CN116984757A - Gil高压大电流合金套管三维激光旋切***及方法 - Google Patents
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Abstract
GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***及方法，包括用于发射高能激光束的连续光纤激光器，通过传输光纤与连续光纤激光器连接的激光动态扫描切割加工头，负载激光动态扫描切割加工头的运动机构，以及控制***。控制***用于控制所述连续光纤激光器的功率、频率、出光时间参数，以及激光动态扫描切割加工头控制激光束辐照聚焦光点扫描椭圆螺旋线形轨迹的摆动形态参数，以及运动机构的切割路径。通过上述结构，使激光能量随椭圆螺旋线形轨迹逐步深入合金套管的基材内部，提高基材对激光的能量吸收，实现高效高质量的激光切割加工，实现合金套管激光切割开孔切口平滑无渣的高质量激光切割加工。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***及方法。
背景技术
气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）管道是一种采用六氟化硫或其它气体绝缘、外壳与导体同轴布置的高电压、大电流、长距离电力传输设备，高电压通常在220kV及以上，大电流通常在5000A及以上，GIL在水电行业得到了广泛的应用，被喻为水电站电能外送的“主动脉”，在水电机组中具有举足轻重的地位。GIL管道外壳套管材料为6mm厚镁铝合金，具有固液转化快、液态流动性强、易氧化等特点，属于典型的难加工材料；而且由于GIL铝合金外壳套管特有的电气特性，在检修期间对GIL管道进行维保时往往需要人工采用定制钻头工具以圆周阵列排布打孔和人工清渣的方式在套管壳体表面开出维保孔，以保障开孔过程不会有残渣落入管道内（避免粉尘、残渣等杂物导致GIL日常运行时引发电弧击穿故障），然后拔出孔位盖板后采用清理工具和大吸力换气泵对管道内进行清理和换气处理，过滤掉当前管道内的悬浮杂质或颗粒污染物，最后通过专用工装和TIG焊接的方式将孔位盖板封焊到原位以保障管道内气密性。
然而由于GIL管道铝合金外壳套管特有的电气特性使得对焊接质量以及焊后耐压性等各方面要求较高，壳体表面开孔如果质量较差，如圆度、切口和切缝表面质量等都会影响后续孔位盖板封焊的焊接质量，因此为保证GIL铝合金外壳套管的开孔质量往往需投入更多的人力和时间进行圆周阵列排布打孔和人工清渣，难以保证检修工期。
综上，在GIL高压大电流输变线路合金外壳套管进行开孔检修时，亟需一种能高效高质量无渣切割开孔的方法，解决当前人工开孔工作量大、工序繁琐、质量一致性与可控性差、检修周期长的痛点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决上述背景技术中存在的问题，提供一种GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***，实现高效高质量的激光切割加工。
本发明要解决的另一技术问题是：提供一种采用GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***的方法，利用激光束的高能密度和聚焦性强、高精准的特点，通过设定椭圆螺旋线形轨迹方向动态控制激光束进行扫描，使得激光束辐照聚焦的焦点光斑能形成设定摆动形态和幅度的三维空间的扫描轨迹线形，让所扫描轨迹线形的三维空间区域内的激光能量聚集方式产生改变，在激光切割加工时椭圆螺旋线形轨迹摆动会改变聚焦光点负离焦量，使激光能量随扫描线形逐步深入基材内部，提高基材对激光的能量吸收，实现高效高质量的激光切割加工，保证GIL高压大电流输变线路铝合金外壳套管激光切割开孔切口平滑无渣，切缝不挂渣的高质量激光切割加工。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***，包括
连续光纤激光器，所述连续光纤激光器用于发射高能激光束；
激光动态扫描切割加工头，所述激光动态扫描切割加工头通过传输光纤与连续光纤激光器连接，用于将连续光纤激光器发射的高能激光束辐照聚焦，并能够采用椭圆螺旋线形轨迹发射激光束；
运动机构，所述运动机构负载所述激光动态扫描切割加工头；
控制***，所述控制***与连续光纤激光器、激光动态扫描切割加工头以及运动机构控制连接，用于控制所述连续光纤激光器的功率、频率、出光时间参数，以及设置所述激光动态扫描切割加工头控制激光束辐照聚焦光点扫描椭圆螺旋线形轨迹的摆动形态参数，以及设置运动机构的切割路径，并使激光动态扫描切割加工头按照切割路径进行角度、姿态、速度的调整与移动；其中，摆动形态参数包括摆动幅度、螺旋深度以及扫描速度。
还包括水冷机，所述水冷机与连续光纤激光器、激光动态扫描切割加工头分别通过冷却管路连接，用于冷却所述连续光纤激光器和激光动态扫描切割加工头。
还包括供电装置，所述供电装置与连续光纤激光器、水冷机以及控制***电性连接，用于为连续光纤激光器、水冷机以及控制***供电。
所述摆动幅度用于调整椭圆螺旋线形轨迹中椭圆长轴、短轴的尺寸参数，所述螺旋深度用于调整椭圆螺旋线形轨迹中椭圆螺旋线在三维空间深度方向的螺距和螺旋圈数参数，所述扫描速度是通过激光动态扫描切割加工头内部元器件控制激光束聚焦辐照的聚焦光点在三维空间上沿椭圆螺旋线形轨迹扫描运动速度。
采用所述的GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***的方法，用于对GIL高压大电流输变线路合金套管进行开孔，包括以下步骤：
S1. 开孔加工前确定合金套管需要开孔的位置区域及开孔的尺寸，通过运动机构编制开孔的切割路径与切割开孔的切割速度，同时调整激光动态扫描切割加工头与合金套管开孔区域表面保持切割加工姿态垂直；
S2：调节所述连续光纤激光器发射激光束，激光束依次经由所述传输光纤输送到所述激光动态扫描切割加工头辐照聚焦形成聚焦光点，同步在合金套管外表面上控制聚焦光点不间断高速扫描出椭圆螺旋线形轨迹；通过所述控制***设置所述连续光纤激光器的激光功率、频率、出光时间参数，同步设置扫描的椭圆螺旋线形轨迹的摆动形态参数；其中，聚焦光点在三维空间上沿椭圆螺旋线形轨迹摆动扫描的公式为：
；
其中聚焦光点初始位置在椭圆螺旋线中心时，a为椭圆长轴半径，b为短轴半径，p为螺距，t为螺旋圈数，Xt表示第t圈时X轴坐标点，Yt表示第t圈时Y轴坐标点，Zt表示第t圈时Z轴坐标点；
S3：按照S2步骤中设定激光功率、频率、出光时间参数发射高能激光束，激光束辐照聚焦形成的聚焦光点基于设置的摆动形态参数高速扫描形成椭圆螺旋线形轨迹，同步启动运动机构负载所述激光动态扫描切割加工头在合金套管表面沿所述切割路径进行分层切割加工；
S4：合金套管切割开孔加工完成后，检查切割开孔加工区域的切口是否平滑无渣，切缝有无挂渣和残渣，不合格则重复S2步骤调整各参数后再重复S3步骤，直至合金套管激光切割开孔的切口平滑无渣。
本发明有如下有益效果：
1、本发明通过设置聚焦光点扫描形成椭圆螺旋线形轨迹的摆动形态即可调整椭圆长轴短轴沿切割走向的扫描轨迹线形变化，设置摆动幅度即可调整椭圆长轴短轴的尺寸参数，设置螺旋深度即可调整椭圆螺旋线在三维空间深度方向的螺距和螺旋圈数参数，设置扫描速度即通过激光动态扫描切割加工头内部元器件控制激光束聚焦辐照的聚焦光点在三维空间上沿椭圆螺旋线线形扫描的轨迹运动速度。可以通过上述各参数的设置实现三维空间内不同的扫描轨迹线形，极大的扩大了高效高质量无渣激光旋切的工艺窗口，拓展了多样化的激光切割工艺应用需求。
2、本发明通过聚焦光点在目标区域的三维空间上沿椭圆螺旋线形轨迹扫描的方式让三维空间区域内的激光能量聚集方式产生改变，使激光能量随扫描线形逐步深入基材内部，提高目标区域基材对激光的能量吸收，通过不间断高速扫描出椭圆螺旋线形轨迹使得扫描轨迹区域内聚焦光点能量高频次重复叠加作用于切口上，同时随切穿深度逐步充分烧熔汽化掉切缝内扫描轨迹区域的材料，直至穿透铝合金外壳套管表面实现切口平滑和切缝区域无渣的高质量切割加工，最后再沿运动机构预设的开孔轨迹路径进行切割移动，最终实现对GIL高压大电流输变线路合金套管外壳的无渣切割开孔加工。
附图说明
图1为本发明三维激光旋切***的结构示意图。
图2为本发明切割路径的示意图。
图3为本发明椭圆螺旋线形轨迹的示意图。
图中：连续光纤激光器1，传输光纤2，激光动态扫描切割加工头3，水冷机4，运动机构5，冷却管路6，供电装置7，控制***8，合金套管9，切割路径10，椭圆螺旋线形轨迹11 。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步的说明。
实施例一：
参见图1，GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***，包括
连续光纤激光器1，所述连续光纤激光器1用于发射高能激光束；
激光动态扫描切割加工头3，所述激光动态扫描切割加工头3通过传输光纤2与连续光纤激光器1连接，用于将连续光纤激光器1发射的高能激光束辐照聚焦，并能够采用椭圆螺旋线形轨迹11发射激光束；
运动机构5，所述运动机构5负载所述激光动态扫描切割加工头3；
控制***8，所述控制***8与连续光纤激光器1、激光动态扫描切割加工头3以及运动机构5控制连接，用于控制所述连续光纤激光器1的功率、频率、出光时间参数，以及设置所述激光动态扫描切割加工头3控制激光束辐照聚焦光点扫描椭圆螺旋线形轨迹11的摆动形态参数，以及设置运动机构5的切割路径10，并使激光动态扫描切割加工头3按照切割路径10进行角度、姿态、速度的调整与移动；其中，摆动形态参数包括摆动幅度、螺旋深度以及扫描速度。通过上述结构和参数的设置，使激光能量随椭圆螺旋线形轨迹11分层循环逐步深入合金套管9的基材内部，提高基材对激光的能量吸收，实现高效高质量的激光切割加工，实现GIL高压大电流输变线路合金外壳套管激光切割开孔的切口平滑无渣的高质量激光切割加工。
具体的，运动机构5采用协作机械臂。控制***8可以是一体式，也可以是独立分别控制连续光纤激光器1和运动机构5。控制***8与连续光纤激光器1、激光动态扫描切割加工头3以及运动机构5的控制连接，可以采用电缆的电性连接，也可以常采用无线连接的方式实现。
进一步地，还包括水冷机4，水冷机4与连续光纤激光器1、激光动态扫描切割加工头3分别通过冷却管路6连接，用于冷却所述连续光纤激光器1和激光动态扫描切割加工头3。水冷机4也可以同时与控制***8控制连接，使控制***8能对连续光纤激光器1、水冷机4以及运动机构5集中控制。
还包括供电装置7，供电装置7与连续光纤激光器1、水冷机4以及控制***8电性连接，用于为连续光纤激光器1、水冷机4以及控制***8供电。当然供电装置7可以与控制***8控制连接，使控制***8能够控制连续光纤激光器1、水冷机4以及运动机构5电源的通断。
具体的，摆动形态参数用于调整椭圆螺旋线形轨迹11沿切割路径10的扫描轨迹线形变化。摆动幅度用于调整椭圆螺旋线形轨迹11中椭圆长轴、短轴的尺寸参数，螺旋深度用于调整椭圆螺旋线形轨迹11中椭圆螺旋线在三维空间深度方向的螺距和螺旋圈数参数，扫描速度是通过激光动态扫描切割加工头3内部元器件控制激光束聚焦辐照的聚焦光点在三维空间上沿椭圆螺旋线形轨迹11扫描运动速度。参见图2，平面区域上椭圆的摆动幅度决定切割路径10上切口宽度，深度方向上螺旋深度影响聚焦光点负离焦量从而决定切缝质量，扫描速度决定聚焦光点沿椭圆螺旋线形轨迹11扫描的运动速度。
实施例二：
参见图1-3，采用所述的GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***的方法，用于对GIL高压大电流输变线路合金套管进行开孔，包括以下步骤：
S1. 开孔加工前确定合金套管9需要开孔的位置区域及开孔的尺寸，通过运动机构5编制开孔的切割路径10与切割开孔的切割速度，同时调整激光动态扫描切割加工头3与合金套管9开孔区域表面保持切割加工姿态垂直。
S2：调节所述连续光纤激光器1发射激光束，激光束依次经由所述传输光纤2输送到所述激光动态扫描切割加工头3辐照聚焦形成聚焦光点，同步在合金套管9外表面上控制聚焦光点不间断高速扫描出椭圆螺旋线形轨迹11；通过所述控制***8设置所述连续光纤激光器1的激光功率、频率、出光时间参数，同步设置扫描的椭圆螺旋线形轨迹11的摆动形态参数；其中，聚焦光点在三维空间上沿椭圆螺旋线形轨迹11摆动扫描的公式为：
；
其中聚焦光点初始位置在椭圆螺旋线中心时，a为椭圆长轴半径，b为短轴半径，p为螺距，t为螺旋圈数，Xt表示第t圈时X轴坐标点，Yt表示第t圈时Y轴坐标点，Zt表示第t圈时Z轴坐标点。
S3：按照S2步骤中设定激光功率、频率、出光时间参数发射高能激光束，激光束辐照聚焦形成的聚焦光点基于设置的摆动形态参数高速扫描形成椭圆螺旋线形轨迹11，同步启动运动机构5负载所述激光动态扫描切割加工头3在合金套管9表面沿所述切割路径10进行分层切割加工。
S4：合金套管9切割开孔加工完成后，检查切割开孔加工区域的切口是否平滑无渣，切缝有无挂渣和残渣，不合格则重复S2步骤调整各参数后再重复S3步骤，直至合金套管9激光切割开孔的切口平滑无渣。
采用上述方法，利用激光束的高能密度和聚焦性强、高精准的特点，通过设定椭圆螺旋线形轨迹方向动态控制激光束进行扫描，使得激光束辐照聚焦的焦点光斑能形成具有摆动形态和幅度的三维空间扫描轨迹线形，让所扫描轨迹线形的三维空间区域内的激光能量聚集方式产生改变，使聚焦光点呈三维空间上的椭圆螺旋线形摆动，在激光切割加工时椭圆螺旋线形摆动会改变聚焦光点负离焦量，使激光能量随扫描线形逐步深入合金套管的基材内部，提高基材对激光的能量吸收。
通过聚焦光点在合金套管9外表面上不间断高速扫描出椭圆螺旋线形轨迹起到三维分层连续旋切的效果，使得扫描轨迹区域内聚焦光点能量高频次重复叠加作用于切口上，同时随切穿深度逐步充分烧熔汽化掉切缝内扫描轨迹区域的材料，直至穿透铝合金外壳套管表面实现切口平滑和切缝区域无渣的高质量切割加工，最后再沿运动机构5预设的切割路径10进行切割移动，最终实现对GIL高压大电流输变线路铝合金外壳套管的无渣开孔激光切割加工。
Claims (5)
1.GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***，其特征在于：包括
连续光纤激光器（1），所述连续光纤激光器（1）用于发射高能激光束；
激光动态扫描切割加工头（3），所述激光动态扫描切割加工头（3）通过传输光纤（2）与连续光纤激光器（1）连接，用于将连续光纤激光器（1）发射的高能激光束辐照聚焦，并能够采用椭圆螺旋线形轨迹（11）发射激光束；
运动机构（5），所述运动机构（5）负载所述激光动态扫描切割加工头（3）；
控制***（8），所述控制***（8）与连续光纤激光器（1）、激光动态扫描切割加工头（3）以及运动机构（5）控制连接，用于控制所述连续光纤激光器（1）的功率、频率、出光时间参数，以及设置所述激光动态扫描切割加工头（3）控制激光束辐照聚焦光点扫描椭圆螺旋线形轨迹（11）的摆动形态参数，以及设置运动机构（5）的切割路径（10），并使激光动态扫描切割加工头（3）按照切割路径（10）进行角度、姿态、速度的调整与移动；其中，摆动形态参数包括摆动幅度、螺旋深度以及扫描速度。
2.根据权利要求1所述的GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***，其特征在于：还包括水冷机（4），所述水冷机（4）与连续光纤激光器（1）、激光动态扫描切割加工头（3）分别通过冷却管路（6）连接，用于冷却所述连续光纤激光器（1）和激光动态扫描切割加工头（3）。
3.根据权利要求2所述的GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***，其特征在于：还包括供电装置（7），所述供电装置（7）与连续光纤激光器（1）、水冷机（4）以及控制***（8）电性连接，用于为连续光纤激光器（1）、水冷机（4）以及控制***（8）供电。
4.根据权利要求1所述的GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***，其特征在于：所述摆动幅度用于调整椭圆螺旋线形轨迹（11）中椭圆长轴、短轴的尺寸参数，所述螺旋深度用于调整椭圆螺旋线形轨迹（11）中椭圆螺旋线在三维空间深度方向的螺距和螺旋圈数参数，所述扫描速度是通过激光动态扫描切割加工头（3）内部元器件控制激光束聚焦辐照的聚焦光点在三维空间上沿椭圆螺旋线形轨迹（11）扫描运动速度。
5.采用权利要求1-4任意一项所述的GIL高压大电流合金套管三维激光旋切***的方法，用于对GIL高压大电流输变线路合金套管进行开孔，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 开孔加工前确定合金套管（9）需要开孔的位置区域及开孔的尺寸，通过运动机构（5）编制开孔的切割路径（10）与切割开孔的切割速度，同时调整激光动态扫描切割加工头（3）与合金套管（9）开孔区域表面保持切割加工姿态垂直；
S2：调节所述连续光纤激光器（1）发射激光束，激光束依次经由所述传输光纤（2）输送到所述激光动态扫描切割加工头（3）辐照聚焦形成聚焦光点，同步在合金套管（9）外表面上控制聚焦光点不间断高速扫描出椭圆螺旋线形轨迹（11）；通过所述控制***（8）设置所述连续光纤激光器（1）的激光功率、频率、出光时间参数，同步设置扫描的椭圆螺旋线形轨迹（11）的摆动形态参数；其中，聚焦光点在三维空间上沿椭圆螺旋线形轨迹（11）摆动扫描的公式为：
；
其中聚焦光点初始位置在椭圆螺旋线中心时，a为椭圆长轴半径，b为短轴半径，p为螺距，t为螺旋圈数，Xt表示第t圈时X轴坐标点，Yt表示第t圈时Y轴坐标点，Zt表示第t圈时Z轴坐标点；
S3：按照S2步骤中设定激光功率、频率、出光时间参数发射高能激光束，激光束辐照聚焦形成的聚焦光点基于设置的摆动形态参数高速扫描形成椭圆螺旋线形轨迹（11），同步启动运动机构（5）负载所述激光动态扫描切割加工头（3）在合金套管（9）表面沿所述切割路径（10）进行分层切割加工；
S4：合金套管（9）切割开孔加工完成后，检查切割开孔加工区域的切口是否平滑无渣，切缝有无挂渣和残渣，不合格则重复S2步骤调整各参数后再重复S3步骤，直至合金套管（9）激光切割开孔的切口平滑无渣。
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