一种利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的装置及方法与流程

1.本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的装置及方法。


背景技术：

2.当船舶航行时，水与船体表面发生摩擦而产生阻止船舶前进的摩擦阻力是很大的，其使船舶和水下航行器的航速一直难以提高。几十年来，货船、客船时速大约在24-30节水平，难以突破。鱼雷时速在40节左右，核潜艇的最高航速不超过27节，难以形成威慑力量。为此，各国学者都对船舶的减阻技术进行了大量的研究，已取得了一系列的丰硕成果。然而，由于任何一艘新的或经过清洁处理的船舶浸入到海水中，很快就会有海洋污损生物附着在船体表面，使得几乎所有减阻技术都无法在实际工程应用。同时，船体污损还会直接导致船体表面摩擦力明显增加，进水管路堵塞，航速降低，燃料消耗增大，进坞维修次数增多，船体腐蚀加重等，造成巨大的经济损失。人们迫切期望获得一种既能抗海洋污损生物附着又能减小航行阻力的船体处理技术。
3.目前常用的防污漆，存在抗海生物附着性能维持时间不长，容易脱落等问题，且都含有有毒物质：有机锡和氧化亚铜，严重的污染海洋环境，也危及人类自身安全。因此，开发一种对环境无污染且加工效率高，适用于工业化生产，同时具备减阻、耐腐蚀和抗微生物附着等功能的船体表面制备方法，是目前科研工作者亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种利用脉冲激光刻蚀降低金属船体阻力的装置和方法。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的装置，包括行走小车和激光架，所述行走小车行走于轨道表面，所述行走小车上设置直线导轨机构，所述激光架活动设置在所述直线导轨机构上，且所述激光架可沿着所述直线导轨机构移动，所述激光架上通过三维调节组件连接有激光头，且所述三维调节组件可调节激光头的空间位姿，以使得所述激光头出射的激光照射至金属构件表面，并对金属构件的表面进行来回扫描，使得金属构件的表面形成超疏水的减阻微观结构。
6.本发明的有益效果是：本实用新型的利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的装置，通过行走小车沿着轨道行走，同时所述激光架上的三维调节组件调节所述激光头，使得所述激光头对金属构件表面的待加工区域进行扫描，同时配合所述行走小车的移动，来实现对金属构件表面的刻蚀处理，并在金属构件表面形成超疏水的复合微观结构，降低船体在淡水、海水中的阻力，提升船体的行进速度，降低能耗，结构简单，操作方便，加工速度快，绿色环保无污染。
7.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
8.进一步：所述三维调节组件包括垂直位移机构、水平位移机构和旋转机构，所述垂
直位移机构活动设置在所述激光架上，并可沿着所述激光架竖向升降运动，所述水平位移机构设置在所述垂直位移机构上，且所述水平位移机构可相对于所述垂直位移机构水平移动，所述旋转机构设置在所述水平位移机构的下端，所述激光头，且所述激光头可相对于所述水平位移机构的下端周向旋转。
9.上述进一步方案的有益效果是：通过所述旋转机构可以方便驱动所述激光头周向转动，通过所述水平位移机构，可以分别带动所述垂直位移机构和所述旋转机构一同水平运动，进而带动所述激光头水平运动，通过所述垂直位移机构可以带动所述水平位移机构和旋转机构升降运动，从而带动所述激光头升降运动，实现所述激光头的三维调节，以实现对金属构件表面的刻蚀处理。
10.进一步：所述激光头还出射指示光，且所述激光头出射的指示光在金属构件表面形成的光斑与所述激光头出射的激光在所述金属构件表面形成的光斑重合。
11.上述进一步方案的有益效果是：通过所述激光头出射的指示光可以方便在加工开始前调节所述激光头的位置时起到辅助作用，方便顺利的完成调试，并精确完成金属构件表面的待加工区域的精确刻蚀处理。
12.进一步：所述激光头与金属构件表面之间的距离保持动态不变，且所述激光头出射的激光的焦点位于所述金属构件表面所在平面内。
13.上述进一步方案的有益效果是：通过所述垂直位移机构和水平位移机构带动所述激光头分别垂直和水平运动，并配合所述旋转机构驱动所述激光头转动，可以使得所述激光头与金属构件表面之间的距离保持动态不变，并与所述激光头出射的激光的焦距相等，这样，金属构件表面始终位于激光的焦平面上，提高了加工效率和激光的能量利用率。
14.本发明还提供了一种利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的方法,其采用所述的利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的装置，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
15.s1：将金属构件表面的待加工区域清洗干净并吹干；
16.s2：在直线导轨机构上调整激光架的位置，使所述激光头位于待加工区域正上方；
17.s3：调整垂直位移装置、水平位移装置和旋转机构的初始位置和姿态，使得激光头出射的激光在金属构件表面形成的光斑位于金属构件表面待加工区域内；
18.s4：开启所述激光头并出射激光，对金属构件进行扫描，以在金属构件的表面形成超疏水的减阻微观结构，同时，行走小车沿着轨道匀速移动；
19.s5：重复上述步骤s2-s4，直至完成所述金属构件表面所有待加工区域的加工。
20.本发明的利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的方法，通过调整垂直位移装置、水平位移装置和旋转机构的初始位置和姿态，以保证激光头出射的激光对准金属构件表面的待加工区域内，通过所述激光头对金属构件表面的待加工区域进行扫描，同时配合行走小车沿着轨道匀速移动，从而实现对金属构件表面的刻蚀处理，并在金属构件表面形成超疏水的复合微观结构，降低船体在淡水、海水中的阻力，提升船体的行进速度，降低能耗，工艺简单，操作方便，加工速度快，绿色环保无污染。
21.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
22.进一步：所述步骤s4中，所述激光头采用重复来回直线扫描的方式，且扫描速度为800mm/s-2000mm/s，扫描方向需保持与所述轨道的长度方向保持垂直。
23.进一步：所述行走小车沿轨道移动的线速度v为：
[0024][0025]
其中，l为所述激光头出射的激光在所述金属构件表面形成的光斑来回直线扫描长度，d为所述激光头的激光光斑直径，v为所述激光头出射的激光来回移动扫描的扫描速度。
[0026]
上述进一步方案的有益效果是：通过控制所述激光头出射的激光在金属构件表面形成的光斑沿着垂直于激光来回移动扫描方向的移动线速度，可以使得加工完成后形成超疏水的复合微观结构具备更好的降阻效果。
[0027]
进一步：所述s4还包括：
[0028]
控制所述三维调节组件动态调节所述激光头，以使得激光头与金属构件表面之间的距离与所述激光头出射激光的焦距保持相等。
[0029]
上述进一步方案的有益效果是：通过控制所述激光头与金属构件表面之间的距离保持与所述激光头出射的激光焦距相等，可以使得金属构件表面始终位于激光的焦平面上，提高了加工效率和激光的能量利用率。
[0030]
本发明还提供一种低阻金属船体，低阻金属船体表面采用所述的利用脉冲激光刻蚀降低金属船体阻力的方法制得。
附图说明
[0031]
图1为本发明一实施例利用脉冲激光降低船身水下阻力的装置的正视结构示意图；
[0032]
图2为本发明一实施例利用脉冲激光降低船身水下阻力的装置的左视结构示意图；
[0033]
图3为本发明一实施例利用脉冲激光降低推进器水下阻力的装置的右视结构示意图；
[0034]
图4为本发明一实施例利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的方法的流程示意图。
[0035]
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0036]
1、金属构件，2、万向轮，3、行走小车，4、转向机构，5、直线导轨机构，6、激光架，7、垂直位移机构，8、水平位移机构，9、旋转机构，10、激光头，11、驱动机构，12、轨道。
具体实施方式
[0037]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0038]
如图1和图2所示，以船身作为金属金属构件为例，对发明的一种利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的装置进行说明,该装置包括行走小车3和激光架6，所述行走小车3行走于轨道12表面，所述行走小车3上设置直线导轨机构5，所述激光架6活动设置在所述直线导轨机构5上，且所述激光架6可沿着所述直线导轨机构5移动，所述激光架6上通过三维调节组件连接有激光头10，且所述三维调节组件可调节激光头10的空间位姿，以使得所述激光头10出射的激光照射至金属构件1表面，并对金属构件1的表面进行来回扫描，使得金属
构件1的表面形成超疏水的减阻微观结构。
[0039]
本发明的利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的装置，通过行走小车3沿着轨道12行走，同时所述激光架6上的三维调节组件调节所述激光头10，使得所述激光头10对金属构件1表面的待加工区域进行扫描，同时配合所述行走小车3的移动，来实现对金属构件1表面的刻蚀处理，并在金属构件1表面形成超疏水的复合微观结构，降低船体在淡水、海水中的阻力，提升船体的行进速度，降低能耗，结构简单，操作方便，加工速度快，绿色环保无污染。
[0040]
本实施例中，行走小车3上设有驱动机构11、转向机构4和万向轮2，所述驱动机构11通过差速器与两个后驱动轮传动连接，并采用电机驱动的方式驱动行走小车3沿着轨道12行走，所述转向机构4用于配合行走小车3前部的所述万向轮2调整行走小车3的行走方向。
[0041]
在本发明的一个或多个实施例中，所述三维调节组件包括垂直位移机构7、水平位移机构8和旋转机构9，所述垂直位移机构7活动设置在所述激光架6上，并可沿着所述激光架6竖向升降运动，所述水平位移机构8设置在所述垂直位移机构7上，且所述水平位移机构8可相对于所述垂直位移机构7水平移动，所述旋转机构9设置在所述水平位移机构8的下端，所述激光头10活动设置在所述旋转机构9，且所述激光头10可相对于所述水平位移机构8的下端周向旋转。通过所述旋转机构9可以方便驱动所述激光头10周向转动，通过所述水平位移机构8，可以分别带动所述垂直位移机构7和所述旋转机构9一同水平运动，进而带动所述激光头10水平运动，通过所述垂直位移机构7可以带动所述水平位移机构8和旋转机构9升降运动，从而带动所述激光头10升降运动，实现所述激光头10的三维调节，以实现对金属构件1表面的刻蚀处理。
[0042]
可选地，在本发明的一个或多个实施例中，所述激光头10还出射指示光，且所述激光头10出射的指示光在金属构件1表面形成的光斑与所述激光头10出射的激光在所述金属构件1表面形成的光斑重合。通过所述激光头出射的指示光可以方便在加工开始前调节所述激光头10的位置时起到辅助作用，方便顺利的完成调试，并精确完成金属构件1表面的待加工区域的精确刻蚀处理。
[0043]
在本发明的一个或多个实施例中，所述激光头10与金属构件1表面之间的距离保持动态不变，且所述激光头10出射的激光的焦点位于所述金属构件1表面所在平面内。通过所述垂直位移机构7和水平位移机构8带动所述激光头10分别垂直和水平运动，并配合所述旋转机构9驱动所述激光头10转动，可以使得所述激光头10与金属构件1表面之间的距离保持动态不变，并与所述激光头10出射的激光的焦距相等，这样，金属构件1表面始终位于激光的焦平面上，提高了加工效率和激光的能量利用率。
[0044]
本发明的利用脉冲激光刻蚀降低金属构件阻力的装置，还可以用于其他金属构件，如图3所示，为利用本发明的装置对推进器进行加工的示意图，图中标号为1的部件为推进器，具体的使用过程与上述实施例中的船身类似，这里不再赘述。
[0045]
如图4所示，本发明还提供了一种利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的方法,其采用所述的利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的装置，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
[0046]
s1：将金属构件1表面的待加工区域清洗干净并吹干；
[0047]
s2：在直线导轨机构5上调整激光架6的位置，使所述激光头10位于待加工区域正上方；
[0048]
s3：调整垂直位移装置7、水平位移装置8和旋转机构9的初始位置和姿态，使得激光头10出射的激光在金属构件1表面形成的光斑位于金属构件1表面待加工区域内；
[0049]
s4：开启所述激光头10并出射激光，对金属构件1进行扫描，以在金属构件1的表面形成超疏水的减阻微观结构，同时，行走小车3沿着轨道12匀速移动；
[0050]
s5：重复上述步骤s2-s4，直至完成所述金属构件1表面所有待加工区域的加工。
[0051]
本发明的利用脉冲激光降低金属构件水下阻力的方法，通过调整垂直位移装置7、水平位移装置8和旋转机构9的初始位置和姿态，以保证激光头10出射的激光对准金属构件1表面的待加工区域内，通过所述激光头10对金属构件1表面的待加工区域进行扫描，同时配合行走小车3沿着轨道12匀速移动，从而实现对金属构件1表面的刻蚀处理，并在金属构件1表面形成超疏水的复合微观结构，降低船体在淡水、海水中的阻力，提升船体的行进速度，降低能耗，工艺简单，操作方便，加工速度快，绿色环保无污染。
[0052]
在本发明的一个或多个实施例中，所述步骤s4中，所述激光头10采用重复来回直线扫描的方式，且扫描速度为800mm/s-2000mm/s，扫描方向需保持与所述轨道12的长度方向保持垂直。
[0053]
在本发明的一个或多个实施例中，所述行走小车3沿轨道12移动的线速度v为：
[0054][0055]
其中，l为所述激光头10出射的激光在所述金属构件1表面形成的光斑来回直线扫描长度，d为所述激光头10的激光光斑直径，v为所述激光头10出射的激光来回移动扫描的扫描速度。
[0056]
通过控制所述激光头10出射的激光在金属构件1表面形成的光斑沿着垂直于激光来回移动扫描方向的移动线速度，可以使得加工完成后形成超疏水的复合微观结构具备更好的降阻效果。
[0057]
可选地，在本发明的一个或多个实施例中，所述s4还包括：
[0058]
控制所述三维调节组件动态调节所述激光头2，以使得激光头10与金属构件1表面之间的距离与所述激光头10出射激光的焦距保持相等。
[0059]
通过控制所述激光头10与金属构件1表面之间的距离保持与所述激光头10出射的激光焦距相等，可以使得金属构件1表面始终位于激光的焦平面上，提高了加工效率和激光的能量利用率。
[0060]
下面，以船身为例，对本发明的降低金属船体阻力的方法进行实例说明。
[0061]
本发明的实例中，待加工金属船体排水量：1.1t，吃水宽：160cm；长：320cm；深26cm，材料为5083铝合金，将船身待加工区域清洗干净后自然风干，将行走小车3安装在轨道12上。调整激光架6在直线导轨机构5的位置，使激光头10位于船身表面待加工区域一侧，并正对船身表面待加工区域，调整水平位移装置8和垂直位移装置7，使激光头10的焦点位于船身待加工区域上。
[0062]
本实施例中加工用的激光头10焦距为160mm，光斑直径为0.05mm，设置激光加工参数为扫描速度1320mm/s，重频132khz，重复来回直线扫描长度为10mm，设置行走小车3移动
速度为6.06mm/s，开启激光，与此同时，行走小车开始3开始沿轨道12移动，激光在船身表面进行面扫刻蚀，制备具有超疏水减阻效果的微观结构。
[0063]
本实施例中，实测船体航速与阻力结果如表1所示
[0064]
表1铝合金航速与阻力测试结果
[0065][0066]
按照缩比模型公式换算为排水量5000t和10000t的实船后，其速度与阻力的对应情况为：
[0067]
表2 5000t实船的航速与阻力计算结果
[0068][0069]
表3 10000t实船的航速与阻力计算结果
[0070][0071]
从实测和计算结果来看，铝合金船在速度为6km/h时，对应于10000t实船为15节，超疏水船体的减阻效果最好，可达9％左右。当船体运动速度较慢时，在船体表面的水形成滞留层，水与船体表面还未形成完全的摩擦；当船体速度较快时，船体表面的滞留层开始滑移，与船体表面形成摩擦，超疏水表面的减阻效果开始显现。可见，超疏水船体对于减小航行阻力的效果，是十分明显的。
[0072]
本发明的利用脉冲激光刻蚀降低金属构件阻力的方法，通过行走小车3与激光架6配合，可以快速高效地在金属船体表面制备具有超疏水减阻功能的特殊微观复合结构。
[0073]
本发明还提供一种低阻金属船体，低阻金属船体表面采用所述的利用脉冲激光刻蚀降低金属船体阻力的方法制得。
[0074]
本发明的利用脉冲激光刻蚀降低金属船体阻力的方法制得的金属构件有如下优点:
[0075]
(1)本发明采用的激光制备方法工艺简单；
[0076]
(2)采用本发明处理后得到金属构件相较于未处理的金属构件在航行使会有更小的阻力。
[0077]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。