向内孔与所述激光切割枪同轴布置；和防水壳体，其密闭地包围所述激光切割枪和所述超声振动机构的至少一部分。2.根据权利要求1所述的超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，所述切割头还包括位于所述激光切割枪和所述超声振动机构之间的开关机构；所述供气装置与所述防水壳体内部相连；所述开关机构用于启闭所述轴向内孔与所述防水壳体的内部空间之间的通路。3.根据权利要求2所述的超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，所述开关机构包括固定于防水壳体上的支架、滑动地设置在支架内腔中的推杆、和在支架内腔中支撑所述推杆的弹簧，其中，所述支架的侧壁上设有第一通孔，所述推杆上设有第二通孔，当所述推杆将所述弹簧压缩至极限位置时，所述第一通孔与所述第二通孔对正。4.根据权利要求3所述的超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，所述支架的一端通过螺纹固定至所述防水壳体，另一端为自由端。5.根据权利要求4所述的超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，所述支架的自由端为敞开结构，在所述敞开结构的端口处设有止挡结构。6.根据权利要求3所述的超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，所述支架通过螺纹连接件与所述超声振动机构相连接。7.根据权利要求2-6之一所述的超声辅助水下激光切割装置，其特征在于，所述开关机构被设置成在满足条件P气≥P水+△时打开，其中，P气为所述防水壳体内的气...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙清洁，王建峰，刘一搏，吴来军，王程锦，冯吉才，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37