專利名稱：一種水下激光清洗方法及清洗頭的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光清洗領域，尤其涉及一種適用于水下使用的激光方法及清洗頭。
背景技術：
水下清洗技術可用于水下焊接前材料表面的預處理。大大提高水下焊接的質量。水下清洗技術也可用于海洋設施的導管架樁腿和船舶等設施表面因長期侵蝕而形成的腐蝕層，提高其使用壽命，減少災難的發生。目前主要采用機械清洗和高壓水射流清洗。專利號為94101926.8的發明專利水下清洗方法和裝置公開一種高壓水的清洗方法和裝置，專利號為201120338559.7公開一種高壓水和打磨結合的清洗打磨裝置。機械清洗法效率低，高壓水射流清洗法則伴隨著對防腐層的徹底破壞，且清洗壓力高，存在安全隱患。水下激光清洗技術是一種新型的激光清洗技術，它通過控制能量強大的激光使水產生大量的空化泡，利用空化泡在材料表面的狹小區域內潰滅產生高達幾百兆帕的沖擊波，從而達到清理設施表面附著物和污垢層的目的。相對其它清洗技術，該技術不但具有高效、節能、環保、安全等優點，而且具有不傷害設施母材，極少或者完全不傷害完整防腐層的顯著優勢。由于水下激光清洗和空氣中激光清洗技術在原理上存在很大的差別，因此激光清洗頭也有區別。專利申請號為201210202175.1公開了一種光纖激光水下實時清洗表面污垢及檢測裝置，但該裝置未解決對局部位置的精細清洗，未解決因為激光沖擊材料表面產生的空化泡對外界的干擾問題。

發明內容
本發明的目的是提供一種水下激光清方法，該方法利用空化泡的沖擊波達到清洗效果。本發明的另一 目的是提供一種水下激光清洗頭，該清洗頭利用空化泡的沖擊波達到清洗效果。本發明的技術方案是:.一種水下激光清洗方法，激光經光纖引入水下，并經會聚透鏡在距離被清洗材料表面為R的距離產生空化泡，所述R為空化泡的半徑，計算公式為:R = 2.76258 + 0_(ΜΓ254 * ￡ -4_54689 7 *E7.f 3J50764—,其中萬為激光能量，其中 R〈9mm。—種水下激光清洗頭，包括光纖、密閉空腔、會聚透鏡、可調節桿和滑輪，所述光纖一端與激光器連接，另一端接入密閉空腔入光口，密閉空腔內設有會聚透鏡，會聚透鏡與激光入射方向垂直，所述密閉空腔出光口設有透光鏡，所述會聚透鏡的焦距f大于會聚透鏡到出光口的距離，所述密閉空腔外部安裝有空調節桿，所述調節桿的末端安裝有滑輪。所示調節桿隨激光能量進行長度調節，使d=f + R，且R = 2.7625E + 0.00254 *E 4J54689 7 *E7 +3^0764 11*^ ,其中:d 為會聚透鏡到被清洗材
料表面的距離，f為會聚透鏡的焦距，R為空化泡的最大半徑，萬為激光能量。所示調節桿確保激光頭的密閉空腔出光口與被清洗材料表面垂直。所述滑輪5個數為大于3的偶數。
本發明的有益效果:利用水下激光產生的空化現象清洗材料表面，為確保材料清洗效果，使空化泡的最大半徑R等于激光會聚點與被清洗材料表面的距離。同時利用密閉空腔、會聚透鏡、可調節桿和滑輪的結構，確保了既可以在被清洗表面的運動自由，也確保了激光與被清洗表面的垂直和距離，實現了綠色環保的水下激光清洗。


圖1激光頭示意 圖2距離d計算示意 圖3激光能量與空化泡半徑間的關系 圖4清洗效果 其中，I光纖，2密閉空腔3會聚透鏡4可調節桿5滑輪6被清洗材料。
具體實施例方式水下激光清洗技術主要利用空化泡在材料表面潰滅產生的沖擊波，這種沖擊波高達幾百兆帕，足以清理材料表面附著物和污垢層。為了產生這種沖擊波，必須保證空化泡的演化不受到外界的干擾，因此材料表面和透鏡聚焦點之間必須保證大于空化泡的半徑，同時也不能過大，過大的距離導致沖擊波的能量傳輸距離增大，清洗效率降低，經實驗發現空化泡的半徑R的取值應為R〈9mm。圖3是激光能量與空化泡半徑間的關系圖，圖中的曲線反映了隨著激光能量的增加，空化泡半徑R成一定關系的增加，經計算擬合得出，由實驗數據擬合得到公式R = 2.76258 + 0.0025 4*E 434689 7 *E7 + 3^50764~*1 ,其中萬為激光能量(mj)，R 為空化泡最大半徑(mm)。為有效提升空化泡產生的沖擊波的清洗效果，可以調整激光會聚焦點在被清洗材料6表面的位置，即空化泡產生的位置。經試驗發現空化泡的最大半徑R等于激光會聚焦點距離被清洗材料6表面的距離時，清洗效果最明顯。圖1是利用激光沖擊產生空化泡清洗材料表面的激光清洗頭，包括光纖1、密閉空腔2、會聚透鏡3、可調節桿4和滑輪5，所述光纖I 一端與激光器連接，另一端接入密閉空腔2入光口，密閉空腔2內設有會聚透鏡3，會聚透鏡3與激光入射方向垂直，所述密閉空腔2出光口設有透光鏡，所述會聚透鏡3的焦距f大于會聚透鏡3到出光口的距離，所述密閉空腔2外部安裝有空調節桿4，所述調節桿4的末端到會聚透鏡3的距離d大于會聚透鏡3的焦距f。可調節桿4可以根據激光能量調節長度，可調節桿4末端裝有滑輪5。其中滑輪5可以直接作用到被清洗材料6表面，自由在材料表面滑動，帶動激光頭的清洗。如圖2所示，當滑輪5接觸材料表面時，使會聚透鏡距離被清洗材料6表面的距離d = f + R，保證空化泡的演化不受阻礙，其中d為會聚透鏡3到被清洗材料6表面的距離(mm)，f為會聚透鏡的焦距(mm), R為空化泡的最大半徑(mm)。可調節桿4不僅可以根據激光能力調制長度，而且也確保了激光頭和被清洗材料6表面垂直，此時產生的空化泡能量最大，產生沖擊波最大，效率最高。其中滑輪5的個數是偶數，可以是4個或6個等，以確保使可調節桿4垂直于被清洗材料6表面，這樣不管往哪個方向都移動都保證垂直。實施例將用砂紙打磨后再次銹蝕的船用鋼材料放置在水中。采用1064nm的光纖激光器，激光能量為500mJ，采用254mm焦距的透鏡將激光能量會聚于水中，材料表面據透鏡的距離為258mm。清洗效果如圖4所示，在顯微鏡下觀察的SM圖片。右邊部分為鋼鐵腐蝕層，左邊部分為水下激光清洗后的效果，采用砂紙打磨產生的表面痕跡清晰顯示出來。
權利要求
1.一種水下激光清洗方法，其特征在于，激光經光纖引入水下，并經會聚透鏡在距離被清洗材料表面為R的距離產生空化泡，所述R為空化泡的半徑，計算公式為:R = 276258 + 0.00254-4.54689 7 *E7 +3Jff764 11 ,其中萬為激光能量。
2.根據權利要求1所述的一種水下激光清洗方法，其特征在于，所述R〈9mm。
3.一種水下激光清洗頭，包括光纖(I)、密閉空腔(2)、會聚透鏡(3)、可調節桿(4)和滑輪(5)，其特征在于，所述光纖(I) 一端與激光器連接，另一端接入密閉空腔(2)入光口，密閉空腔(2)內設有會聚透鏡(3)，會聚透鏡(3)與激光入射方向垂直，所述密閉空腔(2)出光口設有透光鏡，所述會聚透鏡(3)的焦距f大于會聚透鏡(3)到出光口的距離，所述密閉空腔(2 )外部安裝有可調節桿(4 )，所述可調節桿(4 )的末端安裝有滑輪(5 )。
4.根據權利要求3所述的一種水下激光清洗頭，其特征在于，所示調節桿(4)隨激光能量進行長度調節，使 d=f + R,且R = 2 76258 + 0 C 254*￡ -4^54689 7 *E7 + 3^50764-11，其中:d為會聚透鏡(3)到被清洗材料(6)表面的距離，f為會聚透鏡的焦距，R為空化泡的最大半徑，A為激光能量。
5.根據權利要求3所述的一種水下激光清洗頭，其特征在于，所示可調節桿(4)確保激光頭的密閉空腔(2)出光口與被清洗材料表面垂直。
6.根據權利要求3所述的一種水下激光清洗頭，其特征在于，所述滑輪(5)的個數為大于3 的偶數。
全文摘要
本發明公開一種水下激光清洗方法和清洗頭，所述清洗方法是將激光經光纖引入水下，并經會聚透鏡在距離被清洗材料表面為R的距離產生空化泡，所述R為空化泡的半徑，所述清洗頭包括光纖(1)、密閉空腔(2)、會聚透鏡(3)、可調節桿(4)和滑輪(5)，所述清洗方法和清洗頭，利用空化泡產生的沖擊波實現了對材料表面的清洗，具有高效、環保、不傷害母材等優點。
文檔編號B08B7/00GK103100537SQ20121056713
公開日2013年5月15日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者佟艷群, 沈全, 申豐, 殷未慶, 張羅, 王浩 申請人:江蘇大學