一种水下激光水流复合清洗系统及方法

本发明涉及激光清洁设备技术领域，具体而言，涉及一种水下激光水流复合清洗系统及方法。

背景技术：

随着人类在海洋方面的发展，舰船和海洋平台等水下装备在长期的服役过程中，容易被海洋微生物附着表面，海洋中的盐会在材料表面发生电化学反应，致使表面发生破坏，极大地影响所述装备的服役年限及应用。现有技术中，经常采用机械人工打磨方法去除污染物，清洗效率低下、清洗效果不佳，且对清洗人员技术要求较高。随着清洗技术的不断发展，激光清洗技术日渐成熟，并得到了广泛的应用。但现有激光清洗设备在清洗过程中产生的污物，未能被收集而污染环境，同时清洗产生的污物将会吸收激光强度，致使清洗效果变差。

技术实现要素：

本发明解决的问题是解决水下现有激光清洗设备在清洗过程中产生的污物，未能被收集而污染环境，同时清洗产生的污物将会吸收激光强度，致使清洗效果变差中的至少一个方面。

为解决上述问题，本发明提供一种水下激光水流复合清洗系统，包括激光清洗装置和水循环过滤装置，所述激光清洗装置包括适于清洗待清洗基材的激光清洗工作头，所述激光清洗工作头的内部包括适于激光发射的第一腔室、适于水流清洗的第二腔室以及设置于所述第一腔室和所述第二腔室之间的密封件，所述第一腔室和所述第二腔室沿激光的发射方向从上到下依次设置于所述激光清洗工作头的内部，且所述第二腔室与所述水循环过滤装置相连通适于水流的循环流通。

进一步地，所述第二腔室的内壁设有第一进水口、第一出水口和导流结构，所述第一进水口和所述第一出水口分别设置于所述激光清洗工作头宽度方向的两端，且所述第一进水口与所述水循环过滤装置的第二出水口相连通，所述第一出水口与所述水循环过滤装置的第二进水口相连通，所述导流结构适于将从所述第一进水口进入的水流从所述第一出水口导出。

进一步地，所述导流结构包括第一导流结构和第二导流结构，且所述第一导流结构和所述第二导流结构分别设置于所述第二腔室内壁宽度方向的两端，且所述第一导流结构与所述第二腔室内壁的连接处位于所述第一进水口的上方，所述第二导流结构与所述第二腔室内壁的连接处位于第一出水口的下方。

进一步地，所述第一导流结构为向下弯曲的弧形导流片，所述第二导流结构为向上弯曲的弧形导流片。

进一步地，所述第一腔室的内部设有激光发射装置，所述激光发射装置包括分别与所述第一腔室的内壁连接的激光准直器、全反射镜、振镜和聚焦透镜，所述激光准直器下方设有所述全反射镜，所述全反射镜与所述振镜相对设置，所述全反射镜和所述振镜下方设有所述聚焦透镜，所述激光适于透过所述密封件进入到所述第二腔室，并穿过所述第二腔室后对所述待清洗基材进行清洗。进一步地，所述密封件为透镜保护镜，所述透镜保护镜设置于所述聚焦透镜的下方，所述透镜保护镜的外周边缘与所述激光清洗工作头的内壁密封相连。

进一步地，还包括激光清洗控制器，所述激光清洗装置还包括与所述激光清洗工作头相连接的机器臂，所述激光清洗控制器与所述机器臂通讯连接，且所述激光清洗控制器适于控制所述机器臂的运动。

进一步地，还包括用于连接所述第一进水口和所述第二出水口的进水管和用于连接所述第二进水口和所述第一出水口的出水管，且所述进水管和/或所述出水管与所述机器臂可拆卸连接。

进一步地，所述激光清洗工作头还包括第一保护结构，所述第一保护结构设置于所述激光清洗工作头与所述待清洗基材的接触端面。

进一步地，所述激光清洗工作头还包括第二保护结构，所述第二保护结构沿所述激光清洗工作头与所述待清洗基材的接触端面的外壁向远离所述激光清洗工作头的方向延伸设置。

本发明所述的水下激光清洗装置具有水流和激光复合清洗功能，即水流冲洗和激光清洗以复合清洗的形式同时作用于待清洗基材，两种清洗方式均具有清洗效果，重点在于，导流结构的设置，使得激光清洗和水流清洗的同时水流能够带走复合清洗产生的污物，水流对污物的收集作用保证了激光到达待清洗基材表面的强度；本发明的复合清洗方式不只是简单的将两种清洗方式组合在一起，而是在此基础上，水流清洗还具有辅助激光清洗的效果，使得本发明的清洗效果比简单的两种清洗方式结合在一起的效果更佳。

本发明还提供了一种水下激光水流复合清洗方法，通过上述的水下激光水流复合清洗系统实现，包括：

步骤s1：设定所述水下激光水流复合清洗系统的激光清洗装置和水循环过滤装置的工作参数，并使得激光清洗工作头对准待清洗基材；

步骤s2：向所述水循环过滤装置内注水，保证与所述水循环过滤装置连通的第二腔室注满水后，启动所述水循环过滤装置和所述激光清洗装置，对待清洗基材进行激光水流复合清洗；

步骤s3：运行一段时间后，对激光水流复合清洗情况进行确认，如达到预期清洗效果，继续进行激光水流复合清洗，直至清洗完成；如未达到预期清洗效果，则重复步骤s1至s3，直至清洗完成；

步骤s4：依次关闭所述激光清洗装置和所述水循环过滤装置，激光水流复合清洗结束。

本发明所述的水下激光水流复合清洗方法相对于现有技术的优势与所述水下激光水流复合清洗系统相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例中水下激光水流复合清洗系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中激光清洗工作头的结构示意图；

图3为本发明实施例中第二腔室的水流结构示意图；

图4为本发明实施例中水下激光水流复合清洗方法的流程框图。

附图标记说明：

1-激光清洗工作头；2-激光清洗控制器；3-机器臂；4-进水管；5-出水管；11-第一腔室；111-激光准直器；112-全反射镜；113-振镜；114-聚焦透镜；115-透镜保护镜；12-第二腔室；13-第一进水口；14-第一出水口；15-导流结构；151-第一导流结构；152-第二导流结构；16-第一保护结构；17-第二保护结构；21-第二出水口；22-第二进水口。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，本文提供的坐标系xy中，x轴正向代表的右方，x轴的反向代表左方，y轴的正向代表上方，y轴的反向代表下方。同时，要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

如图1、图2所示，本发明实施例提供了一种水下激光水流复合清洗系统，包括激光清洗装置和水循环过滤装置，激光清洗装置还包括适于清洗待清洗基材的激光清洗工作头1，激光清洗工作头1的内部包括适于激光发射的第一腔室11、适于水流清洗的第二腔室12以及设置于第一腔室11和第二腔室12之间的密封件，第一腔室11和第二腔室12沿激光的发射方向从上到下依次设置于激光清洗工作头1的内部，且第二腔室12与水循环过滤装置相连通适于水流的循环流通。

具体如图2、图3所示第二腔室12的内壁设有第一进水口13、第一出水口14和导流结构15，第一进水口13和第一出水口14分别设置于激光清洗工作头1宽度方向的两端，且第一进水口13与水循环过滤装置的第二出水口21相连通，第一出水口14与水循环过滤装置的第二进水口22相连通，导流结构15适于将从第一进水口13进入的水流从第一出水口14导出。

其中第一腔室11为密闭的空气腔，用于设置激光发射装置，而第二腔室12为水流存储腔室，两者之间设置了密封件，用于将激光清洗工作头1分成两个腔室，一个空气腔和一个水流存储腔室，密封件具有阻隔空气和水的作用，且激光可以没有阻碍地穿过密封件到达第二腔室12。第二腔室12的内壁沿x轴方向的两端分别设置了第一进水口13、第一出水口14，且第一进水口13与水循环过滤装置的第二出水口21相连通，第一出水口14与水循环过滤装置的第二进水口22相连通。使用时，将水循环过滤装置和第二腔室12中注满水，并保证其中没有气泡，然后启动水循环过滤装置，水在水循环过滤装置的作用下，开始流动，经第二出水口21，从第一进水口13流入到第二腔室12中，在导流结构15的导流作用下，从第一进水口13流入，对待清洗基材表面进行水流冲洗，然后再从第一出水口14流出，进入第二进水口22，流入水循环过滤装置，冲洗的过程中产生的污物也会随着水流进入到水循环过滤装置。当激光清洗装置启动后，激光清洗工作头1开始工作，清洗待清洗基材，同时清洗掉的基材表面的污物会离开基材，漂浮到水中，有些污物漂浮到第二腔室12的中，这时，导流结构15就会将含有污物的水经第一出水口14和第二进水口22导入到水循环过滤装置中。水循环过滤装置将含有污物的水进行过滤后再进入到第二腔室12，循环往复，保持第二腔室12中的污物得到收集。此时激光由激光发射装置发出后穿过密封件，沿y轴反向继续穿过注满流动水的第二腔室12，到达待清洗基材的表面，进行激光清洗，水循环过滤装置保证了第二腔室12内污物得到及时的收集和清理，使得激光经过第二腔室12时，降低了污物对激光到达基材表面的强度的影响。

本发明实施例中的水下激光清洗装置具有水流和激光复合清洗功能，即水流冲洗和激光清洗以复合清洗的形式同时作用于待清洗基材，两种清洗方式均具有清洗效果，重点在于，导流结构的设置，使得激光清洗和水流清洗的同时水流能够带走复合清洗产生的污物，水流对污物的收集作用保证了激光到达待清洗基材表面的强度；本发明的复合清洗方式不只是简单的将两种清洗方式组合在一起，而是在此基础上，水流清洗还具有辅助激光清洗的效果，使得本发明的清洗效果比简单的两种清洗方式结合在一起的效果更佳。

优选地，导流结构15包括第一导流结构151和第二导流结构152，且第一导流结构151和第二导流结构152分别设置于第二腔室12内壁宽度方向的两端，且第一导流结构151与第二腔室12内壁的连接处位于所述第一进水口13的上方，第二导流结构152与第二腔室12内壁的连接处位于第一出水口14的下方。

如图2、图3所示，导流结构15包括第一导流结构151和第二导流结构152，且第一导流结构151和第二导流结构152分别设置于第二腔室12内壁沿x轴方向的两端，其中第一导流结构151与第二腔室12内壁的连接处位于第一进水口13的上方，将从第一进水口13进入的水流导向待清洗基材方向，实现水流清洗基材表面的作用，而第二导流结构152与第二腔室12内壁的连接处位于第一出水口14的下方，用于将基材表面以及第二腔室12中的含有污物的水导入到第一出水口14，再经过水循环过滤装置过滤含有污物的水，将污物收集起来，并使得水得到循环利用。

该发明实施例中的导流结构15对水流起到了导流的作用，实现了水流清洗基材的效果，并且和激光清洗装置共同作用待清洗基材，实现了水流和激光复合清洗的效果，清洗的更加完全。同时水流带走了清洗过程中产生的污物，对水环境起到了清洁过滤，减少环境污染的作用，并且保持第二腔室12中污物得到有效收集，避免激光受到污物影响，减弱到达基材表面的强度。

优选地，第一导流结构151为向下弯曲的弧形导流片，第二导流结构152为向上弯曲的弧形导流片。

如图3所示，其中箭头的方向表示水流动的方向，作为以上实施例的进一步优选，具体地，第一导流结构和第二导流结构为硬质材料的弧形导流片，其中第一导流结构为向下弯曲的弧形导流片，对第一进水口13进入的水的流动方向进行导流，使水流向待清洗基材的表面，对基材进行水流清洗；第二导流结构为向上弯曲的弧形导流片，将基材与第二腔室12之间的水流导入第一出水口14，然后进入水循环过滤装置中进行过滤。第一导流结构和第二导流结构的弧形结构，能够在影响水流方向的同时，减少对水流速度的影响，更能有效地冲洗基材，保证清洗基材的水流强度，使得水流清洗的效果更加彻底。

优选地，第一腔室11的内部设有激光发射装置，激光发射装置包括分别与第一腔室11的内壁连接的激光准直器111、全反射镜112、振镜113和聚焦透镜114，激光准直器111下方设有全反射镜112，全反射镜112与振镜113相对设置，全反射镜112和振镜113下方设有聚焦透镜114。激光透过密封件进入到第二腔室12，并穿过第二腔室12后对待清洗基材进行清洗。

如图2所示，在以上实施例的基础上，激光清洗工作头1中的第一腔室11为密封的空气腔室，在第一腔室11的内部设置激光发射装置，激光发射装置包括分别与第一腔室11的内壁连接的激光准直器111，激光准直器111下方设有全反射镜112，全反射镜112与振镜113相对设置，在一个具体的优选的实施例中，可以将全反射镜112和振镜113的重心设置在沿x轴方向同一水平面上，这样能有效的节省第一腔室11的空间，使得光学元件的排布更加合理，并且稳定性好，也更美观。全反射镜112和振镜113下方设有聚焦透镜114。当启动激光清洗装置时，激光会经过激光准直器111到达下方的全反射镜112，经全反射镜112反射，改变激光的方向，到达振镜113，振镜113连接有振镜电机，带动振镜113运动，使激光最后到达聚焦透镜114，此时激光经聚焦透镜114，沿y轴反向穿过密封件，进入并穿过注满流动水的第二腔室12，继续沿y轴反向到达待清洗基材的表面，进行激光清洗，水循环过滤装置保证了第二腔室12内污物得到及时的收集和清理，使得激光经过第二腔室12时，降低了污物对激光到达基材表面的强度的影响。

优选地，密封件为透镜保护镜115，透镜保护镜115设置于聚焦透镜114的下方，透镜保护镜115的外周边缘与激光清洗工作头1的内壁密封相连。

如图2所示，透镜保护镜115设置于聚焦透镜114的下方，透镜保护镜115的外周边缘与激光清洗工作头1的内壁密封连接，将激光清洗工作头1分成两个腔室，有效地阻隔第二腔室12的水流入第一腔室11，同时具有很好气密性，使第一腔室11中的气体能够有效封闭。透镜保护镜115能够有效地使激光透过，保证激光强度不受影响，同时在激光清洗基材表面时，若发生激光反射的现象，可以用来阻挡激光对第一腔室11中的光学元件的伤害，起到保护激光发射装置的作用。

优选地，水下激光水流复合清洗系统还包括激光清洗控制器2，激光清洗装置还包括与激光清洗工作头1相连接的机器臂3，激光清洗控制器2与机器臂通讯连接，且激光清洗控制器2适于控制机器臂3的运动。

如图1所示，激光清洗装置中包括机械臂3，机械臂3与激光清洗工作头1相连接，激光清洗控制器2与机械臂3通讯连接，负责将控制信号传输到机械臂3，控制机械臂3带动激光清洗工作头1在待清洗基材表面进行清洗运动，实现机械化智能化的清洗方式，较人工清洗节约了成本，清洗精度更高，并适用于人工操作难以接触的位置，降低了人员的危险，更加安全智能。

优选地，水循环过滤装置还包括连接第一进水口13和第二出水口21的进水管4和连接第二进水口22和第一出水口14的出水管5，且进水管4和出水管5可分别或同时与机器臂3可拆卸连接。

如图1所示，进水管4和出水管5分别从水循环过滤装置的过滤器中引出，与机械臂3连接，最后分别与激光清洗工作头1上的第一进水口13和第一出水口14相连通。本实施例中，较佳地，进水管4和出水管5为柔性管，优选地，可为树脂管路，具体地，可为聚乙烯管或者聚氯乙烯管。

本实施例中，进水管4和出水管5可分别或同时与机器臂3可拆卸连接，包括，在机械臂3上设置凹槽，用于嵌入进水管4和出水管5，实现与机械臂3的可拆卸连接；还包括，将进水管4和出水管5直接捆绑固定在机械臂3上的方式，以上方式均可以防止水下激光水流复合清洗系统在清洗过程中，机械臂3运动容易与进水管4和出水管5发生缠绕现象，影响机械臂3运动和水管中水流流量的大小。

作为以上实施例的进一步扩展，可在水下激光水流复合清洗系统的入水结构表面涂覆一层环氧树脂，起到防水防腐蚀的保护作用。入水结构包括接触水的部分机械臂3、激光清洗工作头1的外壁及第二腔室12等结构。

优选地，激光清洗工作头1还包括第一保护结构16，第一保护结构16设置于激光清洗工作头1与待清洗基材的接触端面。

如图2所示，第一保护结构16设置于激光清洗工作头1与待清洗基材的接触端面，具有防撞和保护的作用，较佳地，第一保护结构16为橡胶圈，包裹激光清洗工作的与待清洗基材的接触端，可有效防止基材表面不平整时产生碰撞、剐蹭等对激光清洗工作头1造成的损伤，同时减少振动对第一腔体内部的精密光学元件的影响。

如图2所示，在以上实施例的基础上，激光清洗工作头1还包括第二保护结构17，第二保护结构17沿激光清洗工作头1与待清洗基材的接触端面的外壁向远离激光清洗工作头1的方向延伸设置。

在一些具体的实施例中，第二保护结构17可设置在第一保护结构16的外侧，具体为弧形片，用于在水下清洗过程中，保证不受到海洋中的微生物、海藻及鱼类等外环境干扰物的影响而设置。本实施例中不对材质进行限定，凡是具有隔档干扰物的材质都可以加以运用，例如橡胶、塑料等。

本发明的水下激光水流复合清洗系统，由于能够实现水流与激光复合清洗，同时导流结构15的设置，使得在激光清洗和水流清洗的同时用水流带走复合清洗产生的污物，起到收集污物的作用，水流对污物的收集作用保证激光到达待清洗基材表面的强度，具有现有技术中单方面清洗没有的清洗优势，并能对环境加以保护，减少不必要的污染。

如图4所示，本发明的另一实施例还提供了一种水下激光水流复合清洗方法，通过上述的水下激光水流复合清洗系统实现，包括：

步骤s1：设定水下激光水流复合清洗系统的激光清洗装置和水循环过滤装置的工作参数，并使得激光清洗工作头1对准待清洗基材；

步骤s2：向水循环过滤装置内注水，保证与水循环过滤装置连通的第二腔室12注满水后，启动水循环过滤装置和激光清洗装置，对待清洗基材进行激光水流复合清洗；

步骤s3：运行一段时间后，对激光水流复合清洗情况进行确认，如达到预期清洗效果，继续进行激光水流复合清洗，直至清洗完成；如未达到预期清洗效果，则重复步骤s1至s3，直至清洗完成；

步骤s4：依次关闭激光清洗装置和水循环过滤装置，激光水流复合清洗结束。

本实施例中，激光清洗装置和水循环过滤装置的工作参数可根据待清洗基材的种类以及表面的污物进行设定，还包括待清洗基材的结构形状设定相关工作参数。在步骤s2中，向水循环过滤装置内注水，保证与水循环过滤装置连通的第二腔室12注满水，并且要关注是否有气泡产生，由于气泡可以影响激光的传输方向的作用，同时可能发生反射激光对光学元件产生影响，所以应杜绝水循环过滤装置和第二腔室12中的气泡的存在。

下面以一个具体实施例进行说明。

本实施例中提供了一种水下激光水流复合清洗方法，其中待清洗基材为针对海洋中常用的钛合金，包括以下步骤：

步骤s1：针对钛合金的材料和结构设定激光清洗装置和水循环过滤装置的工作参数，包括激光清洗装置中激光的强度参数，还有机械臂3的运行参数，以及水循环过滤装置中水流的压力或水流流速参数，并使得激光清洗工作头1对准钛合金表面，需要说明的是，具体的激光清洗装置和水循环过滤装置的工作参数可以根据实际情况进行调整；

步骤s2：向水循环过滤装置内注水，保证与水循环过滤装置连通的第二腔室12注满水后，优先启动水循环过滤装置，检查是否存有气泡，如果存有气泡，将气泡排出，或暂停水循环过滤装置重新注水，保证没有气泡后，重新启动水循环过滤装置，然后启动激光清洗装置，则对钛合金基材进行激光和水流复合清洗；

步骤s3：运行一段时间后，对钛合金的激光水流复合清洗情况进行确认，具体为前期通过宏观实验现象与实验结果微观分析进行比对，进一步确定对照现象关系，将合格的宏观现象作为参照，进而通过肉眼进行观察确认清洗情况是否达到合格标准；如达到预期清洗效果，继续进行激光水流复合清洗，直至清洗完成；如未达到预期清洗效果，则重复步骤s1至s3，直至清洗完成；

步骤s4：依次关闭激光清洗装置和水循环过滤装置，可在关闭激光清洗装置后，继续运行水循环过滤装置，对水中漂浮的污物进行进一步收集处理，待水中的污物尽最大可能地收集完成后，再关闭水循环过滤装置，结束本次对钛合金基材的清洗工作。

本实施例提供的水下激光水流复合清洗方法，由于能够实现水流与激光复合清洗，同时导流结构15的设置，使得在激光清洗和水流清洗的同时用水流带走复合清洗产生的污物，起到收集污物的作用，水流对污物的收集作用保证激光到达待清洗基材表面的强度，具有现有技术中单方面清洗没有的清洗优势，并能对环境加以保护，减少不必要的污染。

本发明中列举的待清洗基材为钛合金，也可以是其他材料的待清洗基材，具体材料不做限定，凡是可用于激光和水流复合清洗的基材都可以适用。

本发明中的水下激光水流复合清洗装置及方法不但可以用来清洗有机的污染物，也可以用来清洗无机物，包括金属的锈蚀、金属微粒、灰尘等，激光清洗属于无接触清洗，并且清洗的精度高，安全，不损伤被清洗物，还可以长时间重复利用，极大地节约了成本。

本发明的水下激光清洗装置具有水流和激光复合清洗功能，即水流冲洗和激光清洗以复合清洗的形式同时作用于待清洗基材，两种清洗方式均具有清洗效果，重点在于，导流结构的设置，使得激光清洗和水流清洗的同时水流能够带走复合清洗产生的污物，水流对污物的收集作用保证了激光到达待清洗基材表面的强度；本发明的复合清洗方式不只是简单的将两种清洗方式组合在一起，而是在此基础上，水流清洗还具有辅助激光清洗的效果，使得本发明的清洗效果比简单的两种清洗方式结合在一起的效果更佳。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。