CN104759758A - 激光空化强化高性能水泵材料的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光空化强化高性能水泵材料的装置和方法，包括容器，承料工作台，压电换能器和激光空化强化装置；所述承料工作台位于所述容器内，所述承料工作台上安装有卡盘，所述卡盘的四周安装有若干压电换能器，所述激光空化强化装置位于所述容器上方；所述压电换能器和所述激光空化强化装置均与计算机连接。本发明通过引导和反馈装置使空泡溃灭时的高压微射流的大小得到控制，从而使原本在材料上产生破坏的空化现象作用在高性能水泵材料上的力不再是破坏，而是产生残余压应力，从而有效改善高性能水泵材料的机械性能，达到强化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及激光空化强化高性能水泵材料的装置和方法，适用于应用激光在水中产生空泡，利用空泡溃灭产生的高强度力效应在高性能水泵材料的表面产生高幅值残余压应力的场合。
背景技术
空化问题一直是水力机械领域研究的核心问题，空化对于水利机械的危害主要在于：改变液体的水动力作用，降低水泵材料的性能；产生空蚀，损坏水泵内转轮的表面；辐射空化噪声，引起振动和噪声等。流体机械工作者长期以来致力于寻求防止空化或降低空蚀危害的对策，正不断向高水头、高扬程、大容量方向发展。从而使预防空化成为日益突出的课题。
提高水泵材料的抗蚀能力通常的方法是用高性能，抗蚀性能好的材料制造水轮机转轮，或者在容易发生空化侵蚀的部位堆焊或喷镀的方法提高其抗蚀性，对于已投入运行水泵的检修，采用堆焊方法更简单易行。在工程上常采用喷丸和激光冲击等技术，使水泵金属材料获得较深层的残余压缩压力。然而研究表明在水的约束下，激光强化产生的压力幅值约为空气中的四倍，因此激光空化强化高性能水泵材料具有其他方法不具备的一些优点，如经过激光空化强化后的水泵金属材料表面光滑，并且更容易加工水泵叶轮根部狭窄的部位。
激光空泡的产生原理是：激光聚焦于水中，击穿水形成等离子体，聚焦区压力急剧上升，对外膨胀，导致泡内压力急剧下降，形成具有和螺旋桨空化空泡相似的空泡，激光空化空泡在固壁面附近溃灭时将产生冲击波和射流。
目前如何合理利用空化泡的研究及应用并不多，主要是利用激光空泡产生的冲击波来进行一些微型工件的装配，以及利用激光空泡进行微加工。然而利用激光空泡来强化容易遭受侵蚀的高性能水泵材料的研究仍然十分稀少。
发明内容
本发明的目的在于提供利用激光空泡产生的冲击波来进行强化高性能水泵材料的装置和方法，以获得最优的激光空化强化效果。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：激光空化强化高性能水泵材料的装置，其特征在于，包括容器，承料工作台，压电换能器和激光空化强化装置；所述承料工作台位于所述容器内，所述承料工作台上安装有卡盘，所述卡盘的四周安装有若干压电换能器，所述激光空化强化装置位于所述容器上方；所述压电换能器和所述激光空化强化装置均与计算机连接。
上述方案中，所述激光空化强化高性能水泵材料的装置包括激光器控制器，YAG激光器和透镜组；所述激光器控制器用来控制所述YAG激光器，所述YAG激光器发出的激光经透镜组后照射到所述容器内的高性能水泵材料上。
上述方案中，所述容器内还安装有环形玻璃空腔，所述环形玻璃空腔能够移动，以配合所述YAG激光器发出的激光的横向进给。
上述方案中，所述承料工作台为不锈钢承料工作台，所述卡盘为不锈钢卡盘。
本发明还提供了激光空化强化高性能水泵材料的方法，包括以下步骤：
1）将高性能水泵材料置于装有液体的容器中的承料工作台上，并利用卡盘进行固定；
2）通过激光器控制器调节YAG激光器的参数，使其发射的激光满足产生空化泡的试验要求，并保证空泡产生在环形玻璃空腔的腔体内；
3）空泡溃灭产生的高压冲击波通过环形玻璃空腔准确作用在高性能水泵材料上，压电换能器感应到溃灭产生的冲击力，并将其转变为电信号传输给计算机控制系统，计算机控制系统对产生的数据进行存储处理；
4）取出高性能水泵材料，对高性能水泵材料进行残余应力分析，检测空化强化效果；以此类推，计算机控制系统不断通过激光器控制器反复的对激光器进行纵向调节，实现对空泡的溃灭位置和存储压电换能器感应到溃灭产生的冲击力的存储，最终计算机控制系统记录激光空化强化效果最佳时的压电换能器感应到溃灭产生的冲击力的数值和对应激光器控制器、YAG激光器和透镜组的参数；
5）将环形玻璃空腔横向移动并配合激光器控制器控制激光器运动，在保证激光空化强化效果最佳条件下实现高性能水泵材料的整个表面的强化处理。
上述方案中，所述YAG激光器（2）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。
本发明的有益效果：（1）首先本发明充分利用了空化泡溃灭时产生的高强度力效应来对高性能水泵材料的表面进行强化处理，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得到合理利用。（2）其次本发明对空泡安装了引导装置，使空泡溃灭时产生的高压微射流能够准确的作用在高性能水泵材料的某一点，完成精确定位，但同时引导装置又能配合激光器本身横向移动完成整个区域高性能水泵材料的强化。（3）由于不同的高性能水泵材料强化所需的高压冲击力也不同，因此本发明加入了压力感应和反馈装置，能够及时感应到高压微射流作用于高性能水泵材料表面压力的大小，并通过反馈装置反复调节该压力，使空化泡溃灭时冲击力大小能够与高性能水泵材料本身相匹配，从而实现对多种不同高性能水泵材料强化的目的。使激光空化强化高性能水泵材料能够真正得到广泛应用，为水利机械领域提高水泵材料的抗蚀能力作出贡献。
附图说明
图1为本发明的激光空化强化高性能水泵材料的方法和装置；
在图中：1-激光器控制器；2-YAG激光器；3-透镜组；4-环形玻璃空腔；5-容器；6-不锈钢卡盘；7-不锈钢承料工作台；8-压电换能器；9-高性能水泵材料；10-计算机控制系统。
具体实施方式
下面通过附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，激光空化强化高性能水泵材料的方法和装置包括以下步骤：
1）将高性能水泵材料9置于装有液体的容器5中的不锈钢承料工作台7上，并利用不锈钢卡盘6进行固定。
2）通过激光器控制器1调节YAG激光器2的参数（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，使其通过透镜组3在液体中产生空泡，并保证空泡产生在环形玻璃空腔4的腔体内。
3）空泡溃灭产生的高压冲击波通过环形玻璃空腔4准确作用在高性能水泵材料9上，压电换能器8感应到溃灭产生的冲击力，并将其转变为电信号传输给计算机控制系统10，取出高性能水泵材料9，对高性能水泵材料9进行残余应力分析，检测空化强化效果；计算机控制系统10对每一次压电换能器8产生的数据进行处理，并将处理结果反馈给激光器控制器1，通过激光器控制器1反复的对激光器2进行纵向的调节，改变空泡的溃灭位置，最终确定该高性能水泵材料9的最优合适的冲击力及激光器参数。
4）将环形玻璃空腔4横向移动并配合激光器控制器1控制激光器2运动，从而实现高性能水泵材料9整个表面的强化处理。
Claims (6)
1.激光空化强化高性能水泵材料的装置，其特征在于，包括容器（5），承料工作台（7），压电换能器（8）和激光空化强化装置；所述承料工作台（7）位于所述容器（5）内，所述承料工作台（7）上安装有卡盘（6），所述卡盘（6）的四周安装有若干压电换能器（8），所述激光空化强化装置位于所述容器（5）上方；所述压电换能器8和所述激光空化强化装置均与计算机（10）连接。
2.根据权利要求1所述的激光空化强化高性能水泵材料的装置，其特征在于，所述激光空化强化高性能水泵材料的装置包括激光器控制器（1），YAG激光器（2）和透镜组（3）；所述激光器控制器（1）用来控制所述YAG激光器（2），所述YAG激光器（2）发出的激光经透镜组（3）后照射到所述容器（5）内的高性能水泵材料（9）上。
3.根据权利要求1或2所述的激光空化强化高性能水泵材料的装置，其特征在于，所述容器（5）内还安装有环形玻璃空腔（4），所述环形玻璃空腔（4）能够移动，以配合所述YAG激光器（2）发出的激光的横向进给。
4.根据权利要求1或2所述的激光空化强化高性能水泵材料的装置，其特征在于，所述承料工作台（7）为不锈钢承料工作台，所述卡盘（6）为不锈钢卡盘（6）。
5.激光空化强化高性能水泵材料的方法，包括以下步骤：
1）将高性能水泵材料（9）置于装有液体的容器（5）中的承料工作台（7）上，并利用卡盘（6）进行固定；
2）通过激光器控制器（1）调节YAG激光器（2）的参数，使其发射的激光满足产生空化泡的试验要求，并保证空泡产生在环形玻璃空腔（4）的腔体内；
3）空泡溃灭产生的高压冲击波通过环形玻璃空腔（4）准确作用在高性能水泵材料（9）上，压电换能器（8）感应到溃灭产生的冲击力，并将其转变为电信号传输给计算机控制系统（10），计算机控制系统（10）对产生的数据进行存储处理；
4）取出高性能水泵材料（9），对高性能水泵材料（9）进行残余应力分析，检测空化强化效果；以此类推，计算机控制系统（10）不断通过激光器控制器（1）反复的对激光器（2）进行纵向调节，实现对空泡的溃灭位置和存储压电换能器（8）感应到溃灭产生的冲击力的存储，最终计算机控制系统（10）记录激光空化强化高性能水泵材料效果最佳时的压电换能器（8）感应到溃灭产生的冲击力的数值和对应激光器控制器（1）、YAG激光器（2）和透镜组（3）的参数；
5）将环形玻璃空腔（4）横向移动并配合激光器控制器（1）控制激光器（2）运动，在保证激光空化强化效果最佳条件下实现高性能水泵材料（9）整个表面的强化处理。
6.根据权利要求5所述的激光空化强化高性能水泵材料的方法，其特征在于，所述YAG激光器（2）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。
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