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1、(10)申请公布号 CN 103008889 A (43)申请公布日 2013.04.03 C N 1 0 3 0 0 8 8 8 9 A *CN103008889A* (21)申请号 201210536238.7 (22)申请日 2012.12.13 B23K 26/36(2006.01) B23K 26/14(2006.01) B23K 26/08(2006.01) (71)申请人江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301号 (72)发明人张永康 张署光 张朝阳 张满奎 张磊 (74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人楼高潮 (54) 发明名。
2、称 一种基于激光毛化技术的激光除锈装置和方 法 (57) 摘要 本发明涉及一种基于激光毛化技术的激光除 锈装置和方法，包括激光器、保护气体瓶、除锈头、 气体吸附装置和机器转臂，除锈头内设有激光通 道，除锈头由除锈头本体和除锈喷嘴组成，除锈喷 嘴上设有气体吸附通道和气体吸附管接口，气体 吸附通道与气体吸附管接口贯通；除锈头本体上 设有传输光纤接口、聚焦透镜和保护气体管接口， 保护气体管接口与激光通道贯通；激光器通过传 输光纤与传输光纤接口连接，保护气体瓶通过保 护气体管与保护气体管接口连接，气体吸附装置 通过气体吸附管与气体吸附管接口连接，除锈头 整体安装在机器转臂上，实现上下左右多个角度 运动。
3、；利用该装置的除锈方法得到的材料表面就 比单独激光除锈之后涂防护漆，有更好的防止生 锈的效果。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图8页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 8 页 1/2页 2 1.一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：包括激光器（1）、保护气体瓶 （2）、除锈头（6）、气体吸附装置（4）和机器转臂（9），所述除锈头（6）内设有激光通道（62）， 所述除锈头（6）由除锈头本体和连接在所述除锈头本体上的除锈喷嘴组成，所述除锈喷嘴 上设有位于所述激光通道外侧的气体吸附通道（63）和气体。
4、吸附管接口（65），所述气体吸 附通道（63）与所述气体吸附管接口（65）贯通；所述除锈头本体上依次设有传输光纤接口 （68）、聚焦透镜（67）和保护气体管接口（61），所述保护气体管接口（61）与除锈头上的激 光通道（62）贯通；所述激光器（1）通过传输光纤（7）与所述除锈头本体上的传输光纤接口 （68）连接，所述保护气体瓶（2）通过保护气体管（8）与所述除锈头本体上的保护气体管接 口（61）连接，所述气体吸附装置（4）通过气体吸附管（5）与所述除锈喷嘴上的气体吸附管 接口（65）连接，所述除锈头整体安装在所述机器转臂（9）上，所述除锈头（6）通过所述机器 转臂（9）实现上下左右多个角度运动。
5、。 2.根据权利要求1所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：所述 聚焦透镜（67）与所述保护气体管接口（61）之间设有保护平面镜（66）。 3.根据权利要求1所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：所述 除锈喷嘴与所述除锈头本体螺纹连接。 4.根据权利要求1所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：所述 保护气体瓶（2）内的气体为氩气。 5.一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：包括激光器（1）、保护气体瓶 （2）、除锈头（6）、气体吸附装置（4）和机器转臂（9），所述除锈头（6）内设有激光通道（62）， 所述除锈头（6）由除锈头本体和连接在。
6、所述除锈头本体上的除锈喷嘴组成，所述除锈喷嘴 上设有位于所述激光通道（62）外侧的气体吸附通道（63）、保护气体管接口（61）和气体吸 附管接口（65），所述保护气体管接口（61）和所述激光通道（62）贯通，所述气体吸附管接口 （65）与所述气体吸附通道（63）贯通；所述除锈头本体上设有传输光纤接口（68）和聚焦透 镜（67）；所述激光器（1）通过传输光纤（7）与所述除锈头本体上的传输光纤接口（68）连接， 所述保护气体瓶（2）通过保护气体管（8）与所述除锈喷嘴上的保护气体管接口（61）连接， 所述气体吸附装置（4）通过气体吸附管（5）与所述除锈喷嘴上的气体吸附管接口（65）连 接，所述除锈头。
7、（6）整体安装在所述机器转臂（9）上，所述除锈头（6）通过所述机器转臂（9） 实现上下左右多个角度运动。 6.根据权利要求5所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：在所 述除锈头本体内的聚焦透镜（67）下方设有保护平面镜（66）。 7.根据权利要求5所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：所述 除锈喷嘴与所述除锈头本体螺纹连接。 8.根据权利要求5所述的一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，其特征在于：所述 保护气体瓶（2）内的气体为氩气。 9.一种利用权利要求1或2或3或4所述的一种基于激光毛化技术的激光除 锈装置的除锈方法，包括如下步骤：A：打开激光器，将所述激光。
8、器的工作频率保持在 ，输出光束功率密度保持在 ，激光光束经过传输光纤在除 锈头内由聚焦透镜会聚在待除锈部位；利用机器转臂来调整离焦量使激光光斑直径保持 在0.5mm；进行激光除锈，同时启动气体吸附装置，以空气作为吸附气体，保持吸附速度为 权 利 要 求 书CN 103008889 A 2/2页 3 ；于是激光除锈过程中产生的灰尘将通过气体吸附管集中被吸附到气体吸附 装置里； B：激光除锈结束后，关闭气体吸附装置，将所述激光器的工作频率保持在 ，输出光束功率密度保持在 ，激光光束经过传输光纤在除锈 头内由聚焦透镜会聚在待毛化部位，利用机器转臂来调整离焦量使激光光斑直径保持在 0.1mm；打开保护。
9、气体瓶，将氩气通过保护气体管以的流速送入激光除锈头 内，进行激光毛化。 10.一种利用权利要求5或6或7或8所述的一种基于激光毛化技术的激光除 锈装置的除锈方法，包括如下步骤：A：打开激光器，将所述激光器的工作频率保持在 ，输出光束功率密度保持在 ，激光光束经过传输光纤在除 锈头内由聚焦透镜会聚在待除锈部位；利用机器转臂来调整离焦量使激光光斑直径保持 在0.5mm；进行激光除锈，同时启动气体吸附装置，以空气作为吸附气体，保持吸附速度为 ；激光除锈过程中产生的灰尘将通过气体吸附管集中被吸附到气体吸附装置 里； B：激光除锈结束后，关闭气体吸附装置，将所述激光器的工作频率保持在 ，输出光束功率密度。
10、保持在 ，激光光束经过传输光纤在除锈 头内由聚焦透镜会聚在待毛化部位，利用机器转臂来调整离焦量使激光光斑直径保持在 0.1mm；打开保护气体瓶，将氩气通过保护气体管以的流速送入激光除锈头 内，进行激光毛化。 权 利 要 求 书CN 103008889 A 1/5页 4 一种基于激光毛化技术的激光除锈装置和方法 技术领域 0001 本发明涉及一种激光除锈装置和方法，特别涉及一种基于激光毛化技术的激光除 锈装置和方法，适用于海洋工程装备的除锈领域。 背景技术 0002 众所周知，近年来随着中国经济的不断增长、对能源的需求不断增加，我国对海洋 石油的开发不断重视起来。中国的海上油田开发基本上集中在近。
11、海以内，300米以上的海域 还有90% 没有开发，所以未来的海洋石油平台将会越来越多的集中在深海。所以适应深海 环境可用于海洋石油勘探和开采的海洋平台已成为深海油气开发的主要装备。随着各种新 材料的应用，钻井平台离大陆越来越远，于是在海洋结构的建造以及维修中，对海工平台的 除锈技术发展提出了迫切的要求。 0003 现代工业除锈技术主要有四类（侯玫，张传俊.现代工业中几种先进除锈方法的 对比研究J.机械研究与应用，2007（20）4：19-20）：高压水除锈法、酸洗除锈法、喷砂除 锈法、激光除锈法。高压水流除锈法需要耗费大量的水，而且水对金属表面会有锈蚀作用， 另外还会带来如何处理被污染的清洗用。
12、水问题；酸洗除锈法清洗操作过程复杂、危险，不仅 易对工件表面造成损伤，而且所产生的废液也会带来环境污染问题；喷砂除锈法，会减少工 件本身的寿命，会产生大量灰尘，不仅污染环境更重要的是严重危害了操作人员的健康。在 对环境保护日益重视的今天，由此可见以上三种方法都不适合海工平台的除锈。激光除锈 不需要使用任何有害的化学清洗剂，只会产生极少的废物 (比如，除锈时产生的一些金属 黑色粉末、灰尘等)，均可以采用吸附装置进行除去。如果和机器人或机器臂相结合，可实现 自动化无人操作。但传统方法是激光除锈之后就直接对材料进行喷漆，没有后续的进一步 操作。结果就造成材料的防锈能力不强，潮湿的海风吹拂后，没过多长。
13、时间，材料表面就又 会生锈。 发明内容 0004 本发明是为了克服传统的利用激光除锈后，材料表面经过一段时间又容易生锈的 缺陷，提供一种基于激光毛化技术的激光除锈装置和方法。 0005 本发明所采用的技术思路是在激光除锈装置中集成了激光毛化设备，在激光除锈 之后进行激光毛化，在激光毛化之后再对材料表面进行喷漆处理，可以有如下几种技术方 案：一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，包括激光器、保护气体瓶、除锈头、气体吸附装 置和机器转臂，所述除锈头内设有激光通道，所述除锈头由除锈头本体和连接在所述除锈 头本体上的除锈喷嘴组成，所述除锈喷嘴上设有位于所述激光通道外侧的气体吸附通道和 气体吸附管接口，所。
14、述气体吸附通道与所述气体吸附管接口贯通；所述除锈头本体上依次 设有传输光纤接口、聚焦透镜和保护气体管接口，所述保护气体管接口与除锈头上的激光 通道贯通；所述激光器通过传输光纤与所述除锈头本体上的传输光纤接口连接，所述保护 气体瓶通过保护气体管与所述除锈头本体上的保护气体管接口连接，所述气体吸附装置通 说 明 书CN 103008889 A 2/5页 5 过气体吸附管与所述除锈喷嘴上的气体吸附管接口连接，所述除锈头整体安装在所述机器 转臂上，所述除锈头通过所述机器转臂实现上下左右多个角度运动。 0006 更进一步的，所述除锈喷嘴与所述除锈头本体螺纹连接，这样可以实现除锈喷嘴 与除锈头本体之间的方。
15、便快速地更换。 0007 更进一步的，为保证聚焦透镜的聚焦效果，所述聚焦透镜与所述保护气体管接口 之间设有保护平面镜，用来防止喷嘴内的杂质污染聚焦透镜。 0008 一种基于激光毛化技术的激光除锈装置，包括激光器、保护气体瓶、除锈头、气体 吸附装置和机器转臂，所述除锈头内设有激光通道，所述除锈头由除锈头本体和连接在所 述除锈头本体上的除锈喷嘴组成，所述除锈喷嘴上设有位于所述激光通道外侧的气体吸附 通道、保护气体管接口和气体吸附管接口，所述保护气体管接口和所述激光通道贯通，所述 气体吸附管接口与所述气体吸附通道贯通；所述除锈头本体上设有传输光纤接口和聚焦透 镜；所述激光器通过传输光纤与所述除锈头本。
16、体上的传输光纤接口连接，所述保护气体瓶 通过保护气体管与所述除锈喷嘴上的保护气体管接口连接，所述气体吸附装置通过气体吸 附管与所述除锈喷嘴上的气体吸附管接口连接，所述除锈头整体安装在所述机器转臂上， 所述除锈头通过所述机器转臂实现上下左右多个角度运动。 0009 更进一步的，所述除锈喷嘴与所述除锈头本体螺纹连接，这样可以实现除锈喷嘴 与除锈头本体之间的方便快速地更换。 0010 更进一步的，为保证所述除锈头本体内聚焦透镜的聚焦效果，在所述除锈头本体 内的聚焦透镜下方设有保护平面镜，用来防止喷嘴内的杂质通过激光通道污染聚焦透镜。 0011 上述方案中，所述保护气体瓶内的气体为氩气。 0012 上。
17、述方案中，所述激光器的脉冲频率范围为 ，输出功率密度范围为。 0013 利用上述激光除锈装置进行激光除锈的方法，包括如下步骤：A：打开激光器，将 所述激光器的工作频率保持在，输出光束功率密度保持在 ，激光光束经过传输光纤在除锈头内由聚焦透镜会聚在待除锈部位；利用机器转臂来调整 离焦量使激光光斑直径保持在0.5mm；进行激光除锈，同时启动气体吸附装置，以空气作为 吸附气体，保持吸附速度为；于是激光除锈过程中产生的灰尘将通过气体吸 附管集中被吸附到气体吸附装置里。 0014 B：激光除锈结束后，关闭气体吸附装置，将所述激光器的工作频率保持在 ，输出光束功率密度保持在 ，激光光束经过传输光纤在除锈 。
18、头内由聚焦透镜会聚在待毛化部位，利用机器转臂来调整离焦量使激光光斑直径保持在 0.1mm；打开保护气体瓶，将氩气通过保护气体管以的流速送入激光除锈头 内，进行激光毛化。 0015 本发明的技术效果：（1）采用激光除锈，不会对环境产生污染，产生的灰尘可以用 气体吸附装置收集除去。（2）单独进行激光除锈需要一台激光器和其他设备，单独进行激 光毛化也需要一台激光器和其他设备，这样设备投入资金就会多，在空间比较紧张的海洋 平台上占用体积就会比较大；同时先除锈再毛化需要更换设备，操作就会相对复杂。而本发 明通过在激光除锈装置中集成了激光毛化设备，减少了设备投入资金，节省了海工平台的 说 明 书CN 10。
19、3008889 A 3/5页 6 空间，不需要更换设备就可以进行激光毛化，提高了工作效率。（3）采用机器转臂控制除锈 头，可以实现自动化激光除锈和毛化，也有利于保证定位精度和除锈、毛化质量。 附图说明 0016 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。 0017 图1 是本发明的结构示意图。 0018 图2 是实施例1中的除锈头内部结构示意图。 0019 图3 是实施例1中激光除锈时的除锈头内部气体吸附流向图。 0020 图4是实施例1中激光毛化时的除锈头内部保护气体流向图。 0021 图5 是实施例2中的除锈头内部结构示意图。 0022 图6是图5中A-A方向的剖视图。 0023 图7。
20、 是实施例2中激光除锈时的除锈头内部气体吸附流向图。 0024 图8是实施例2中激光毛化时的除锈头内部保护气体流向图。 0025 图中：1.激光器 2.保护气体瓶 3.海工平台 4.气体吸附装置 5.气体吸 附管 6.除锈头 7.传输光纤 8.保护气体管 9.机器转臂 61. 保护气体管接口 62. 激光通道 63. 气体吸附通道 64.待除锈（毛化）材料 65.气体吸附管接口 66.保护 平面镜 67.聚焦透镜 68. 传输光纤接口。 具体实施方式 0026 实施例1 如图1和图2所示，实现本发明的装置包括激光器1、保护气体瓶2、除锈头6、气体吸附 装置4和机器转臂9，所述除锈头6上设有激光。
21、通道62，所述除锈头6由除锈头本体和连接 在所述除锈头本体上的除锈喷嘴组成，所述除锈喷嘴与所述除锈头本体螺纹连接，这样可 以实现除锈喷嘴与除锈头本体之间的方便快速地更换；所述除锈喷嘴上设有激光通道62、 位于所述激光通道62外侧的气体吸附通道63和气体吸附管接口65组成，所述气体吸附管 接口65与所述气体吸附通道63贯通；所述除锈头本体上依次设有传输光纤接口68、聚焦 透镜67、保护平面镜66和保护气体管接口61，所述保护平面镜66位于所述聚焦透镜67和 所述保护气体管接口61之间，所述保护平面镜66用来防止喷嘴内的杂质污染聚焦透镜67； 所述保护气体管接口61与除锈头上的激光通道62贯通，所。
22、述激光器1通过传输光纤7与 所述除锈头本体上的传输光纤接口68连接，所述保护气体瓶2通过保护气体管8与所述除 锈头本体上的保护气体管接口61连接，所述气体吸附装置4通过气体吸附管5与所述除锈 喷嘴上的气体吸附管接口65连接，所述除锈头6整体安装在所述机器转臂9上，所述除锈 头6通过所述机器转臂9实现上下左右多个角度运动；上述整个发明装置全部 本发明装置采用激光器1为激光除锈提供能量来源，激光器的脉冲频率可在 之间调节，输出功率密度可在 之间调节，光斑直径可在 之间调节。整个装置安装在海洋平台3上，由海洋平台3提供电能，激光的输出配 备光束转换开关。 0027 整个装置的操作步骤分为如下两个过程。
23、。 说 明 书CN 103008889 A 4/5页 7 0028 A：打开激光器1，将所述激光器的工作频率在之间选择一个值， 则输出光束功率密度在之间 ，激光光束经过传输光纤7在除锈头内由聚 焦透镜67会聚在待除锈部位64；利用机器转臂9来调整离焦量使激光光斑直径保持在 0.5mm；进行激光除锈，同时启动气体吸附装置4，以空气作为吸附气体，保持空气流动速度 为，于是激光除锈过程中产生的灰尘将通过气体吸附管集中被吸附到气体吸 附装置4里（见图3所示）。 0029 B：激光除锈结束后，关闭气体吸附装置4，将所述激光器的工作频率在 之间选择一个值，则输出光束功率密度保持在之间 ，激光光 束经过传输。
24、光纤7在除锈头内由聚焦透镜67会聚在待毛化部位64上，利用机器转臂9来 调整离焦量使激光光斑直径保持在0.1mm；打开保护气体瓶2，将氩气通过保护气体管以 的流速送入激光除锈头内，进行激光毛化（见图4所示）。 0030 实施例2 如图1、图5所示，实现本发明的装置包括包括激光器1、保护气体瓶2、除锈头6、气体 吸附装置4和机器转臂9，所述除锈头6上设有激光通道62，所述除锈头6由除锈头本体和 连接在所述除锈头本体上的除锈喷嘴组成，所述除锈喷嘴上设有,位于所述激光通道62外 侧的气体吸附通道63、保护气体管接口61（图6所示）和气体吸附管接口65，所述保护气 体管接口61和所述激光通道62贯通，。
25、所述气体吸附管接口65与所述气体吸附通道63贯 通；所述除锈头本体上设有传输光纤接口68和聚焦透镜67；所述激光器通过传输光纤7与 所述除锈头本体上的传输光纤接口68连接，所述保护气体瓶2通过保护气体管8与所述除 锈喷嘴上的保护气体管接口61连接，所述气体吸附装置4通过气体吸附管5与所述除锈喷 嘴上的气体吸附管接口65连接，所述除锈头6整体安装在所述机器转臂9上，所述除锈头 6通过所述机器转臂9实现上下左右多个角度运动。 0031 本发明装置采用激光器1为激光除锈提供能量来源，激光器的脉冲频率可在 之间调节，输出功率密度可在 之间调节，光斑直径可在 之间调节。整个装置安装在海洋平台3上，由海洋。
26、平台3提供电能，激光的输出配 备光束转换开关。 0032 整个装置的操作步骤分为如下两个过程。 0033 A：打开激光器1，将所述激光器的工作频率在之间选择一个值， 则输出光束功率密度在之间 ，激光光束经过传输光纤7在除锈头内由聚 焦透镜67会聚在待除锈部位64；利用机器转臂9来调整离焦量使激光光斑直径保持在 0.5mm；进行激光除锈，同时启动气体吸附装置4，以空气作为吸附气体，保持空气流动速度 为，于是激光除锈过程中产生的灰尘将通过气体吸附管集中被吸附到气体吸 附装置4里（见图7所示）。 0034 B：激光除锈结束后，关闭气体吸附装置4，将所述激光器的工作频率在 之间选择一个值，则输出光束功。
27、率密度保持在之间 ，激光光 束经过传输光纤7在除锈头内由聚焦透镜67会聚在待毛化部位64上，利用机器转臂9来 调整离焦量使激光光斑直径保持在0.1mm；打开保护气体瓶2，将氩气通过保护气体管以 说 明 书CN 103008889 A 5/5页 8 的流速送入激光除锈头内，进行激光毛化（见图8所示）。 0035 本发明针对海洋平台维修所提出的一种基于激光毛化的激光除锈方法和装置有 着明显的如下优点。 0036 1. 通过在除锈头中添加氩气保护管路成功地将激光除锈、激光毛化二者进行了 集成。单独进行激光除锈需要一台激光器和其他设备，单独进行激光毛化也需要一台激光 器和其他设备，这样设备投入资金就会。
28、多；在空间比较紧张的海洋平台上占用体积就会比 较大；先除锈再毛化，需要更换设备，操作就会相对复杂。而本发明通过在激光除锈装置中 集成了激光毛化设备，减少了设备投入资金，节省了海工平台的空间，不需要更换设备就可 以进行激光毛化，提高了工作效率。 0037 2. 采用激光除锈，不会对环境产生任何污染，产生的灰尘可以用气体吸附装置收 集除去。 0038 3. 采用氩气作为保护气体可以保护材料表面在激光毛化过程不发生氧化等缺 陷。通过激光毛化形成熔池，在激光毛化后喷漆，增强了油漆的附着力，提高了防锈效果。 0039 4. 采用多条光纤传导激光光束，可以根据除锈、毛化需要对激光能量进行调节， 从而避免了。
29、不必要的能量浪费。 0040 5. 采用机器人或机器臂控制激光除锈头，可以实现自动化激光除锈、毛化，也有 利于保证定位精度和除锈、毛化质量。 说 明 书CN 103008889 A 1/8页 9 图1 说 明 书 附 图CN 103008889 A 2/8页 10 图2 说 明 书 附 图CN 103008889 A 10 3/8页 11 图3 说 明 书 附 图CN 103008889 A 11 4/8页 12 图4 说 明 书 附 图CN 103008889 A 12 5/8页 13 图5 说 明 书 附 图CN 103008889 A 13 6/8页 14 图6 说 明 书 附 图CN 103008889 A 14 7/8页 15 图7 说 明 书 附 图CN 103008889 A 15 8/8页 16 图8 说 明 书 附 图CN 103008889 A 16 。