CN104561516A - 一种激光诱导空化泡进行表面改性的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光诱导空化泡表面改性的装置和方法，包括水槽A和五轴联动工作台，水槽A位于五轴联动工作台上，水槽A内设有垫块，垫块上放置基体，水槽A上方安装有压水室，压水室下端的出水口正对水槽A，压水室上端安装有透光孔，透光孔与激光器系统连接；压水室上还设有进水口，进水口依次与抽水泵和水槽B连接。本发明利用空化泡溃灭时产生的高强度力效应来在基体表面产生高幅值残余压应力,有效提高基体表面的微动疲劳抗力，综合改善基体的机械性能，达到对基体表面进行强化延寿的目的。

Description

一种激光诱导空化泡进行表面改性的装置和方法

技术领域

  本发明涉及一种应用激光在水中诱导产生空化泡表面改性装置和方法。

背景技术

在液体中，激光功率密度超过液体的击穿阈值时，液体介质被击穿，在击穿区域形成发光的等离子体腔体，等离子体继续强吸收激光能量，腔体迅速膨胀，形成空泡，空泡的脉动向液体中辐射脉冲声波，该过程即“光空化”现象，激光与液体介质相互作用导致的光空化效应是激光医学、水下激光加工等领域的基础理论问题。

空化问题的理论研究最早可追溯到1917年 Rayleigh 提出的球对称空泡运动方程，由该方程可以求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。空化现象是高速运动的液体所特有的物理现象，它的初生与发展取决于很多复杂的因素，一方面空化现象的存在对水利机械设备、高速运动物体的水动力特性等有着严重的影响，如降低机械的性能，侵蚀破坏液力机械的叶片等；另一方面合理利用空化现象也能对生产、生活产生有益的帮助，如提高眼科手术的疗效及水中激光打孔的效率等。鉴于上述原因以及空泡运动的复杂性，几十年来，空化现象以及对于如何合理利用空化现象来为社会的生产、生活服务一直是科研工作者研究的热点问题之一。

目前国内在实际生产中对如何合理利用空化泡的研究及应用并不多：1、依据水力空化泡在溃灭瞬时在其中心点会产生高温、高压,并伴随有一系列空化效应，利用该过程释放的能量和产生的特殊环境实现对酯交换反应的强化及催化以制备生物柴油；2、利用高压水与低压水的混合产生水力空化泡,来改善材料表面的应力状态，延长材料寿命。然利用激光诱导产生空化泡来强化延寿基材的相关研究文献和专利尚未检索到。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种激光诱导空化泡进行表面改性的装置和方法，应用激光诱导产生原本对水利机械设备造成冲蚀破坏、工作效率下降等副作用的空化泡，巧妙地利用其溃灭时产生的高强度力效应来在基体表面产生高幅值残余压应力,有效提高基体表面的微动疲劳抗力，综合改善基体的机械性能，达到对基体表面进行强化延寿的目的。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：一种激光诱导空化泡进行表面改性的装置，包括水槽A 和五轴联动工作台，所述水槽A位于所述五轴联动工作台上，所述水槽A内设有垫块，所述垫块上放置基体，所述水槽A上方安装有压水室，所述压水室下端的出水口正对所述水槽A，所述压水室上端安装有透光孔，所述透光孔与激光器系统连接；所述压水室上还设有进水口，所述进水口依次与抽水泵和水槽B连接。

上述方案中，所述水槽A和所述水槽B之间连接有排水管。

上述方案中，所述激光器系统依次由光束转换及调节装置，全反射镜，导光管， YAG激光器，YAG激光器控制器连接而成。

上述方案中，还包括一个自动控制系统，所述自动控制系统包括中央控制处理器和数控操作台，所述数控操作台、所述抽水泵、所述光束转换及调节装置均与与所述中央控制处理器连接，所述数控操作台用来控制所述五轴联动工作台。

本发明还提供了一种激光诱导空化泡表面改性的方法，其具体步骤如下：

  第一步：用酒精或丙酮对基体表面除污处理，

第二步：将处理后的基体放到垫块上并连同水槽A一起放到五轴联动工作台上；

第三步：通过中央控制处理器控制YAG激光器控制器和光束转换调节装置调节激光参数（包括激光能量、输出波长、光斑直径），使参数满足产生空化泡的试验要求。YAG激光器产生脉冲激光，经导光系统、透光孔照射到压水室内；

第四步：由中央控制处理器控制抽水泵开始工作，使水流连续不断的送入压水室内，通过进水口的压力计量器收集其附近的压力数值，并反馈给中央控制处理器，用以控制调节抽水泵的输出功率。流入压水室内的水在激光的作用下，产生含高能量气体的空化泡，并随着水流从出水口流出形成水柱作用到基体表面，作用后的水经排水管流入水槽B，使整个水流作用过程形成一个循环，保证了空化泡形成过程的进行；

第五步：通过调节五轴联动工作台，使空化泡作用完整个基体表面；

第六步：对基体表面进行清洁处理。

本发明的创新之处就在于充分利用了空化泡溃灭时产生的高强度力效应来对基体表面进行改性处理，将原本对社会生产造成阻碍，对水利机械设备造成冲蚀破坏、工作效率下降等严重副作用的空化泡，巧妙地利用激光技术和计算机控制技术等对其进行诱导和控制，使空化泡溃灭时产生的高强度力效应来在基体表面产生高幅值残余压应力,有效提高基体表面的微动疲劳抗力，综合改善基体的机械性能，达到对基体表面进行强化延寿的目的；实现了合理利用空化泡现象来为社会生产、生活提供助力的一面。

本发明的具体优点如下所述：（1）相比传统的材料表面强化方法，采用激光诱导空化泡对材料表面进行强化延寿处理，其产生的热效应可以忽略，消除了材料因传统强化处理技术带来的热裂纹等处理缺陷。（2）该处理技术操作简单便捷，易于控制，效率高，对基体表面进行强化处理而不影响其心部性能。（3）激光诱导空化泡材料表面改性技术环保性优异，没有任何污染。避免采用回炉、冶炼等回收方式时对环境的二次污染，是绿色的再制造方法。

附图说明

  图1 利用激光诱导空化泡对基体进行表面改性的装置示意图

图中，  1、中央控制处理器  2、数控操作台  3、水槽A  4、基体  5、水柱  6、垫块  7、五轴联动工作台  8、排水管 9、水槽B  10、抽水管  11、抽水泵   12、压力计量器  13、进水口  14、压水室  15、光束转换及调节装置  16、全反射镜  17、导光管  18、YAG激光器  19、YAG激光器控制器  20、出水口  21、透光孔。

具体实施方式

下面结合图1对本装置作进一步详细说明。

如图1所示，一种激光诱导空化泡对基体进行表面改性的方法与装置，包括中央控制处理器 1，数控操作台2，水槽A 3，基体4，水柱 5，垫块6，五轴联动工作台7，排水管8，水槽B 9，抽水管10，抽水泵11，压力计量器12，进水口13，压水室14，光束转换及调节装置15，全反射镜16，导光管17， YAG激光器18，YAG激光器控制器19，出水口20，透光孔21.

先用酒精或丙酮对基体4表面除污处理，将处理后的基体放到垫块上并连同水槽A3一起放到五轴联动工作台7上；中央控制处理器1控制YAG激光器控制器19和光束转换调节装置15调节激光参数（包括激光能量、输出波长、光斑直径），使参数满足产生空化泡的试验要求；然后YAG激光器18产生脉冲激光，经过导光管17、全反射镜16和压水室14的透光孔照射到压水室14内；此时由中央控制处理器1控制的抽水泵11开始工作，使水流连续不断的送入压水室14内，通过压力计量器12反馈给中央控制处理器1的压力数值，调节抽水泵11的输出功率，使进水口13的水流压力保持在0.02MPa~1MPa的范围内；压水室14内的水在激光的作用下，产生含高能量气体的空化泡，并随着水流从出水口20流出形成水柱作用到基体表面，通过调节五轴联动工作台7，使空化泡作用完整个基体表面；作用后的水由水槽A3经排水管8流入水槽B9，使整个水流作用过程形成一个循环，保证空化泡形成过程的顺利进行；最后对基体表面进行清洁处理。

实施例一

基体材料选为1mm后的铁片，先用酒精或丙酮对铁片进行表面除污处理，将处理后的铁片连同垫块和水槽A一同放置到五轴联动工作台上；调节YAG激光器工艺参数，选用激光能量为21mJ,输出波长为1.06μm，脉宽为30ns,光斑直径为1mm；同时调节抽水泵的输出功率，使进水口的水压保持在0.05MPa，压水室内的水经激光作用后，产生空化泡，含高能量气体的空化泡随着水柱作用于铁片表面，调节五轴联动工作台，使铁片表面被完全处理完，然后对铁片进行干燥清洁处理。经测定，残余压应力值在260 MPa～560 MPa，硬化层厚度达0.2mm～0.35mm，且基体表面的硬度也得到显著提高。

Claims (6)

1.一种激光诱导空化泡进行表面改性的装置，包括水槽A （3）和五轴联动工作台（7），所述水槽A（3）位于所述五轴联动工作台（7）上，所述水槽A（3）内设有垫块（6），所述垫块（6）上放置基体（4），所述水槽A（3）上方安装有压水室（14），所述压水室（14）下端的出水口（20）正对所述水槽A（3），所述压水室（14）上端安装有透光孔（21），所述透光孔（21）与激光器系统连接；所述压水室（14）上还设有进水口（13），所述进水口（13）依次与抽水泵（11）和水槽B（9）连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光诱导空化泡进行表面改性的装置，其特征在于，所述水槽A（3）和所述水槽B（9）之间连接有排水管（8）。

3.根据权利要求1或2所述的一种激光诱导空化泡进行表面改性的装置，其特征在于，所述激光器系统依次由光束转换及调节装置（15），全反射镜（16），导光管（17）， YAG激光器（18），YAG激光器控制器（19）连接而成。

4.根据权利要求3所述的一种激光诱导空化泡进行表面改性的装置，其特征在于，还包括一个自动控制系统，所述自动控制系统包括中央控制处理器 （1） 和数控操作台（2），所述数控操作台（2）、所述抽水泵（11）、所述光束转换及调节装置（15）均与与所述中央控制处理器( 1)连接，所述数控操作台(2)用来控制所述五轴联动工作台(7)。

5.一种激光诱导空化泡表面改性的方法，其具体步骤如下：

  第一步：用酒精或丙酮对基体(4)表面除污处理，

第二步：将处理后的基体(4)放到垫块(6)上并连同水槽A(3)一起放到五轴联动工作台(7)上；

第三步：通过中央控制处理器(1)控制YAG激光器控制器(19)和光束转换调节装置(15)调节激光参数（包括激光能量、输出波长、光斑直径），使参数满足产生空化泡的试验要求;YAG激光器(18)产生脉冲激光，经导光系统、透光孔(21)照射到压水室(14)内；

第四步：由中央控制处理器(1)控制抽水泵(11)开始工作，使水流连续不断的送入压水室(14)内，通过进水口(13)的压力计量器(12)收集其附近的压力数值，并反馈给中央控制处理器(1)，用以控制调节抽水泵(11)的输出功率;

流入压水室(14)内的水在激光的作用下，产生含高能量气体的空化泡，并随着水流从出水口流出形成水柱(5)作用到基体(4)表面，作用后的水经排水管(8)流入水槽B(9)，使整个水流作用过程形成一个循环，保证了空化泡形成过程的进行；

第五步：通过调节五轴联动工作台(7)，使空化泡作用完整个基体表面；

第六步：对基体(4)表面进行清洁处理。

6.根据权利要求5所述的一种激光诱导空化泡表面改性的方法和装置，其特征在于YAG激光器的单脉冲能量范围为20mJ～1000mJ可调,脉宽5ns～50ns可调,输出波长为1.06μm。