一種實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的裝置和方法，用于實(shí)現(xiàn)激光對(duì)工件表面的高空化強(qiáng)化效率，提高工件材料的性能的場(chǎng)合。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)激光在液體中聚焦，液體介質(zhì)便會(huì)被擊穿，同時(shí)在擊穿區(qū)域形成等離子腔體，等離子體繼續(xù)吸收激光的能量，便會(huì)迅速膨脹，形成空泡。隨著聚焦區(qū)的壓力極具上升，空泡便會(huì)膨脹?？张菔且环N復(fù)雜的液體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，其潰滅時(shí)會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的高壓，同時(shí)伴隨著速度達(dá)到100m/S的微射流。
[0003]早在1897年，S.W.Barnaby&C.A.Parsons就提出了 “空化”概念，并指出在液體和物體間存在高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合可能出現(xiàn)空化。1917年，Rayleigh就針對(duì)空化問(wèn)題提出了球?qū)ΨQ(chēng)空泡運(yùn)動(dòng)方程，該方程可以計(jì)算出空泡潰滅時(shí)周?chē)鲌?chǎng)內(nèi)壓強(qiáng)的瞬態(tài)分布以及泡徑隨時(shí)間的變化規(guī)律。而空化現(xiàn)象以及對(duì)于如何合理的將空化現(xiàn)象應(yīng)用于生產(chǎn)加工一直都是科研工作者研宄的熱點(diǎn)之一。
[0004]在實(shí)驗(yàn)研宄中，空泡有兩種產(chǎn)生方法:在流動(dòng)液體中產(chǎn)生空泡；或在靜止液體中利用電火花、激光以及其它方法產(chǎn)生空泡。相比較而言，因?yàn)榧す饪张菥哂袃?yōu)良的球?qū)ΨQ(chēng)性以及易操控性，它已經(jīng)成為研宄空化現(xiàn)象重要的實(shí)驗(yàn)手段。然而在實(shí)際強(qiáng)化加工過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率并不是很理想，通過(guò)液體溫控和高度控制實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率在激光強(qiáng)化領(lǐng)域有著重大的意義，而目前關(guān)于這方面的方法和裝置的相關(guān)文獻(xiàn)和專(zhuān)利尚未檢索到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種通過(guò)利用控制激光空化實(shí)驗(yàn)中水槽里液體的溫度和高度的最優(yōu)值來(lái)實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的裝置及其方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的裝置，其特征在于，包括水槽，所述水槽底部裝有夾緊裝置以及安裝在所述夾緊裝置上的工件，在所述工件的兩側(cè)安裝溫度傳感器，所述水槽的壁面安裝有液位傳感器和電阻加熱器；所述水槽上方安裝激光空化系統(tǒng)，所述激光空化系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接，所述溫度傳感器，所述液位傳感器和所述電阻加熱器通過(guò)數(shù)據(jù)處理裝置與所述計(jì)算機(jī)連接。
[0007]上述方案中，所述激光空化系統(tǒng)包括透鏡組、全反鏡，YAG激光器和YAG激光器控制器，所述YAG激光器控制器用來(lái)控制所述YAG激光器，所述YAG激光器發(fā)出的激光束穿過(guò)所述全反鏡和透鏡組后在所述工件表面上方聚焦。
[0008]上述方案中，還包括出水管，液體箱，抽水管和液體泵，所述出水管位于所述水槽的底壁上，所述出水管與所述液體箱連通，所述液體泵與所述計(jì)算機(jī)連接，所述液體泵通過(guò)所述抽水管將所述液體箱內(nèi)的液體抽送到所述水槽內(nèi)。
[0009]上述方案中，所述溫度傳感器對(duì)稱(chēng)分布在所述工件的兩側(cè)。
[0010]本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的方法，包括如下步驟:
[0011]I)通過(guò)計(jì)算機(jī)打開(kāi)液體泵從液體箱中抽出液體，使液體漫過(guò)水槽中的工件；
[0012]2)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制液體泵，當(dāng)液體剛漫過(guò)工件表面時(shí)，計(jì)算機(jī)記錄液位傳感器的液體高度讀數(shù)，記為Hci,當(dāng)液體漫過(guò)工件后計(jì)算機(jī)關(guān)閉液體泵，計(jì)算機(jī)記錄液位傳感器讀數(shù)，記為H1，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，可獲得液體高度H = H1-H0;
[0013]3)打開(kāi)YAG激光器，通過(guò)全反鏡、透鏡組，將激光束聚焦在工件表面上方的液體中，使空化泡對(duì)工件產(chǎn)生強(qiáng)化作用；
[0014]4)取出工件，對(duì)工件進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，檢測(cè)空化強(qiáng)化效果，通過(guò)液體箱、抽水管、液體泵、水槽、出水管和液位傳感器組成的液體高度控制系統(tǒng)以及溫度傳感器、數(shù)據(jù)處理裝置、電阻加熱器組成的溫控系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)水槽中液體的高度和溫度參數(shù)，并記錄實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率最佳時(shí)的液體溫度T和高度H ；
[0015]5)通過(guò)溫控系統(tǒng)及液體高度控制系統(tǒng)將液體環(huán)境維持在最佳溫度T和高度H處，獲得工件激光高空化強(qiáng)化效率的最優(yōu)空化參數(shù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)其它工件的最優(yōu)高效率空化強(qiáng)化過(guò)程。
[0016]上述方案中，計(jì)算機(jī)對(duì)所述溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集采用對(duì)各個(gè)溫度傳感器的讀數(shù)相加后進(jìn)行求和平均。
[0017]本發(fā)明的具體優(yōu)點(diǎn)如下:(I)利用溫度傳感器和液位傳感器構(gòu)成的溫控系統(tǒng)和液體高度控制系統(tǒng)，可以精確的控制水槽中液體的參數(shù)，使激光高空化強(qiáng)化效率達(dá)到最佳，提高加工效率。(2)將上述各系統(tǒng)以及激光控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，提高了強(qiáng)化加工過(guò)程的效率、準(zhǔn)確性和連續(xù)性。(3)該裝置利用率高，可以通過(guò)液體高度控制系統(tǒng)在水槽中注入不同的液體，滿(mǎn)足一些特殊強(qiáng)化加工需求。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率裝置的示意圖
[0019]圖中:1、計(jì)算機(jī)；2、數(shù)據(jù)處理裝置；3、水槽；4、電阻加熱器；5、溫度傳感器；6、工件；7、空泡；8、夾緊裝置；9、液體箱；10、出水管；11、抽水管；12、液位傳感器；13、液體泵；14、透鏡組；15、全反鏡；16、激光束；17、YAG激光器；18、YAG激光器控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合圖1對(duì)本裝置作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0021]如圖1所示，一種實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的裝置，包括1、計(jì)算機(jī)；2、數(shù)據(jù)處理裝置；3、水槽；4、電阻加熱器；5、溫度傳感器；6、工件；7、空泡；8、夾緊裝置；9、液體箱；10、出水管；11、抽水管；12、液位傳感器；13、液體泵；14、透鏡組；15、全反鏡；16、激光束；17、YAG激光器；18、YAG激光器控制器。所述水槽3中裝有液體，通過(guò)抽水管11、液體泵13、出水管10、液體箱9實(shí)現(xiàn)液體高度的調(diào)節(jié)；所述水槽3中裝有夾緊裝置8以及安裝在夾緊裝置8上的工件6，在工件6兩側(cè)安裝溫度傳感器5，水槽3壁面安裝液位傳感器12測(cè)量液面高度和電阻加熱器4 ;在所述水槽3上方有一透鏡組14、全反鏡15，在水平方向有YAG激光器17，其中激光束16通過(guò)所述全反鏡15和透鏡組14在工件6表面上方聚焦，產(chǎn)生空泡7 ;計(jì)算機(jī)1、數(shù)據(jù)處理裝置2以及YAG激光器控制器18實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置中參數(shù)的反饋和控制。
[0022]實(shí)施例
[0023]在夾緊裝置上安裝工件Cu Ψ&,調(diào)節(jié)激光聚焦在Cu靶表面上側(cè)，其中脈沖Nd = YAG激光器的工藝參數(shù)為:輸出波長(zhǎng)1.06 μ m，脈寬10ns。通過(guò)液體泵13向水槽3中注水，從水槽3中純凈水漫過(guò)工件表面開(kāi)始，隨著液體高度的增加，水對(duì)激光光束能量的損耗也越來(lái)越大，首先將水槽中液體高度加到200_，然后逐步減少液體高度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)液體高度達(dá)到10mm左右時(shí)，激光空化對(duì)靶材的高效率強(qiáng)化效果最佳。保證水槽中純凈水的高度不變，從室溫開(kāi)始，一直將純凈水加熱到70°C。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)液體溫度較低時(shí)，靶材所受的強(qiáng)化效果較小，隨著液體溫度的增加，當(dāng)水溫達(dá)到40°C左右時(shí)，激光高空化強(qiáng)化效率達(dá)到最佳。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的裝置，其特征在于，包括水槽(3)，所述水槽(3)底部裝有夾緊裝置(8)以及安裝在所述夾緊裝置(8)上的工件出)，在所述工件￠)的兩側(cè)安裝溫度傳感器(5)，所述水槽(3)的壁面安裝有液位傳感器(12)和電阻加熱器(4);所述水槽(8)上方安裝激光空化系統(tǒng)，所述激光空化系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)(I)連接，所述溫度傳感器(5)，所述液位傳感器(12)和所述電阻加熱器(4)通過(guò)數(shù)據(jù)處理裝置(2)與所述計(jì)算機(jī)(I)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的裝置，其特征在于，所述激光空化系統(tǒng)包括透鏡組(14)、全反鏡(15)，YAG激光器(17)和YAG激光器控制器(18)，所述YAG激光器控制器(18)用來(lái)控制所述YAG激光器(17)，所述YAG激光器(17)發(fā)出的激光束(16)穿過(guò)所述全反鏡(15)和透鏡組(14)后在所述工件(6)表面上方聚焦。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的裝置，其特征在于，還包括出水管(10)，液體箱(9)，抽水管(11)和液體泵(13)，所述出水管(10)位于所述水槽(3)的底壁上，所述出水管(10)與所述液體箱(9)連通，所述液體泵(13)與所述計(jì)算機(jī)(I)連接，所述液體泵(13)通過(guò)所述抽水管(11)將所述液體箱(9)內(nèi)的液體抽送到所述水槽(3)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的裝置，其特征在于，所述溫度傳感器(5)對(duì)稱(chēng)分布在所述工件￠)的兩側(cè)。
5.一種實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的方法，包括如下步驟: 1)通過(guò)計(jì)算機(jī)⑴打開(kāi)液體泵(13)從液體箱(9)中抽出液體，使液體漫過(guò)水槽(3)中的工件⑶; 2)通過(guò)計(jì)算機(jī)(I)控制液體泵(13)，當(dāng)液體剛漫過(guò)工件(6)表面時(shí)，計(jì)算機(jī)(I)記錄液位傳感器(12)的液體高度讀數(shù)，記為Htl，當(dāng)液體漫過(guò)工件后計(jì)算機(jī)(I)關(guān)閉液體泵(13)，計(jì)算機(jī)記錄液位傳感器(12)讀數(shù)，記為H1，通過(guò)計(jì)算機(jī)⑴處理，可獲得液體高度H=H1-H0; 3)打開(kāi)YAG激光器(17)，通過(guò)全反鏡(15)、透鏡組(14)，將激光束(16)聚焦在工件(6)表面上方的液體中，使空化泡對(duì)工件(6)產(chǎn)生強(qiáng)化作用； 4)取出工件￠)，對(duì)工件進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，檢測(cè)空化強(qiáng)化效果，通過(guò)液體箱(9)、抽水管(11)、液體泵(13)、水槽(3)、出水管(10)和液位傳感器(12)組成的液體高度控制系統(tǒng)以及溫度傳感器(5)、數(shù)據(jù)處理裝置(2)、電阻加熱器(4)組成的溫控系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)水槽(3)中液體的高度和溫度參數(shù)，并記錄激光高效率空化強(qiáng)化最佳時(shí)的液體溫度T和高度H ； 5)通過(guò)溫控系統(tǒng)及液體高度控制系統(tǒng)將液體環(huán)境維持在最佳溫度T和高度H處，獲得工件激光高空化強(qiáng)化效率的最優(yōu)空化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其它工件的最優(yōu)高效率空化強(qiáng)化的過(guò)程。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的方法，其特征在于，計(jì)算機(jī)對(duì)所述溫度傳感器(5)的數(shù)據(jù)采集采用對(duì)各個(gè)溫度傳感器(5)的讀數(shù)相加后進(jìn)行求和平均。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)激光高空化強(qiáng)化效率的裝置和方法，包括水槽，水槽底部裝有夾緊裝置以及安裝在夾緊裝置上的工件,在工件的兩側(cè)安裝溫度傳感器,水槽的壁面安裝有液位傳感器和電阻加熱器；水槽上方安裝激光空化系統(tǒng),激光空化系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接,溫度傳感器,液位傳感器和電阻加熱器通過(guò)數(shù)據(jù)處理裝置與所述計(jì)算機(jī)連接。利用計(jì)算機(jī)控制電阻加熱器將液體進(jìn)行加熱，改變液體的物理特性以及通過(guò)調(diào)節(jié)液體泵的排量控制水槽中液體的高度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料表面性能高效率空化強(qiáng)化。本發(fā)明通過(guò)液體溫度和高度這兩個(gè)參量的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料的高效率空化強(qiáng)化。
【IPC分類(lèi)】B23K26-352
【公開(kāi)號(hào)】CN104741792
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510145669
【發(fā)明人】任旭東, 何浩, 袁壽其, 佟艷群, 吳坤, 盧加興, 左成亞, 王德順, 周睿, 王杰
【申請(qǐng)人】江蘇大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2015年3月30日