CN103143835A - 一种水介质激光制备实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水介质激光制备实验装置。该装置，主要由实验水槽、激光加工终端和介质温度控制系统，进排水和单片机控制器和人机界面系统组成，所述激光加工终端置于实验水槽的上方，所述实验水槽安装在数控工作台上，实验水槽内设有试件台，温度传感器、水面高度传感器和进排水和单片机控制器，试件通过夹具固定在试件台上，并浸没于水面以下，所述介质温度控制系统由装在实验水槽内的温度传感器、进排水和单片机控制器、过滤装置和人机界面系统组成。该装置可在室温至100℃范围内实现待处理试件表面水膜厚度和介质温度的自动调节，在选定的水膜厚度和介质温度下对试样进行激光制备，获得更加优异的激光处理区组织和特殊性能。

Description

一种水介质激光制备实验装置

技术领域

本发明涉及利用特殊介质条件进行激光制备的先进制造技术领域，特别涉及一种在水介质下，通过自动化控制器件及集成，进行激光表面制备的实验装置。

背景技术

激光加工技术是一种高度柔性和智能化的先进制造技术，被誉为“21世纪的万能加工工具”，“未来制造技术的共同加工手段”。与其它加工制造技术相比，激光加工与制造技术具有高效率、高精度、高质量、应用范围广、节能环保等优点，因此，在航天航空、机械制造、石化、船舶、冶金、电子、信息等领域，激光加工技术得到了广泛的应用。与其相关的各种加工手段也得到了迅速扩展，如激光打孔、激光焊接、激光切割、激光相变硬化、激光熔凝、激光毛化、激光熔覆与合金化、激光表机、激光雕刻等等。

激光与材料交互作用，能够引起力学、物理和化学效应的变化，达到影响材料表面形态、组织结构、应力状态和成分的变化，从而使材料的韧性、耐磨、耐腐蚀、耐疲劳等特性均得以改善。其主要原因是激光加工区域在基体自冷和表面空冷作用下，较常规处理具有更高的冷却速度。传统的热处理和凝固理论认为，冷却速度越快，形核率越低，得到的晶粒越细小，因此激光表面加工能够获得精细的自淬火或非平衡结晶组织，这使得处理后材料表面具有更加优异的功能特性。

近期研究表明，为了进一步提高激光处理后的材料冷却速度，并克服传统空气介质中激光加工产生的开裂、氧化、气蚀等缺点，获得较传统激光加工更加精细的处理区组织和特殊表面性能，可以将待加工试件放置在水中，使试件表面与激光终端之间形成一定水膜厚度(处理材料的上表面到水面的距离)进行激光加工。从而可以进一步拓展激光加工技术的使用范围，在传统空气介质激光加工的基础上，开辟多元化、多介质激光加工的新途径。进而使激光加工处理区组织和整个加工表面的性能得到进一步优化，这对于满足更加精细的激光加工需求，获得特殊的激光加工表面功能具有重大意义。

然而，水介质激光加工的理论与技术研究尚刚刚开始，对其内在规律与机制还不清楚，需进行大量的试验研究，这使得开发一种专门的水介质激光制备实验装置显得极为重要。进一步来说，在利用该装置进行实验的过程中，需对实验的条件、参数等进行精确控制，从而获得精准、可靠的实验结果，这不仅是多元、多介质激光制备方法实现的需要，同时也是研究水膜介质下激光加工材料性能的需要。

发明内容

本发明的目标是提供一种能在选定的水膜厚度和介质温度(室温至100摄氏度)的条件下对试样进行水介质激光制备实验装置。

并实现装置的自动化控制，为实验参数、实验条件的获取提供精确、可靠的外部条件，为液体介质下激光表面制备研究奠定基础。

一种水介质激光制备实验装置，主要由实验水槽16、激光加工终端3和介质温度控制系统，进排水和单片机控制器9和人机界面系统1组成，所述激光加工终端3置于实验水槽16的上方，所述实验水槽16安装在数控工作台上，实验水槽16内设有试件台11，温度传感器13、水面高度传感器2和进排水和单片机控制器9，试件12通过夹具5固定在试件台11上，并浸没于水面6以下，所述介质温度控制系统由装在实验水槽16内的温度传感器13、进排水和单片机控制器9、过滤装置10和人机界面系统1组成。

所述试件12为厚度一定的标准试件，且呈水平放置在试件台11上，所述进排水和单片机控制器9成对角线布置在实验水槽16底部，所述进排水和单片机控制器9经过滤装置10和进水口阀体16通过水管8与外设的储水装置14和水泵15相连接。

所述试件12上表面与水面6之间的距离h为水膜厚度，实验所需的水膜厚度和介质温度限值由人机界面系统1设定，实验过程中水膜厚度和介质温度应保持恒定，并由人机界面系统1通过温度传感器13、水面高度传感器2和进排水和单片机控制器9控制自动调节。

所述水膜厚度经水面高度传感器2感应，通过程序计算试件12上表面与水面6的高度差获得，并由进排水和单片机控制器9控制进排水量调节。

所述水膜介质温度通过温度传感器13感应，由进排水和单片机控制器9控制进排水量实现冷热水交换调节。

所述人机界面系统1按所要求的水膜厚度和介质温度在一定范围内任意设定。

所述温度传感器13通过简易支架4安装在激光加工终端3上。

本发明的积极效果在于：可以实现激光加工的水介质温度在室温至100摄氏度之间的任意设定，并在选定的水膜厚度和介质温度的条件下试样的激光制备，实现了实验条件的精确控制和实验操作的简单易行；此外，本发明还具有成本低，结构简单，易于推广的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的工作流程图。

1-人机界面系统2-水面高度传感器3-激光加工终端4-简易支架5-夹具6-水面7-数控工作台8-水管9-进排水和单片机控制器10-过滤装置11-试件台12-试件13-温度传感器14-储水装置15-水泵16-实验水槽

具体实施方式

下面结合图1进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。

本发明的实验装置由实验水槽、温度传感器、水面高度传感器、进、排水阀、单片机控制器、试件台、人机界面系统组成。其中水面高度传感器安装在水槽内壁上，同进排水阀、单片机控制器、人机界面系统以及试件台一起构成水膜厚度控制系统；温度传感器通过支架安装在激光器上，与进排水阀、单片机控制器、人机界面系统组成水介质温度控制系统。人机界面系统由LCD界面和单片机程序组成，并与水膜厚度控制系统和水介质温度控制系统进行信息传输，系统留有计算机控制连接接口。

所述的水膜厚度控制系统由人机界面系统中的控制模块进行控制，通过高度传感器感应水面高度并计算与标准件加工表面之间的高度差得出水膜的厚度；控制系统在试样制备过程中可以时时检测水膜厚度，并根据检测信号控制进、排水阀的开闭来调节流量的大小，从而保证实验在选定的水膜厚度下进行。

所述的水介质温度控制系统由人机界面系统中的控制模块进行控制，在实验的过程中由温度传感器感应水介质的温度，并通过信号的反馈来控制进、排水阀的开启实现冷热水交换，保证实验在设定的温度范围内进行。

参阅图1所示，本发明由实验水槽16、温度传感器13、水面高度传感器2、进排水和单片机控制器9、试件台11、人机界面系统1组成。其中安装在水槽内壁的水面高度传感器2、水平放置在水槽中的试件台11、试件12、水槽底部成对角线布置的进排水和单片机控制器9、过滤装置10以及人机界面系统1构成了水膜厚度控制系统；通过简易支架4安装在激光加工终端3上的温度传感器13、进排水和单片机控制器9，过滤装置10以及人机界面系统1构成水膜介质温度控制系统。

所述试件台11上设有夹具5，所述试件12为厚度一定的标准试件且呈水平放置；所述进排水和单片机控制器9通过橡胶水管8与外设的储水装置14、水泵15相连接。

工作流程

本发明的具体实施方式参阅如图2所示。将实验水槽16水平放置在数控工作台7上，然后将标准试样12水平安置在试件台11上，并用夹具将其固定好。通过人机界面系统输入实验所需的水膜厚度和水介质的温度限值，控制系统通过这两个信号使小功率水泵开始工作，液体介质水在水泵的驱动下从水箱经水管8、进水口阀体、过滤装置10输送到实验水槽16当中，通过水膜厚度控制系统来控制介质水的供给是否满足要求。水膜厚度控制系统是通过水面高度传感器2测出实验水槽16当中水面的高度H，通过系统计算出水膜的厚度，即水面高度H减去试件台11和标准试样12的高度(参阅图1所示h)。在供给过程中水面高度传感器时时反馈水面高度，当达到实验要求时停止供给，而且在试样制备过程中水膜厚度控制系统时时检测水膜的厚度，避免因为高温水蒸发等原因造成水膜厚度的减少。水介质温度控制系统通过温度传感器13时时检测加工区域一定范围内水介质的温度。当水膜厚度和水介质的温度都满足要求时，微型计算机将驱动激光器开始加工，依据输入到微型计算机编制好的程序对水膜介质下的试样12进行加工，当激光加工区域的水介质的温度超过了预先设定的温度范围，激光将停止加工，同时进排水阀体打开进行等流量的介质水的冷热交换，从而保证实验在实验所需的水膜厚度和水介质温度的条件下进行。再通过数控工作台7在X方向左右、Y方向前后移动实现水膜介质下试样的激光制备。

改变水膜的厚度(一般采用厚度值递增的形式)和水介质的温度控制范围，重复以上步骤，进行不同水膜厚度和水介质的温度控制范围对试样的激光制备，从而得到具有优异组织结构和特殊性能的处理表面。

Claims (7)

1.一种水介质激光制备实验装置，主要由实验水槽(16)、激光加工终端(3)和介质温度控制系统，进排水和单片机控制器(9)和人机界面系统(1)组成，其特征在于：所述激光加工终端(3)置于实验水槽(16)的上方，所述实验水槽(16)安装在数控工作台上，实验水槽(16)内设有试件台(11)，温度传感器(13)、水面高度传感器(2)和进排水和单片机控制器(9)，试件(12)通过夹具(5)固定在试件台(11)上，并浸没于水面(6)以下，所述介质温度控制系统由装在实验水槽(16)内的温度传感器(13)、进排水和单片机控制器(9)、过滤装置(10)和人机界面系统(1)组成。

2.根据权利要求1所述的一种水介质激光制备实验装置，其特征在于：

所述试件(12)为厚度一定的标准试件，且呈水平放置在试件台(11)上，所述进排水和单片机控制器(9)成对角线布置在实验水槽(16)底部，所述进排水和单片机控制器(9)经过滤装置(10)和进水口阀体(16)通过水管(8)与外设的储水装置(14)和水泵(15)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种水介质激光制备实验装置，其特征在于：

所述试件(12)上表面与水面(6)之间的距离(h)为水膜厚度，实验所需的水膜厚度和介质温度限值由人机界面系统(1)设定，实验过程中水膜厚度和介质温度应保持恒定，并由人机界面系统(1)通过温度传感器(13)、水面高度传感器(2)和进排水和单片机控制器(9)控制自动调节。

4.根据权利要求3所述的一种水介质激光制备实验装置，其特征在于：

所述水膜厚度经水面高度传感器(2)感应，通过程序计算试件(12)上表面与水面(6)的高度差获得，并由进排水和单片机控制器(9)控制进排水量调节。

5.根据权利要求3所述的一种水介质激光制备实验装置，其特征在于：

所述水膜介质温度通过温度传感器(13)感应，由进排水和单片机控制器(9)控制进排水量实现冷热水交换调节。

6.根据权利要求1所述的一种水介质激光制备实验装置，其特征在于：

所述人机界面系统(1)按所要求的水膜厚度和介质温度在一定范围内任意设定。

7.根据权利要求1所述的一种水介质激光制备实验装置，其特征在于：

所述温度传感器(13)通过简易支架(4)安装在激光加工终端(3)上。

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