CN108251603B - 激光加热活塞表面得到指定温度场的方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光加热活塞表面得到指定温度场的方法，采用高吸收率涂层涂覆于活塞表面，通过控制涂层涂覆在活塞表面不同区域涂覆率的方式，改变活塞表面激光吸收率与热物性参数分布，经空间等光强激光光斑照射，得到指定温度场，能实现活塞表面激光吸收能力的提升，同时可以通过已有规律设计不同涂覆方案，针对同一活塞进行不同表面温度场的加热。本发明具有设计周期短、操作过程自动化、时间、资金成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光加热活塞，特别是一种激光加热活塞表面得到指定温度场的方法。
背景技术
激光具有高亮度、高单色行和高相干性，激光的高方向性可以保证激光对非照射部位热影响很小，且极易与数控技术配合。将连续激光加载到金属材料表面，可对光斑内区域进行持续加热。但激光与材料的相互作用是一个复杂的物理过程，其温度场的分布不仅与材料的本身性质(热容、热导系数、比重)有关，还与激光参数(功率涂覆率、能量分布、作用时间)有关，而且激光与材料相互作用会受光学吸收、反射、辐射、热辐射、热传导及等离子体效应与溅射效应的影响，使被加热表面与光辐射交换变得极为复杂。
目前，对活塞进行激光加热的方法主要是利用激光的时空分布可控性，通过二元光学整形元件对激光光束进行空间能量的分配，并采用电脑控制激光在时间域上的能量输出，从而得到特定的温度场。现有激光加热方法，没有考虑活塞经加工强化处理后，由于表面较高光洁度导致的高反射率现象，激光能量利用率低，为达到指定温度需要选用高成本的大功率激光器，使激光表面加热不能充分发挥高效率、高效益、低能耗的特点。同时，现有激光加热方法，针对不同零部件、温度场均需单独设计激光光束整形元件，设计周期长，时间、资金成本高昂。
因此，现有技术的不足就需要提供一种激光能量利用率高，设计成本低的活塞激光加热方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有激光加热方法能量利用率低，激光器功率要求高，设计周期长，时间、资金成本高的缺点，提供一种激光加热活塞表面得到指定温度场的方法，该方法通过控制涂层涂覆在活塞表面不同区域涂覆率的方式，改变活塞表面激光吸收率与热物性参数分布，经空间等光强激光光斑照射，能得到指定温度场，能实现活塞表面激光吸收能力的提升，具有低成本、操作简便的特点，同时可以通过已有规律设计不同涂覆方案，针对同一活塞进行不同表面温度场的加热。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光加热活塞表面得到指定温度场的方法，其特点在于该方法包括如下步骤：
1)测试试验：在活塞被加热面涂覆涂层，以激光光束进行加热，采用测温仪记录活塞表面的涂覆层温度随加热时间的变化关系，更改加热面涂覆涂层涂覆率，以相同功率激光光束进行加热，重复进行几组试验,得到几组不同涂层涂覆率下活塞表面涂层温度随加热时间变化关系，所述的涂层涂覆率＝Sα/S0，其中，Sα为统计区域中涂覆涂层所占面积，S0为统计区域总面积；
2)模拟计算：对活塞表面加热区域进行网格划分，选取每个网格区域温度特征点，根据实测不同涂层涂覆率下活塞表面涂层温度随加热时间变化关系，选取相同加热时间下不同涂覆率的活塞表面涂层的温度记录，得到活塞表面各特征点的温度与涂覆率的关系。根据活塞表面所需达到的温度分布，得到活塞表面特征点通过激光加热达到指定温度相应涂层的涂覆率，以特征点对应涂覆率作为所属网格区域涂覆率；
3)涂层涂覆与校正：根据活塞表面各网格涂层涂覆率，将涂层涂覆于活塞表面的加热区域；
4)激光加热：对涂覆涂层的活塞表面进行激光加热，加热指定的时间得到所需的温度场。
所述的步骤1)具体包括如下步骤：
i)将离焦后的激光光斑垂直加载到未涂覆涂层的活塞表面，调节离焦量，改变光斑大小，使光斑完全加载并覆盖活塞的表面，并记录活塞表面的初始温度；
ii)选取多组涂层涂覆率，分别绘制活塞加热面采用同一涂覆率时的涂层分布图，并以涂层墨水打印冷转印膜；
iii)活塞加热面依次转印不同涂覆率涂层，均采用步骤i)相同激光照射条件，进行激光加热试验，用测温仪测试并记录不同涂覆率下，活塞加热面温度随时间变化数据。
所述的步骤2)的具体步骤如下：
i)建立活塞三维模型，对活塞顶表加热面曲面进行网格划分，选取网格温度特征点。
ii)对测试试验数据进行整理分析，按照所限定的加热时间，选取测试试验中活塞表面在不同涂覆率下加热到该时刻的温度场分布；
iii)分别提取步骤ii)所述温度场中温度特征点温度，分别求解各特征点温度涂覆率变化关系；
iv)根据步骤iii)所述温度特征点在加热指定时间时温度-涂覆率变化关系，与所需的温度分布，得到活塞表面所有特征点对应的涂层覆盖率,以特征点对应涂覆率作为所属网格区域涂覆率。
本发明的技术效果：
本发明通过控制涂层涂覆在活塞表面不同区域涂覆率的方式，改变活塞表面激光吸收率与热物性参数分布，经空间等光强激光光斑照射，能得到指定温度场，能实现活塞表面激光吸收能力的提升，同时可以通过测试试验积累的数据设计不同涂覆方案，针对同一活塞进行不同表面温度场的加热。
本发明具有设计周期短、操作过程自动化、时间、资金成本低的特点。
附图说明
图1为活塞结构示意图；
图2为活塞表面所需达到的温度场；
图3为活塞加热面网格划分；
图4为特征点温度与涂层涂覆率和激光加热时间的关系；
图5为特征点温度与涂层涂覆率的关系；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实例中的特征可以相互组合。本发明的实施例及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例，
参见图1中金属活塞头，采用激光对图1活塞顶表面进行加热，需要得到图2所示活塞顶表面温度场。
活塞顶表面不涂覆涂层，加载连续激光，用测温仪测试光斑内的温度，记录活塞加热面各时刻下温度场分布，待活塞冷却至室温，以相同激光功率重复试验并记录温度数据，得到涂覆率为0时激光加热活塞表面温度场与时间的关系。
以活塞顶表面涂层涂覆率为0.2，绘制三维涂层分布图，降维展开为二维图，以涂层墨水打印二维涂层分布图冷转印膜，转印涂覆于活塞顶表面加热区域，以相同功率的连续激光重复加热过程，记录活塞加热面温度数据。依次修改涂覆率为0.4、0.6、0.8、1.0，重复上述过程。
建立活塞三维模型，对活塞顶表加热面曲面进行网格划分，如图3所示，选取各网格区域几何重心所在点作为该区域的温度特征点，记录所有特征点的坐标信息及其目标温度值。
由测试试验数据，提取各涂层涂覆率下每一时刻活塞加热面上所有特征点的温度，对数据进行处理，得到活塞加热面所有特征点在指定激光功率与加热时间下，温度与涂层覆盖率的关系。以活塞受热面上某一特征点为例，提取不同涂覆率下该点在测试试验加热过程每一时刻温度值，拟合得到该点不同涂覆率下温度随加热时间的变化关系，如图4所示，再按照激光加热限定加热时间，截取得到该特征点在不同涂覆率下，活塞顶激光加热到指定时间时的温度变化曲线，如图5所示，得到该特征点在指定激光功率与加热时间下温度与涂层覆盖率的关系。
由温度特征点对应于所需温度场的温度值，依次计算得到各特征点对应的涂层涂覆率，将各特征点对应的涂层覆盖率赋予特征点所在网格区域，进行活塞顶表面三维涂层分布图绘制，制作涂层分布图冷转印膜并涂覆于活塞顶表面加热区域。
采用测试试验相同功率的激光光束完全覆盖活塞顶加热面，加热至限定时间，得到所需表面温度分布。
上述仅为本发明的优选实施例，必须指出的是，所属领域的技术人员凡依本发明申请内容所作的各种等效修改、变化与修正，都应成为本发明专利的保护范围。
Claims (3)
1.一种激光加热活塞表面得到指定温度场的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)测试试验：在活塞被加热面涂覆涂层，以激光光束进行加热，采用测温仪记录活塞表面的涂覆层温度随加热时间的变化关系，更改加热面涂覆涂层涂覆率，以相同功率激光光束进行加热，重复进行几组试验,得到几组不同涂层涂覆率下活塞表面涂层温度随加热时间变化关系，所述的涂层涂覆率＝Sα/S0，其中，Sα为统计区域中涂覆涂层所占面积，S0为统计区域总面积；
2)模拟计算：对活塞表面加热区域进行网格划分，选取每个网格区域的温度特征点，根据实测不同涂层涂覆率下活塞表面涂层温度随加热时间变化关系，选取相同加热时间下不同涂覆率的活塞表面涂层的温度记录，得到活塞表面各特征点的温度与涂覆率的关系，根据活塞表面所需达到的温度分布，得到活塞表面特征点通过激光加热达到指定温度的涂层相应的涂覆率，以特征点相应的涂覆率作为所属网格区域的涂覆率；
3)涂层涂覆：根据活塞表面各网格区域的涂层涂覆率，将涂层涂覆于活塞表面各网格的加热区域；
4)激光加热：对已涂覆涂层的活塞表面进行激光加热，加热指定的时间得到所需的温度场。
2.根据权利要求1所述的激光加热活塞表面得到指定温度场的方法，其特征在于所述的步骤1)具体包括如下步骤：
i)将离焦后的激光光斑垂直加载到未涂覆涂层的活塞表面，调节离焦量，改变光斑大小，使光斑完全加载并覆盖活塞的表面，并记录活塞表面的初始温度；
ii)选取多组涂层涂覆率，分别绘制活塞加热面采用同一涂覆率时的涂层分布图，并以涂层墨水打印冷转印膜；
iii)活塞加热面依次转印不同涂覆率涂层，均采用步骤i)相同激光照射条件，进行激光加热试验，用测温仪测试并记录不同涂覆率下，活塞加热面温度随时间变化数据。
3.根据权利要求1所述的激光加热活塞表面得到指定温度场的方法，其特征在于所述的步骤2)的具体步骤如下：
i)建立活塞三维模型，对活塞顶表加热面曲面进行网格划分，选取网格温度特征点；
ii)对测试试验数据进行整理分析，按照所限定的加热时间，选取测试试验中活塞表面在不同涂覆率下加热到该时刻的温度场分布；
iii)分别提取所述温度场中温度特征点温度，分别求解各特征点的温度涂覆率变化关系；
iv)根据所述温度特征点在加热指定时间时温度-涂覆率变化关系，与所需的温度分布，得到活塞表面所有特征点对应的涂层涂覆率,以特征点对应涂覆率作为所属网格区域涂覆率。
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