一种实现激光高空化强化效率的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种实现激光高空化强化效率的装置和方法，用于实现激光对工件表面的高空化强化效率，提高工件材料的性能的场合。
【背景技术】
[0002]当激光在液体中聚焦，液体介质便会被击穿，同时在击穿区域形成等离子腔体，等离子体继续吸收激光的能量，便会迅速膨胀，形成空泡。随着聚焦区的压力极具上升，空泡便会膨胀。空泡是一种复杂的液体动力学现象，其溃灭时会在极短的时间内产生很强的高压，同时伴随着速度达到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，并指出在液体和物体间存在高速相对运动的场合可能出现空化。1917年，Rayleigh就针对空化问题提出了球对称空泡运动方程，该方程可以计算出空泡溃灭时周围流场内压强的瞬态分布以及泡径随时间的变化规律。而空化现象以及对于如何合理的将空化现象应用于生产加工一直都是科研工作者研宄的热点之一。
[0004]在实验研宄中，空泡有两种产生方法:在流动液体中产生空泡；或在静止液体中利用电火花、激光以及其它方法产生空泡。相比较而言，因为激光空泡具有优良的球对称性以及易操控性，它已经成为研宄空化现象重要的实验手段。然而在实际强化加工过程中，实现激光高空化强化效率并不是很理想，通过液体温控和高度控制实现激光高空化强化效率在激光强化领域有着重大的意义，而目前关于这方面的方法和装置的相关文献和专利尚未检索到。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种通过利用控制激光空化实验中水槽里液体的温度和高度的最优值来实现激光高空化强化效率的装置及其方法。
[0006]为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为:一种实现激光高空化强化效率的装置，其特征在于，包括水槽，所述水槽底部装有夹紧装置以及安装在所述夹紧装置上的工件，在所述工件的两侧安装温度传感器，所述水槽的壁面安装有液位传感器和电阻加热器；所述水槽上方安装激光空化系统，所述激光空化系统与计算机连接，所述温度传感器，所述液位传感器和所述电阻加热器通过数据处理装置与所述计算机连接。
[0007]上述方案中，所述激光空化系统包括透镜组、全反镜，YAG激光器和YAG激光器控制器，所述YAG激光器控制器用来控制所述YAG激光器，所述YAG激光器发出的激光束穿过所述全反镜和透镜组后在所述工件表面上方聚焦。
[0008]上述方案中，还包括出水管，液体箱，抽水管和液体泵，所述出水管位于所述水槽的底壁上，所述出水管与所述液体箱连通，所述液体泵与所述计算机连接，所述液体泵通过所述抽水管将所述液体箱内的液体抽送到所述水槽内。
[0009]上述方案中，所述温度传感器对称分布在所述工件的两侧。
[0010]本发明还提供了一种实现激光高空化强化效率的方法，包括如下步骤:
[0011]I)通过计算机打开液体泵从液体箱中抽出液体，使液体漫过水槽中的工件；
[0012]2)通过计算机控制液体泵，当液体刚漫过工件表面时，计算机记录液位传感器的液体高度读数，记为Hci,当液体漫过工件后计算机关闭液体泵，计算机记录液位传感器读数，记为H1，通过计算机处理，可获得液体高度H = H1-H0;
[0013]3)打开YAG激光器，通过全反镜、透镜组，将激光束聚焦在工件表面上方的液体中，使空化泡对工件产生强化作用；
[0014]4)取出工件，对工件进行残余应力分析，检测空化强化效果，通过液体箱、抽水管、液体泵、水槽、出水管和液位传感器组成的液体高度控制系统以及温度传感器、数据处理装置、电阻加热器组成的温控系统不断调节水槽中液体的高度和温度参数，并记录实现激光高空化强化效率最佳时的液体温度T和高度H ；
[0015]5)通过温控系统及液体高度控制系统将液体环境维持在最佳温度T和高度H处，获得工件激光高空化强化效率的最优空化参数。实现对其它工件的最优高效率空化强化过程。
[0016]上述方案中，计算机对所述温度传感器的数据采集采用对各个温度传感器的读数相加后进行求和平均。
[0017]本发明的具体优点如下:(I)利用温度传感器和液位传感器构成的温控系统和液体高度控制系统，可以精确的控制水槽中液体的参数，使激光高空化强化效率达到最佳，提高加工效率。(2)将上述各系统以及激光控制系统与计算机连接，通过计算机控制，提高了强化加工过程的效率、准确性和连续性。(3)该装置利用率高，可以通过液体高度控制系统在水槽中注入不同的液体，满足一些特殊强化加工需求。
【附图说明】
[0018]图1为实现激光高空化强化效率装置的示意图
[0019]图中:1、计算机；2、数据处理装置；3、水槽；4、电阻加热器；5、温度传感器；6、工件；7、空泡；8、夹紧装置；9、液体箱；10、出水管；11、抽水管；12、液位传感器；13、液体泵；14、透镜组；15、全反镜；16、激光束；17、YAG激光器；18、YAG激光器控制器。
【具体实施方式】
[0020]下面结合图1对本装置作进一步详细的说明。
[0021]如图1所示，一种实现激光高空化强化效率的装置，包括1、计算机；2、数据处理装置；3、水槽；4、电阻加热器；5、温度传感器；6、工件；7、空泡；8、夹紧装置；9、液体箱；10、出水管；11、抽水管；12、液位传感器；13、液体泵；14、透镜组；15、全反镜；16、激光束；17、YAG激光器；18、YAG激光器控制器。所述水槽3中装有液体，通过抽水管11、液体泵13、出水管10、液体箱9实现液体高度的调节；所述水槽3中装有夹紧装置8以及安装在夹紧装置8上的工件6，在工件6两侧安装温度传感器5，水槽3壁面安装液位传感器12测量液面高度和电阻加热器4 ;在所述水槽3上方有一透镜组14、全反镜15，在水平方向有YAG激光器17，其中激光束16通过所述全反镜15和透镜组14在工件6表面上方聚焦，产生空泡7 ;计算机1、数据处理装置2以及YAG激光器控制器18实现整个装置中参数的反馈和控制。
[0022]实施例
[0023]在夹紧装置上安装工件Cu Ψ&,调节激光聚焦在Cu靶表面上侧，其中脉冲Nd = YAG激光器的工艺参数为:输出波长1.06 μ m，脉宽10ns。通过液体泵13向水槽3中注水，从水槽3中纯净水漫过工件表面开始，随着液体高度的增加，水对激光光束能量的损耗也越来越大，首先将水槽中液体高度加到200_，然后逐步减少液体高度，发现当液体高度达到10mm左右时，激光空化对靶材的高效率强化效果最佳。保证水槽中纯净水的高度不变，从室温开始，一直将纯净水加热到70°C。经实验证明，当液体温度较低时，靶材所受的强化效果较小，随着液体温度的增加，当水温达到40°C左右时，激光高空化强化效率达到最佳。
【主权项】
1.一种实现激光高空化强化效率的装置，其特征在于，包括水槽(3)，所述水槽(3)底部装有夹紧装置(8)以及安装在所述夹紧装置(8)上的工件出)，在所述工件￠)的两侧安装温度传感器(5)，所述水槽(3)的壁面安装有液位传感器(12)和电阻加热器(4);所述水槽(8)上方安装激光空化系统，所述激光空化系统与计算机(I)连接，所述温度传感器(5)，所述液位传感器(12)和所述电阻加热器(4)通过数据处理装置(2)与所述计算机(I)连接。
2.根据权利要求1所述的一种实现激光高空化强化效率的装置，其特征在于，所述激光空化系统包括透镜组(14)、全反镜(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)用来控制所述YAG激光器(17)，所述YAG激光器(17)发出的激光束(16)穿过所述全反镜(15)和透镜组(14)后在所述工件(6)表面上方聚焦。
3.根据权利要求1或2所述的一种实现激光高空化强化效率的装置，其特征在于，还包括出水管(10)，液体箱(9)，抽水管(11)和液体泵(13)，所述出水管(10)位于所述水槽(3)的底壁上，所述出水管(10)与所述液体箱(9)连通，所述液体泵(13)与所述计算机(I)连接，所述液体泵(13)通过所述抽水管(11)将所述液体箱(9)内的液体抽送到所述水槽(3)内。
4.根据权利要求1或2所述的一种实现激光高空化强化效率的装置，其特征在于，所述温度传感器(5)对称分布在所述工件￠)的两侧。
5.一种实现激光高空化强化效率的方法，包括如下步骤: 1)通过计算机⑴打开液体泵(13)从液体箱(9)中抽出液体，使液体漫过水槽(3)中的工件⑶; 2)通过计算机(I)控制液体泵(13)，当液体刚漫过工件(6)表面时，计算机(I)记录液位传感器(12)的液体高度读数，记为Htl，当液体漫过工件后计算机(I)关闭液体泵(13)，计算机记录液位传感器(12)读数，记为H1，通过计算机⑴处理，可获得液体高度H=H1-H0; 3)打开YAG激光器(17)，通过全反镜(15)、透镜组(14)，将激光束(16)聚焦在工件(6)表面上方的液体中，使空化泡对工件(6)产生强化作用； 4)取出工件￠)，对工件进行残余应力分析，检测空化强化效果，通过液体箱(9)、抽水管(11)、液体泵(13)、水槽(3)、出水管(10)和液位传感器(12)组成的液体高度控制系统以及温度传感器(5)、数据处理装置(2)、电阻加热器(4)组成的温控系统不断调节水槽(3)中液体的高度和温度参数，并记录激光高效率空化强化最佳时的液体温度T和高度H ； 5)通过温控系统及液体高度控制系统将液体环境维持在最佳温度T和高度H处，获得工件激光高空化强化效率的最优空化参数，实现对其它工件的最优高效率空化强化的过程。
6.根据权利要求5所述的一种实现激光高空化强化效率的方法，其特征在于，计算机对所述温度传感器(5)的数据采集采用对各个温度传感器(5)的读数相加后进行求和平均。
【专利摘要】本发明公开了一种实现激光高空化强化效率的装置和方法，包括水槽，水槽底部装有夹紧装置以及安装在夹紧装置上的工件,在工件的两侧安装温度传感器,水槽的壁面安装有液位传感器和电阻加热器；水槽上方安装激光空化系统,激光空化系统与计算机连接,温度传感器,液位传感器和电阻加热器通过数据处理装置与所述计算机连接。利用计算机控制电阻加热器将液体进行加热，改变液体的物理特性以及通过调节液体泵的排量控制水槽中液体的高度，从而实现了对材料表面性能高效率空化强化。本发明通过液体温度和高度这两个参量的调整，实现了对材料的高效率空化强化。
【IPC分类】B23K26-352
【公开号】CN104741792
【申请号】CN201510145669
【发明人】任旭东, 何浩, 袁寿其, 佟艳群, 吴坤, 卢加兴, 左成亚, 王德顺, 周睿, 王杰
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月30日