CN105758820A - 一种材料激光吸收率的测试装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料激光吸收率的测试装置，包括试验台，试验台上设置有激光器、激光控制器、试件安装装置和温度采集装置，激光器与激光控制器相连，激光器的激光束对准试件安装装置上安装的试件，温度采集装置与试件相连，并通过数据采集装置将温度数据传给处理器。利用该装置的测试方法包括定点测试和移动测试，将试件固定在试件安装装置上，开启激光器对试件进行照射，温度采集装置将采集到的试件温度变化通过数据采集装置传给处理器，进而获得激光吸收率数据；也可同时使安装装置的滑台带动试件做直线往复运动，获得功率和扫描速度对吸收率的影响。本发明为直接获得材料吸收率提供一种便捷途径。

Description

一种材料激光吸收率的测试装置和测试方法

技术领域

本发明属于激光制造技术领域，具体涉及一种材料激光吸收率的测试装置，还涉及了该材料激光吸收率的测试方法。

背景技术

激光吸收率是衡量激光切割质量的重要指标之一。现有技术中，测试激光吸收率的方法有三种。第一种是先测量反射率，然后用1减去反射率获得激光吸收率；第二种是根据激光作用区材料状态的变化，间接研究材料激光吸收率；第三种是根据材料表面温度变化计算激光吸收率。以上三种方法均有各自的使用场合和要求。如第一种方法，可以采用反射率测定仪测量，也可以间接使用市面上的红外辐射仪和红外分光分度计进行测量；第二种方法和第三中方法均无测量装置，其中第二种方法只适合对吸收率进行定性评价，而第三种方法需要测定材料表面温度的变化；但目前关于吸收率的研究大多数集中在吸收率测量方法和测量原理，很少有测量吸收率的专用装置的研究。

对于某些金属材料，如铝合金、钛合金等，对激光存在较高的反射率，直接影响切割效率和质量，获得这些材料的激光反射率对于提高切割效率和质量有重要作用。目前的研究，大多数是针对测量原理及方法，几乎找不到现成的测量装置，根据材料表面温度变化计获取激光吸收率目前也只是停留在理论研究的阶段，并没有实际可用的测量设备用来准确测量材料的激光吸收率。

发明内容

本发明的目的是提供一种材料激光吸收率的测试装置，解决了目前没有实际可用的根据材料表面温度变化测量材料的激光吸收率的测量设备。

本发明的另一个目的是提供使用上述测试装置进行材料激光吸收率测试的方法，为直接获得材料吸收率提供一种便捷途径。

本发明所采用的第一个技术方案是，一种材料激光吸收率的测试装置，包括试验台，试验台上设置有激光器、激光控制器、试件安装装置和温度采集装置，激光器与激光控制器相连，激光器的激光束对准试件安装装置上安装的试件，温度采集装置与试件相连，并通过数据采集装置将温度数据传给处理器。

试件安装装置为一个可带动试件做直线往复运动的滑动组件，滑动组件由丝杠螺母机构和与螺母固定连接的滑台组成，丝杠螺母机构连接有伺服电机，滑台表面设有一个用于安装试件的凹槽。

温度采集装置为K型热电偶，固定在试件背面。

激光器还连接有冷却器。

本发明所采用的第二个技术方案是，一种涂料类材料激光吸收率的测试方法：将试件固定在上述试件安装装置上，通过激光控制器设置激光照射功率和时间，开启激光器对试件进行照射，温度采集装置将采集到的试件温度通过数据采集装置传给处理器，通过下式计算激光吸收率，

$a=\frac{c*m*\mathrm{\Δ}T}{nE}=\frac{c*m*\mathrm{\Δ}T}{{\mathrm{Pt}}_0}=\frac{c*m*\[T_1-T_0\]}{{\mathrm{Pt}}_0}$

式中，P为激光照射功率，t₀为激光照射时间，T₁为t₀时刻试样的温度，T₀为试样的初始温度，c为试样比热容，m为试样质量。

本发明所采用的第三个技术方案是，一种金属材料激光吸收率的测试方法：将试件固定在上述试件安装装置上，通过激光控制器设置激光照射功率和时间，通过调整伺服电机参数设置滑台直线往复运动的位移、时间和速度，开启激光器对试件进行照射，同时开启伺服电机，使滑台带动试件做直线往复运动，温度采集装置将采集到的试件温度变化通过数据采集装置传给处理器，通过下式计算激光吸收率，

$a=\frac{c*m*\mathrm{\Δ}T}{nE}=\frac{c*m*\mathrm{\Δ}T}{{\mathrm{Pt}}_0}=\frac{c*m*\[T_1-T_0\]}{{\mathrm{Pt}}_0}$

式中，a为材料的激光吸收率，P为激光照射功率，t₀为激光照射时间，T₁为t₀时刻试样的温度，T₀为试样的初始温度，c为试样比热容，m为试样质量。

本发明的有益效果是，本发明根据热平衡原理搭建了材料激光吸收率测试装置，填补了目前没有实际可用的根据材料表面温度变化计算激光吸收率装置的空白，利用该装置可以方便准确的测量出材料吸收率的大小，可用于测量激光反射率较高的材料或表面经过不同涂层处理后的材料的吸收率变化的影响。

附图说明

图1是本发明的材料激光吸收率的测试装置的结构示意图；

图2是本发明的材料激光吸收率的测试装置的原理示意图；

图3是试件安装装置的结构示意图。

图中，1.进水冷却管，2.冷却槽，3.激光控制器，4激光电源，5.测试试件，6.试验台，7.丝杠，8.滑台，9.伺服电机，10.出水冷却管，11.激光器，12.支架，13.热电偶，14.数据采集，15.计算机，16.螺母，17.滑动导轨，18.静导轨，19.丝杠螺母支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。

本发明提供了一种材料激光吸收率的测试装置，如图1所示，包括试验台6，和设置在试验台6上的激光器11、激光控制器3、试件安装装置和温度采集装置。

激光器11采用CO₂激光管，CO₂激光器通过支架12架设在试验台6上.如图2所示，激光电源4的高压与圆筒形CO₂激光管的阳极相连，激光电源4的地(GND)直接与CO₂激光管的阴极相连。激光控制器3的控制信号线与激光电源4的控制端相连。激光器11还连接了冷却器，冷却器由冷却槽2、进水冷却管1和出水冷却管10组成，进水冷却管1和出水冷却管10分别连接在激光器11两端，从一端进水另一端出水，通过循环水对激光器11进行冷却。

试验台6上还设置有用于固定测试试件5的试件安装装置，激光器11的激光束对准试件安装装置上安装的测试试件5。本实施例的试件安装装置为一个可带动试件做直线往复运动的滑动组件，滑动组件由丝杠螺母机构和与螺母固定连接的滑台8组成，丝杠螺母机构连接有伺服电机9，滑台表面设有一个用于安装试件的凹槽。如图3所示，丝杠7两端支撑，一端装有伺服电机9，其上安装有螺母16，二者之间用螺纹连接，螺母16与滑台8用螺栓连接，滑台8与两个滑动导轨17用螺栓连接。螺母与滑台8相固连，静导轨18与丝杠螺母支架19用螺栓连接，当伺服电机9起动时，带动丝杠7转动，驱动滑台8及安装在其上的测试试件5沿静导轨18以一定的速度移动。温度采集装置为K型热电偶13，固定在测试试件5背面，位置与CO₂激光管的激光束等高，热电偶13的引出段与数据采集卡13相连接，采集卡13最终将数据输送到计算机进行处理，然后进行人工核实检查。

本发明还提供了使用该测试装置对材料进行激光吸收率的测试方法，对于涂料类材料，采用定点测试法；对于金属类材料，采用移动测试法。

涂料类材料定点测试法具体为：将测试试件5固定在试件安装装置上，通过激光控制器3设置激光照射功率和时间，开启激光器11对试件进行照射，温度采集装置将采集到的试件温度通过数据采集装置传给处理器，通过下式计算激光吸收率，

$a=\frac{c*m*\mathrm{\Δ}T}{nE}=\frac{c*m*\mathrm{\Δ}T}{{\mathrm{Pt}}_0}=\frac{c*m*\[T_1-T_0\]}{{\mathrm{Pt}}_0}$

式中，P为激光照射功率，t₀为激光照射时间，T₁为t₀时刻试样的温度，T₀为试样的初始温度，c为试样比热容，m为试样质量。

金属类材料移动测试法具体为：将测试试件5固定在试件固定装置的滑台8上，通过激光控制器3设置激光照射功率和时间，通过调整伺服电机9参数设置滑台8直线往复运动的位移、时间和速度。开启激光器11对试件5进行照射，同时开启伺服电机9，使滑台8带动试件5做直线往复运动。温度采集装置将采集到的试件温度通过数据采集装置传给处理器。通过下式计算激光吸收率，

$a=\frac{c*m*\mathrm{\Δ}T}{nE}=\frac{c*m*\mathrm{\Δ}T}{{\mathrm{Pt}}_0}=\frac{c*m*\[T_1-T_0\]}{{\mathrm{Pt}}_0}$

式中，a为材料的激光吸收率，P为激光照射功率，t₀为激光照射时间，T₁为t₀时刻试样的温度，T₀为试样的初始温度，c为试样比热容，m为试样质量。

本发明的测试装置填补了目前没有实际可用的根据材料表面温度变化计算激光吸收率装置的空白，利用该装置可以方便准确的测量出材料吸收率的大小，以及在一定波长下，功率和扫描速度对吸收率的影响。可用于测量激光反射率较高的材料或表面经过不同涂层处理后的材料的吸收率变化的影响。

本发明以上描述只是部分实施例，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。上述的具体实施方式是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本发明的材料和方法，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具体拓展均属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种材料激光吸收率的测试装置，其特征在于，包括试验台，试验台上设置有激光器、激光控制器、试件安装装置和温度采集装置，激光器与激光控制器相连，激光器的激光束对准试件安装装置上安装的试件，温度采集装置与试件相连，并通过数据采集装置将温度数据传给处理器。

2.根据权利要求1所述的材料激光吸收率的测试装置，其特征在于，所述试件安装装置为一个可带动试件做直线往复运动的滑动组件，滑动组件由丝杠螺母机构和与螺母固定连接的滑台组成，丝杠螺母机构连接有伺服电机，滑台表面设有一个用于安装试件的凹槽。

3.根据权利要求1所述的材料激光吸收率的测试装置，其特征在于，所述温度采集装置为K型热电偶，固定在试件背面。

4.根据权利要求1所述的材料激光吸收率的测试装置，其特征在于，所述激光器还连接有冷却器。

5.一种涂料类材料激光吸收率的测试方法，其特征在于，利用材料激光吸收率的测试装置进行测试，该装置包括试验台，试验台上设置有激光器、激光控制器、试件安装装置和温度采集装置，激光器与激光控制器相连，激光器的激光束对准试件安装装置上安装的试件，温度采集装置与试件相连，并通过数据采集装置将温度数据传给处理器；

测试方法为：将试件固定在试件安装装置上，通过激光控制器设置激光照射功率和时间，开启激光器对试件进行照射，温度采集装置将采集到的试件温度通过数据采集装置传给处理器，通过下式计算激光吸收率，

$a=\frac{c*m*\mathrm{\Δ}T}{nE}=\frac{c*m*\mathrm{\Δ}T}{{\mathrm{Pt}}_0}=\frac{c*m*\[T_1-T_0\]}{{\mathrm{Pt}}_0}$

式中，P为激光照射功率，t₀为激光照射时间，T₁为t₀时刻试样的温度，T₀为试样的初始温度，c为试样比热容，m为试样质量。

6.根据权利要求5所述的涂料类材料激光吸收率的测试方法，其特征在于，所述温度采集装置为K型热电偶，固定在试件背面。

7.根据权利要求5所述的涂料类材料激光吸收率的测试方法，其特征在于，所述激光器还连接有冷却器。

8.一种金属材料激光吸收率的测试方法，其特征在于，利用材料激光吸收率的测试装置进行测试，该装置包括试验台，试验台上设置有激光器、激光控制器、试件安装装置和温度采集装置，激光器与激光控制器相连，激光器的激光束对准试件安装装置上安装的试件，温度采集装置与试件相连，并通过数据采集装置将温度数据传给处理器；试件安装装置为一个可带动试件做直线往复运动的滑动组件，滑动组件由丝杠螺母机构和与螺母固定连接的滑台组成，丝杠螺母机构连接有伺服电机，滑台表面设有一个用于安装试件的凹槽；

测试方法为：将试件固定在试件安装装置上，通过激光控制器设置激光照射功率和时间，通过调整伺服电机参数设置滑台直线往复运动的位移、时间和速度，开启激光器对试件进行照射，同时开启伺服电机，使滑台带动试件做直线往复运动，温度采集装置将采集到的试件温度变化通过数据采集装置传给处理器，通过下式计算激光吸收率，

$a=\frac{c*m*\mathrm{\Δ}T}{nE}=\frac{c*m*\mathrm{\Δ}T}{{\mathrm{Pt}}_0}=\frac{c*m*\[T_1-T_0\]}{{\mathrm{Pt}}_0}$

式中，a为材料的激光吸收率，P为激光照射功率，t₀为激光照射时间，T₁为t₀时刻试样的温度，T₀为试样的初始温度，c为试样比热容，m为试样质量。

9.根据权利要求8所述的金属材料激光吸收率的测试方法，其特征在于，所述温度采集装置为K型热电偶，固定在试件背面。

10.根据权利要求8所述的金属材料激光吸收率的测试方法，其特征在于，所述激光器还连接有冷却器。