一种水下金属表面污物激光清洗防水设备及其应用

摘要

本发明涉及一种水下金属表面污物激光清洗防水设备及其应用。所述防水设备包括：陆地环境下工作的激光器，其以光纤与水下工作设备连接；光纤外覆防水罩，水下工作设备包括清洗参数调节模块和与之连接的激光头，激光头前端被一层激光低损耗材料包住，形成密闭空腔，密闭空腔外覆防水罩，防水罩外覆硬质壳体，硬质壳体安装有行走轮，方便水下移动。本发明的清洗防水设备能在水下环境中，将激光器产生的脉冲激光扫描辐照于待清洗部位，使污物从金属表面脱离，清洁度达90％以上，并呈现金属亮泽，且对基体没有损伤。本发明设备防水性能优异，易操作，可应用于大规模、高质量、精准可控的水下金属表面污物的清洁作业。

权利要求

1.一种水下金属表面污物激光清洗防水设备，其特征在于，采用“光纤-参数调节模块-激光头-密闭空腔”一体化防水柔性罩体、“激光头-密闭空腔”硬质壳体、密闭空腔三个部分的复合结构；

所述水下金属表面污物激光清洗防水设备包括陆地环境下工作的激光器，其通过光纤与水下工作设备相连接；光纤外覆有防水罩；所述水下工作设备包括连接有激光头的参数调节模块，激光头前端被一层激光低损耗材料包住，形成密闭空腔，密闭空腔外覆防水罩，防水罩外覆硬质壳体；固体激光器产生的脉冲激光经空腔在附着污物的金属表面聚焦，采用水下激光清洗技术对待清洗金属表面进行连续扫描，即可获得清洁的金属表面；

其中，“光纤-参数调节模块-激光头-密闭空腔”一体化防水柔性罩体确保使激光清洗的水下部分具备优异的防水性能，满足水下应用；激光穿透“激光头-密闭空腔”硬质壳体，并实现对待清洗部位的扫描辐照，组成空腔结构、硬质壳体和防水罩的材料对激光能量无损耗，激光头发出的激光束透过密闭空腔和激光低损耗材料辐照到待清洗表面；硬质壳体增强水下环境激光清洗的可靠性；

其中，空腔结构、防水罩和硬质壳体的材料均为激光波段透明材料；所述硬质壳体安装有可同步同向360°转动的行走轮，方便水下设备在水下移动，便于水下操作过程中的激光光斑的聚焦与扫描定位；

所述水下金属表面污物激光清洗防水设备采用定焦清洗，激光自激光头射出点至行走轮接触污物层的距离为10-20cm；所述激光波长为193nm紫外光-10600nm远红外之间，所述脉冲激光的激光脉宽为10～200ns，所述脉冲激光的重复频率为5～10kHz，所述激光输出功率为500～1000W，脉冲激光的扫描速度0.5cm/s～10cm/s，激光束随行走轮作直线扫描。

2.利用权利要求1所述的水下金属表面污物激光清洗防水设备对水下金属表面污物进行激光清洗的方法，其特征在于，采用定焦清洗，激光自激光头射出点至行走轮接触污物层的距离为10-20cm。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光波长1064nm。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述脉冲激光的激光脉宽为65-70ns。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光的重复频率为6-10kHz。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光输出功率为500W。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，脉冲激光的扫描速度4cm/s，或5cm/s，或

6cm/s，激光束随行走轮作直线扫描。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金属为钛合金、铝合金、铁基合金、铜合金或镁合金。

说明书

一种水下金属表面污物激光清洗防水设备及其应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种水下激光清洗放水设备及其应用，属于激光应用技术领域和水下金属表面维修清洁技术领域。

背景技术

[0002] 随着我国海洋利益重要性的日益凸显，航母战斗群、核潜艇、深海空间站等发展迅速，成为未来海洋战略实施的主要载体，其特殊的深海服役环境对高性能水下应急抢修提出了重大需求；加之装备服役环境较为恶劣，其水下船体和零部件(舵叶、螺旋桨、声纳罩等)面临深水高压、海生物附着和海洋颗粒物撞击的危害，易出现腐蚀裂纹、表面磨蚀、生物侵蚀和防腐涂层失效等情况，因此，关键零部件的高质量水下在线维修成为海军装备维修的重要手段之一，且受到各国重视，发展迅速。而水下应急抢修和在线维修首先必须解决修复表面的高质量清洗问题，其清洗质量直接关系应急抢修的成败和在线维修的质量。

[0003] 目前采用人工打磨和机械研磨的水下清洗方式效率低下、清洗效果不佳，使用的工具种类繁多，对潜水员的技能和体能要求很高，难以满足实际应用需求，迫切需要发展更优质、高效的新型水下清洗技术。激光清洗技术是绿色、高效、优质、工艺简单、成本低、可用于结构复杂的零部件表面清洗技术。中国专利CN103100537B公开了一种水下激光清洗方法和清洗头，其是将激光经光纤引入水下，并经会聚透镜在距离被清洗材料表面产生空化泡，利用空化泡产生的冲击波实现对材料表面的清洗，但清洗效率和效果不佳，对某些附着力强的污物层，如锈蚀层，其清洗后的表面清洁度应该60％，且会导致清洗面水体浑浊，影响连续性清洗作业。中国专利CN102580952A提供的水下自动清洁保护罩包括防水壳体、保护罩透明片、超声波发生器、换能器，保护罩透明片、超声波发生器、换能器，均安装在防水壳体里，将激光清洗、水射流技术与超声波技术结合起来，但该保护罩结构过于复杂，难以满足水下复杂环境的便捷清洗。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种水下金属表面污物激光清洗防水设备及其应用。该应用高效、优质、绿色，防水性能优异，而且工艺简单、成本低、可连续大规模作业等显著特点，适用于水下金属表面的清洁清洗。

[0005] 在水环境中，对现有自然环境中使用的激光清洗系统进行水下环境应用的防水性能改进，即研制对光纤和激光头的一体化防水柔性罩体，满足激光器水下清洗的要求；将固体激光器产生的脉冲激光经空腔在附着污物的金属表面聚焦，采用水下激光清洗技术对待清洗金属表面进行连续扫描，即可获得清洁的金属表面。

[0006] 本发明的方法体现在：为了使激光清洗的水下部分具备优异的防水性能，满足水下应用的技术要求，研制对光纤和激光头的一体化防水柔性罩体；为增强水下环境激光清洗的可靠性，研制对激光头、密闭空腔及其防水罩的硬质外壳。

[0007] 具体地，本发明的水下金属表面污物激光清洗防水设备包括陆地环境下工作的激光器，其通过光纤与水下工作设备相连接；光纤外覆有防水罩；所述水下工作设备包括连接有激光头的参数调节模块，激光头前端被激光低损耗材料包住，形成密闭空腔，密闭空腔外覆防水罩，防水罩外覆硬质壳体。

[0008] 激光可穿透“激光头-密闭空腔”硬质壳体，并实现对待清洗部位的扫描辐照，由于组成空腔结构、硬质壳体和防水罩的材料均为激光波段透明材料，对激光能量无损耗。激光头发出的激光束透过密闭空腔和激光低损耗材料辐照到待清洗表面。

[0009] 优选地，所述硬质壳体安装有行走轮，方便水下设备在水下移动。

[0010] 在本发明的实施例中，所述硬质壳体两侧对称安装有行走轮，便于水下操作过程中的激光光斑扫描定位，行走轮可同步同向360°转动。

[0011] 优选地，密闭空腔实现激光束扫描清洗的定焦，并对激光头有保护作用。

[0012] 优选地，软质防水材料可为透明软质PVC等轻质透明耐折叠材料，硬质壳体材料可为有机玻璃(亚克力)等硬质透明材料，包住激光头形成密闭空腔的材料可为激光基质玻璃等激光波段低损耗材料，行动轮为可360°平面转动的微型轮式装置。

[0013] 本发明提供了上述水下金属表面污物激光清洗防水设备的应用，即如何进行水下金属表面污物的清洗方法，具体是利用该设备采用定焦清洗，激光自激光头射出点至行走轮接触污物层的距离(R)为10-20cm。

[0014] 上述方法中，所述脉冲激光波长可为193nm(紫外光)-10600nm(远红外)范围内的任意激光种类。考虑到1064nm钕-钇铝石榴石近红外激光器(简称Nd：YAG/Nd：YLF)具有能量转换效率很高、使用寿命长、具有直接调制的能力，而且体积小、重量轻、价格便宜，产生的激光线宽窄、光束质量好、相干长度长等优点，优选地，本发明使用1064nm纳秒脉冲激光扫描深海水下待维修金属表面，获得清洁的金属表面。

[0015] 所述脉冲激光的激光脉宽为10～200ns(典型调Q Nd：YAG/Nd：YLF的脉宽一般在10ns-200ns，取决于重复频率和调Q参数)。

[0016] 所述脉冲激光的重复频率为5～10kHz(纳秒脉冲激光基本都是调Q，特点是重复频率低，通常为0.5kHz～20kHz，为简化水下激光清洗过程的操作，固定重复频率为5～10kHz档)。

[0017] 所述激光输出功率为500～1000W(由于水下环境对激光光束能量存在明显损耗，为提升清洗效率，故采用的激光功率高于500W较适宜；超过1000W的激光器生产难度大、成本高、能量不易控制)。

[0018] 脉冲激光的扫描速度0.5cm/s～10cm/s(可根据清洗污物、金属种类、脉宽、扫描速度、功率等多元参数的不同而各异)，激光束随行走轮作直线扫描。

[0019] 本发明的激光清洗防水设备适用于各种金属，优选钛合金、铝合金、铁基合金、铜合金或镁合金。

[0020] 本发明解决的首要难题是激光清洗的水下实操防水改进，采用“光纤-参数调节模块-激光头-密闭空腔”一体化防水柔性罩体、“激光头-密闭空腔”硬质壳体、密闭空腔三个部分的复合结构，“激光头-密闭空腔”硬质壳体底部两侧对称安装有行走轮，便于水下操作过程中的激光光斑的聚焦与扫描定位，实现对现有激光清洗设备的水下应用改造。

[0021] 本发明的技术核心是水下脉冲激光扫描工艺参数的优化，重点是激光功率、扫描速度、重复频率、脉宽等参数的最优化协同，是获得清洁金属表面的技术关键。为提高清洗效率、清洁程度，而又不伤害金属基体，需要选择最优化的清洗参数，才能优质、高效地实现水下金属表面污物的清除。针对不同的金属基体、不同的污物及其厚度，本发明固化的水下脉冲激光扫描工艺：激光波长为1064nm，脉冲激光的重复频率为5-10kHz，激光脉宽为50～100ns，输出功率为500～1000W，激光扫描速度0.5cm/s～10cm/s，激光束随行走轮作直线扫描。

[0022] 本发明具有下列显著效果：

[0023] (1)水下激光清洗对潜水员技术要求低，简单易操作，节省潜水员体能和清洁时间，一次潜水随身携带工具少；且通过将激光器产生的脉冲激光在出现腐蚀裂纹、表面磨蚀、生物侵蚀以及防腐涂层失效等需要维修的金属表面扫描辐照，对金属基体不产生二次损伤，适用于舰船损伤的待维修部位表面预处理。

[0024] (2)脉冲激光水下清洗过程中不使用化学试剂，不产生废水废液，属于绿色清洗，适合频海在线维修和水下应急抢修。

[0025] (3)本发明方法清洗水下污物表面得到的金属表面清洁度在90％以上，清洁速率最高可达10m2/h，对被清洗材料的基体没有损伤。

[0026] 总之，本发明提出的金属表面污物水下激光清洗及其防水设备，可彻底克服激光器的水下清洗防水难题，“静默”态清洗，操作简便，可有效解决传统水下清洗技术难以获得高质量清洁表面而影响水下维修水平的瓶颈性问题。本发明为水下高质量、高效率、精准可控的金属表面污物清洗，为获得清洁金属表面提供新的防水设备与方法。

附图说明

[0027] 图1为水下金属表面污物激光清洗防水设备结构图硬质，1为防水罩，2为硬质壳体，3为密闭空腔，4为行走轮，5为陆地环境下的激光器，6为参数调节模块，7为光纤，8为激光头，9为待清洗的金属材料基体。

[0028] 图2为行走轮与硬质壳部位侧视图，1为防水罩，2为硬质壳体，3为密闭空腔，4为行走轮。

[0029] 图3为行走轮与硬质壳部位俯视图，1为防水罩，2为硬质壳体，3为密闭空腔，4为行走轮。

[0030] 图4A、图4B分别为实施例1的水下激光清洗铁基体表面锈蚀的SEM和元素能谱图。

[0031] 图5A、图5B分别为实施例2的水下清洗激光铁基体表面漆层的SEM和元素能谱图。

[0032] 图6A、图6B分别为实施例3的水下激光清洗钛合金表面氧化膜的SEM和元素能谱图。

具体实施方式

[0033] 本发明的实例将进一步说明脉冲激光水下清除金属表面的污染，以获得清洁金属表面的方法的具体实施方案，但本发明并不局限于下属实施例中。

[0034] 若未特别指明，实施例中所用的化学试剂均为常规市售试剂，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

[0035] 实施例1水下金属表面污物激光清洗防水设备的构造

[0036] 水下金属表面污物激光清洗防水设备包括陆地环境下工作的激光器，其通过光纤与水下工作设备相连接；光纤外覆有防水罩；所述水下工作设备包括连接有激光头的参数调节模块，激光头前端被激光低损耗材料包住，形成密闭空腔，密闭空腔外覆防水罩，防水罩外覆硬质壳体。

[0037] 激光可穿透“激光头-密闭空腔”硬质壳体，并实现对待清洗部位的扫描辐照，由于组成空腔结构、硬质壳体和防水罩的材料均为激光波段透明材料，对激光能量无损耗。激光头发出的激光束透过密闭空腔和激光低损耗材料辐照到待清洗表面。

[0038] 硬质壳体两侧对称安装有行走轮，方便水下设备在水下移动。便于水下操作过程中的激光光斑扫描定位，行走轮可同步同向360°转动。密闭空腔实现激光束扫描清洗的定焦，并对激光头有保护作用。

[0039] 防水罩为软质防水材料，可为透明软质PVC等轻质透明耐折叠材料，硬质壳体材料可为有机玻璃(亚克力)等硬质透明材料，包住激光头形成密闭空腔的材料可为激光基质玻璃等激光波段低损耗材料，行动轮为可360°平面转动的微型轮式装置。

[0040] 以下实施例均选用实施例1的水下金属表面污物激光清洗防水设备进行操作。

[0041] 实施例2脉冲激光水下清洗铁基体表面锈蚀

[0042] 步骤1：选择脉冲激光参数：输出功率为500W的1064nm钕-钇铝石榴石近红外激光器、脉宽70ns、重复频率为6kHz。

[0043] 步骤2：选择脉冲激光扫描参数：扫描速度为5cm/s。

[0044] 步骤3：脉冲激光清洗表面锈蚀：在水下环境，对铁基体表面锈蚀激光清洗，激光自激光头射出点至行走轮接触污物层的距离(R)为10cm，以行走轮直线扫描往复一次，即可获得清洁表面。

[0045] 图4A为本实施例清洗的铁基体表面SEM图，激光清洗的铁基体表面光滑，与未清洗区域相比，清洗区微熔池点明显；图4B为本实施例清洗的铁基体表面的元素能谱图，清洁表面为Mn/Fe/C合金，说明上述实施例清洗铁合金表面非常干净，清洁度为90％。清洁速率可达12m2/h。

[0046] 表1清洗后的表面成分分析

[0047]

[0048] 实施例3脉冲激光水下清洗铁基体表面损伤漆层

[0049] 步骤1：选择脉冲激光参数：输出功率为500W的1064nm钕-钇铝石榴石近红外激光器、脉宽65ns、重复频率为8kHz。

[0050] 步骤2：选择脉冲激光扫描参数：扫描速度为4cm/s。

[0051] 步骤3：脉冲激光清洗表面损伤漆层：在水下环境，对铁基体表面损伤漆层激光清洗，激光自激光头射出点至行走轮接触污物层的距离R为20cm以行走轮直线扫描往复两次，可获得清洁表面。

[0052] 图5A为上述实施例清洗的铁基体表面SEM图，激光清洗的铁基体表面光滑，呈现亮金属光泽，微熔池点紧密排列；图5B为上述实施例清洗的铁基体表面的元素能谱图，清洁表面为Mn/Fe/C合金，清洗铁合金表面非常干净，清洁度为100％。清洁速率可达8m2/h。

[0053] 表2清洗后的表面成分分析

[0054]

[0055] 实施例4脉冲激光水下清洗钛合金表面氧化膜

[0056] 步骤1：选择脉冲激光参数：输出功率为500W的1064nm钕-钇铝石榴石近红外激光器、脉宽85ns、重复频率为10kHz。

[0057] 步骤2：选择脉冲激光扫描参数：扫描速度为6cm/s。

[0058] 步骤3：脉冲激光清洗钛合金表面氧化膜：在水下环境，对钛合金表面氧化膜激光清洗，激光自激光头射出点至行走轮接触污物层的距离R为15cm，以行走轮直线扫描往复1次，可获得清洁表面。

[0059] 图6A为上述实施例清洗的钛合金表面SEM图，激光清洗的钛合金表面光滑，呈现亮金属光泽，表面未见明显冲击熔池点；图6B为上述实施例清洗的钛合金表面元素能谱图，清洁表面为钛合金基体，无氧化情形，清洁表面非常干净，清洁度为100％。清洁速率可达15m2/h。

[0060] 表3清洗后的表面成分分析

[0061]

[0062] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。