CN102735602A

CN102735602A - 恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装置

Info

Publication number: CN102735602A
Application number: CN2012102227947A
Authority: CN
Inventors: 朱扬; 叶锡生; 韦成华; 林新伟; 王大辉
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2012-10-17

Abstract

一种恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装置，包括金属试件、激光器系统、恒定拉力加载装置、参数监测系统和数据采集处理系统，恒定拉力加载装置为金属试件提供拉力；激光器系统入射激光至金属试件表面；参数监测系统包括激光光强监测单元、散射光探测器和力学参数监测单元，参数监测系统的信号输出端与数据采集处理系统相连。本发明实现了金属试件辐照效应中试件的温度、应力、形变及辐照光强参数的全方位监测，可以全面地研究恒定拉力加载下金属试件的激光破坏效应，在较小的加载砝码的作用下，实现了较大的加载力，且实验中加载力保持恒定不变，具有简单可靠、实用安全、适用范围广等特点。

Description

恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装置

技术领域

本发明涉及一种用于激光破坏效应的实验装置，特别是一种在恒定拉力加载下金属试件受激光辐照效应的实验装置。

背景技术

在激光辐照受力结构试件实验研究中，需要研究在恒定拉力和激光辐照同时作用下试件的应变历程及表面辐照特性，因此需要建立相应的激光辐照效应实验装置，同时对试件的位移、温度及辐照光强进行监测。

在现有的实验装置中，拉力加载方式有万能材料试验机加载和悬挂重物加载等方式。常规万能材料试验机通常依靠位移控载，其工作模式包括预定位移、预定力值、预定拉伸速率的设定。在预定力值工作模式下，当处于拉伸状态的试件因受热而力学性能发生改变时，需要将试件进一步拉伸才能使实际输出力值趋近于预定力值。在进一步拉伸的过程中，万能材料试验机需要接收力值反馈信号，通过改变位移来改变输出拉力，而万能材料试验机中的信号接收处理、电机和丝杆等都需要响应时间，且位移速度有限，因此无法在瞬间调整位移使输出拉力恢复至预定力值，甚至无法恢复至预定力值，难以满足激光效应实验中要求的恒力加载条件。

悬挂重物加载方式是将砝码直接吊挂在试件的下方，这种加载方式虽然能满足拉力恒定加载的实验需求，但是试件的拉力值仅决定于砝码的重量，受力有限，且操作不方便；此外在激光加载实验中常会出现试件断裂的情况，导致砝码脱落，存在着安全隐患，故难以满足恒拉力加载下激光辐照效应实验的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于金属试件在恒定拉力加载下的激光效应的实验装置，克服拉力加载中的难以恒定输出、受力有限、操作不便、安全可靠性不高等不足，同时为效应实验提供温度、应力、应变、及激光辐照光强测量系统，全面地研究恒定拉力加载下金属试件的激光破坏效应。

本发明的技术方案是：

恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装置，其特征在于：包括激光器系统1、恒定拉力加载装置6、参数监测系统和数据采集处理系统12，所述恒定拉力加载装置6用于夹持金属试件7并为其提供拉力；激光器系统1用于入射激光至金属试件7表面；参数监测系统包括激光光强监测单元、散射光探测器11和力学参数监测单元，所述的激光光强监测单元包括设置在激光器光路上的分束镜2以及设置在分束光路上的光功率计5，所述的散射光探测器11设置在金属试件7受激光辐照后的漫反射区域；所述的力学参数监测单元包括正对金属试件7背面的高速相机10、设置在金属试件7上的温度传感器和设置在恒定拉力加载装置6上的拉力传感器8；所述参数监测系统的输出信号分别送入数据采集处理系统12。

上述的恒定拉力加载装置6包括台面2.12、夹具组件、重物2.11、支杆2.9、杠杆；所述的支杆2.9下端固定在台面2.12上，其上端与杠杆铰接；所述夹具组件包括上夹具2.5和下夹具2.7，所述上夹具和下夹具分别固定拉伸试件2.6的两端；所述杠杆的一端为长臂端2.2，其与加载的重物2.11相连，另一端为短臂端2.1，其与上夹具2.5上端相连；所述下夹具2.7下端与台面2.12固定联接。

还包括辅助杆2.10，所述辅助杆2.10的下端固定在台面上，其上端设置有U形槽2.22，所述U形槽2.22比杠杆宽，所述杠杆的长臂端穿过U形槽2.22。

上述上夹具2.5和杠杆短臂端2.1之间、杠杆长臂端2.2和重物2.11之间分别设置有拉力传感器2.41。

上述的下夹具2.7和台面2.12之间通过螺杆联接，所述螺杆两端设置有调节下夹具2.7和台面2.12之间距离的螺母；所述的支杆9包括固定在台面2.12上的底座93和设置在底座93与杠杆之间的升降螺杆91，所述的升降螺杆91上设置有调节支杆2.9高度的调节螺母92；所述的辅助杆2.10包括固定在台面2.12上的底座2.25和设置在底座2.25与U形槽2.22之间的升降螺杆2.23，所述的升降螺杆2.23上设置有调节辅助杆2.10高度的调节螺母2.24。

上述的恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装置，其特征在于：所述的散射光探测器11的输出端与数据采集处理系统12的触发端、高速相机10触发端和光功率计5的触发端相连。

上述的激光器输出光路上设置有聚焦透镜3和光阑4。

上述的激光器系统1输出功率可调；所述的温度传感器为K型热电偶9；所述的拉力传感器8为应变式。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明实现了金属试件辐照效应中试件的温度、应力、形变及辐照光强参数的全方位监测，可以全面地研究恒定拉力加载下金属试件的激光破坏效应。

2、本发明激光器输出功率可调，且激光光路上设置有聚焦透镜和限孔光阑，通过调节入射到试件上的激光参数，满足不同效应实验的需求。

3、本发明的恒定拉力加载装置采用杠杆式加载结构，在较小的加载砝码的作用下，实现了较大的加载力，且实验中加载力保持恒定不变；

4、相比于万能材料试验机，本发明的恒定拉力加载装置不需要精密的伺服电机、丝杆导轨、电控主机等装置，具有简单可靠的特点；

5、本发明的恒定拉力加载装置在辅助杆上端设置了U形槽，对杠杆短臂端在水平方向的晃动进行限制，确保了拉力方向的稳定，同时对砝码等重物的下降高度进行了限位，确保了实验安全。

6、本发明的恒定拉力加载装置的支杆和辅助杆的高度可升降、下夹具和台面之间的距离可调、上夹具和下夹具的夹口宽度可调，适应了不同参数试件应用的要求。

附图说明

附图1为本发明恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装置示意图；

附图2为本发明用新型杠杆式恒定力加载装置结构示意图；

附图3为本发明短臂端结构示意图；

附图4为本发明辅助杆结构示意图；

附图5为本发明夹具主视图；

附图6为本发明夹具俯视图。

其中：1-激光器系统，2-分束镜，3-透镜，4-光阑，5-功率计，6-杠杆式恒定拉力加载装置，7-金属试件，8-拉力传感器，9-热电偶，10-高速相机，11-散射光探测器，12-数据采集处理系统、2.1-杠杆短臂端，2.2-杠杆长臂端，2.3-链条，2.5-上夹具，2.7-下夹具，2.8-直线导轨，2.9-支杆，2.10-辅助杆，2.11-重物，2.12-台面，2.13-升降支架，2.14-滚轮，2.15-缓冲台，2.18-夹具本体，2.19-活动齿块，2.20-调节螺杆，2.21-定位销，2.22-U形槽，2.23-升降螺杆b，2.24-调节螺母b，2.25-底座b，91-升降螺杆a，92-调节螺母a，93-底座a。

具体实施方式

如图1所示，本发明恒定拉力加载下金属试件7激光辐照效应的实验装置包括金属试件7、激光器系统1、恒定拉力加载装置6、参数监测系统和数据采集处理系统12；金属试件7通过夹具夹持在恒定拉力加载装置6上，由恒定拉力加载装置6为其提供拉力；激光器系统1入射激光至金属试件7表面，激光器系统（1）的输出功率可调，同时激光器输出光路上设置有聚焦透镜3和限孔光阑4，通过调节参数，可以产生不同的光功率密度及光斑大小，满足了不同效应实验的激光参数需求。

参数监测系统包括激光光强监测单元、散射光探测器11和力学参数监测单元，其中激光光强监测单元为设置在激光器光路上的分束镜2以及在分束光路上的设置的光功率计5，分束镜2的分数比参数事先经过测量和标定，故通过功率计5的幅值可以计算得到入射到试件表面的光强参数；力学参数监测单元包括在激光辐照方向相反的金属试件7背面设置的高速相机10、设置在金属试件7上的温度传感器和设置在恒力加载系统上的拉力传感器（8），其中高速相机10用于监测试件位移及形变的大小及形变随时间变化参数，温度传感器为K型热电偶9，拉力传感器可采用应变式。

在金属试件7受激光辐照后的漫反射区域，设置了散射光探测器11，上述参数监测系统的信号输出端均与数据采集处理系统12相连，数据采集处理系统12对上述信号进行采集记录和处理，并计算得到试件的温度、应力、形变及辐照光强参数。同时散射光探测器11的输出端还与数据采集处理系统12的触发端、高速相机10触发端和光功率计5的触发端相连，在激光出光的瞬间，散射光探测器11产生的脉冲信号上升沿触发数据采集处理系统12、高速相机10和光功率计5，记录得到效应参数，同时该脉冲信号还可以作为同步信号的起点，为各个测量单元提供一个时间基准。

如图2和图3所示，本发明的杠杆式恒定力加载装置6，包括台面2.12、拉伸试件、支杆2.9、杠杆和用于固定金属试件7的直线导轨2.8，直线导轨2.8上设置有可沿导轨方向移动的上夹具2.5和下夹具2.7，分别固定在金属试件7的两端。

杠杆的一端为短臂端2.1，与直线导轨2.8上的上夹具2.5相联，另一端为长臂端2.2，与加载的重物2.11相联，支杆2.9固定在台面2.12上；杠杆通过活动铰链固定在支杆2.9，并可绕活动铰链在垂直于地面方向的平面内转动，通过杠杆将长臂端2.2的砝码等重物2.11的重力，传递到杠杆短臂端2.1作为拉力输出，这样可以在较小的重力下产生较大的拉力，减轻了实验中砝码等重物2.11的重量。

如图4所示，在杠杆长臂端2.2下方，设置了一根辅助杆2.10，辅助杆2.10的上端设置有U形槽2.22，所述U形槽2.22的宽度比杠杆杆体的宽度宽2mm，杠杆的杆体穿过U形槽2.22，设置辅助杆2.10的目的是对杠杆长臂端2.2在水平方向的晃动进行限制，确保了拉力方向的稳定，同时对砝码等重物2.11的下降高度进行了限位，确保了实验安全。支杆2.9和辅助杆2.10的结构基本相同，均包括设置在台面2.12上的底座和升降螺杆，并可通过设置在升降螺杆上的调节螺母进行高度调节，分别达到调节拉伸行程和杠杆起止位置的目的，适应了不同长度拉伸试件的安装要求。

直线导轨2.8上设置有固定金属试件7的上夹具2.5和下夹具2.7，下夹具2.7和台面2.12之间通过螺杆联接，螺杆两端设置有调节下夹具2.7和台面2.12之间距离的螺母；如图5和图6所示，上夹具2.5和下夹具2.7均包括夹具本体2.18、活动齿块2.19和调节活动齿块2.19与夹具本体2.18之间距离的调节螺杆2.20，可用于夹持不同厚度的试件，这样以来可适应不同长度和不同厚度拉伸试件的安装要求。上夹具2.5和下夹具2.7的夹具本体2.18和活动齿块2.19均由高强度钢制成，夹具的使用分三个步骤：（一）将金属试件7垂直放入下夹具2.7本体和活动齿块2.19之间，用定位销2.21对其定位，使金属试件7位于下夹具2.7中轴线上，调整试件插入夹具的深度，使试件的夹持段刚好全部没入下夹具2.7内，适度拧紧螺杆使试件不完全被夹紧；（二）调整上夹具2.5高度，使金属试件7上部的夹持段刚好全部插入上夹具2.5内，再用定位销2.21定位，适度拧紧螺杆；（三）依次拧紧下夹具2.7、上夹具2.5上的螺杆。

在上夹具2.5和杠杆短臂端2.1之间、杠杆长臂端2.2和重物2.11之间分别设置有拉力传感器8，拉力传感器8通常选用应变式；拉力传感器8由直流稳压电源供电，输出信号端与数据采集系统12相连，用于输出拉力值监测，为效应评价和分析提供数据。短臂端与上夹具2.5通过钢链或吊索联接，自上到下依次是短臂端、钢链、拉力传感器8和上夹具2.5。

为了方便移动及确保工作稳定，台面2.12下部安装有升降支架2.13和滚轮2.14，滚轮2.14可以采用万向轮，升降支架2.13和滚轮2.14各四个，设置在台面2.12下部的四个角，用于台面2.12调高、调平和装置移动。缓冲台2.15上设置有缓冲胶垫，缓冲胶垫正对重物2.11下落的位置，即使实验中试件断裂时，也会对掉落的重物2.11起到缓冲作用，确保了实验的安全。重物2.11通常选用砝码，砝码为带缺槽的圆饼状，分不同重量规格，比如每个5kg、10kg等，不同数量的砝码可以满足不同加载力的要求。

本发明恒定拉力加载下金属试件7激光辐照效应的实验装置的工作流程如下：

1）调整激光器功率及透镜3和光阑4参数，设置适当的激光功率参数；

2）将背表面中心焊有热电偶9的金属试件7安装到恒定拉力加载装置6的夹具上；

3）调试各参数监测单元，确认其工作状态；

4）加载砝码，降低辅助杆2.10，为杠杆长臂端2.2预留足够的下降空间，以确保应变在实验要求的范围内；

5）激光器出光，散射光探测器11产生的脉冲信号触发数据采集处理系统12、高速相机10和激光功率计5；

6）试件因受辐照升温而变形至断裂后，停止出光，保存数据；

7）计算分析处理各项实验数据。

下面给出本发明的具体实施例：

金属试件7为30钢，长宽高分别为50mm×6mm×1mm，出射激光经过透过率为90%的分束镜2分束后，反射光入射至光功率计5，透射光经透镜3调焦和光阑4限孔后入射至金属试件7上，经过光阑4前的光斑大小约8mm~9mm，经过调焦和限孔后的靶面光斑为6mm×6mm方形光斑；拉力传感器为应变式，其量程为10kN，试件温度主要通过焊接在试件背光面中心的K型热电偶9进行监测，量程上限为1200℃；形变通过高速相机10对试件变形区拍摄，拍摄分辨率为512*256，帧频为1000Hz；系统依靠散射光探测器11提供触发信号，能自动开始监测试件的断裂过程；恒定拉力加载装置6的参数如下：杠杆总长为110cm，其中短臂端的长度为10cm，长臂端的长度为100cm，短臂端通过一段15cm长的钢链与拉力传感器8联接，重物2.11为多只规格为5kg、10kg的砝码组成，U形槽2.22的宽度为42mm，杠杆杆体的宽度为40mm。

本发明已经成功用于高能激光加载效应实验中。

Claims

1.恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装置，其特征在于：包括激光器系统（1）、恒定拉力加载装置（6）、参数监测系统和数据采集处理系统（12），所述恒定拉力加载装置（6）用于夹持金属试件（7）并为其提供拉力；激光器系统（1）用于入射激光至金属试件（7）表面；参数监测系统包括激光光强监测单元、散射光探测器（11）和力学参数监测单元，所述的激光光强监测单元包括设置在激光器光路上的分束镜（2）以及设置在分束光路上的光功率计（5），所述的散射光探测器（11）设置在金属试件（7）受激光辐照后的漫反射区域；所述的力学参数监测单元包括正对金属试件（7）背面的高速相机（10）、设置在金属试件（7）上的温度传感器和设置在恒定拉力加载装置（6）上的拉力传感器（8）；所述参数监测系统的输出信号分别送入数据采集处理系统（12）。

2.根据权利要求1所述的恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装置，其特征在于：所述的恒定拉力加载装置（6）包括台面（2.12）、夹具组件、重物（2.11）、支杆（2.9）、杠杆；所述的支杆（2.9）下端固定在台面（2.12）上，其上端与杠杆铰接；所述夹具组件包括上夹具（2.5）和下夹具（2.7），所述上夹具和下夹具分别固定拉伸试件（2.6）的两端；所述杠杆的一端为长臂端（2.2），其与加载的重物（2.11）相连，另一端为短臂端（2.1），其与上夹具（2.5）上端相连；所述下夹具（2.7）下端与台面（2.12）固定联接。

3.根据权利要求2所述的恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装，其特征在于：还包括辅助杆（2.10），所述辅助杆（2.10）的下端固定在台面上，其上端设置有U形槽（2.22），所述U形槽（2.22）比杠杆宽，所述杠杆的长臂端穿过U形槽（2.22）。

4.根据权利要求2所示的恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装，其特征在于：所述上夹具（2.5）和杠杆短臂端（2.1）之间、杠杆长臂端（2.2）和重物（2.11）之间分别设置有拉力传感器（2.41）。

5.根据权利要求2所述的恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装，其特征在于：所述的下夹具（2.7）和台面（2.12）之间通过螺杆联接，所述螺杆两端设置有调节下夹具（2.7）和台面（2.12）之间距离的螺母；所述的支杆（9）包括固定在台面（2.12）上的底座（93）和设置在底座（93）与杠杆之间的升降螺杆（91），所述的升降螺杆（91）上设置有调节支杆（2.9）高度的调节螺母（92）；所述的辅助杆（2.10）包括固定在台面（2.12）上的底座（2.25）和设置在底座（2.25）与U形槽（2.22）之间的升降螺杆（2.23），所述的升降螺杆（2.23）上设置有调节辅助杆（2.10）高度的调节螺母（2.24）。

6.根据权利要求1至5之任一权利要求所述的恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装置，其特征在于：所述的散射光探测器（11）的输出端与数据采集处理系统（12）的触发端、高速相机（10）触发端和光功率计（5）的触发端相连。

7.根据权利要求6所述的恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装置，其特征在于：所述的激光器输出光路上设置有聚焦透镜（3）和光阑（4）。

8.根据权利要求7所述的恒定拉力加载下金属试件激光辐照效应的实验装置，其特征在于：所述的激光器系统（1）输出功率可调；所述的温度传感器为K型热电偶（9）；所述的拉力传感器（8）为应变式。