CN112501393A - 一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置与方法。通过其加热方式能实现如航空发动机叶片等微小曲面的复杂热场加载任务，具体效果为在加热表面上的较小距离10mm内实现300℃以上的温度差、整体叶片1000℃以上的整体温度。本发明提供的加热方式的主要实现方法是，通过石英灯对受热工件进行热加载，并通过调节不同位置处的石英灯功率来形成基础的温度热场。对于局部温度梯度较高的区域，通过激光器对所述局部进行照射加热，实现表面上高温驻点进行高温加热任务。本发明能够完成型如航空发动机高压涡轮叶片等小型高温大温度梯度的试验件的高温复杂温度场建立，局部极高精确温度梯度的建立任务。
Description
技术领域
本发明属于石英灯加热技术领域，具体涉及一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置与方法。
背景技术
叶片是先进燃气轮机、航空发动机发展任务中最关键的一环。燃气轮机叶片与航空发动机叶片的试验对叶片的设计、分析、检验具有极其重要的意义。先进燃气轮机、航空发动机的叶片服役温度具有加热区域小、极限温度高、热场分布复杂的特点。因此如何实现在较小的区域10mm内实现超过100℃的热场温度。
叶片通常会采用电阻式加热、石英灯辐射式加热进行热考核的任务。石英灯辐照加热的方式为，通过充有卤素气体的石英灯灯管内部的发热钨丝，对试件进行红外辐射，使得工件表面温度上升。同时在使用过程中，当石英灯温度超过1000℃时，石英表面会产生软化鼓泡的现象，因此会采用各类灯管的主动冷却技术。受制于石英灯辐照加热方式与电阻加热方式的极限功率影响，对于叶片局部高温驻点、热场梯度的精确实现具有较大难度。红宝石激光加热技术恰好具有较小加热区域内较高加热温度实现可行性。
激光加热，具有可高速加热、高速冷却的特性。在激光淬火工艺过程种，还可以进行局部选择性淬火。通过对激光多光斑尺寸的控制，能适合其它热处理方法无法胜任的管孔、深沟、微区、夹角和刀具刃口等局部区域的硬化的热处理工艺；激光可以远距离传送，能实现一台激光器多工作台同时使用，且能通过计算机编程完成加热的自动控制。
随着大功率CO2激光器的发展，激光加热被广泛应用在各种形式的表面处理中。美国通用汽车公司用十几台千瓦级CO2激光器，对转向器壳内壁局部硬化，日产3万套，提高工效四倍。激光热处理就的实施方式为，利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法，对材料实现相变硬化、表面合金化等表面改性处理，产生用其它表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置与方法，通过使用石英灯与CO2激光加热器共同组合的加热方式具有重要的实现可行性。通过发明内容，完成型如航空发动机高压涡轮叶片等小型高温大温度梯度的试验件的高温复杂温度场建立，局部极高精确温度梯度的建立任务。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，包括机架，固定在机架上的工件梯台和石英灯灯架，固定在石英灯灯架上的石英灯组、CO2激光管固定支架，固定在激光管固定支架上的CO2激光加热管，一端与CO2激光管发射端连接的激光通道，以及与激光通道另一端连接的聚焦激光头，且聚焦激光头朝向机架设置。
本发明进一步的改进在于，机架上加工有上机架冷却流道和下机架冷却流道，上机架冷却流道上开设有上进水口和上出水口，下机架冷却流道上开设有下进水口和下出水口。
本发明进一步的改进在于，工件梯台为一个凸台，其上装有固定装置。
本发明进一步的改进在于，石英灯灯架固定在机架上的水平滑道上，能够左右移动。
本发明进一步的改进在于，CO2激光加热管包括激光光束管，设置在激光光束管外侧的水冷通道，以及与激光光束管连接的外接电源，水冷通道上开设有进水口和出水口，使得冷却液从进水口进入，从出水口流出。
本发明进一步的改进在于，该装置适用于航空发动机叶片、燃气轮机叶片、高超声速飞行器翼尖和高超声速飞行器舵面。
本发明进一步的改进在于，石英灯组中，高温辐照石英灯背部布置有陶瓷/金属涂层。
本发明进一步的改进在于，机架、工件梯台上布置有热防护材料或热防护涂层。
本发明进一步的改进在于，机架、石英灯组的非加热面的粗糙度在Ra 0.8以下。
一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热方法，该方法基于所述的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，包括：
将工件固定在工件梯台中，采用石英灯组对工件进行辐照加热，对于工件不同的温度区域采用不同的加热功率与闭环控制策略；随后，对于工件的高温驻点，采用CO2激光加热管对其进行激光照射加热，形成局部驻点的高温。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，通过石英灯在滑台上的移动调增石英灯与工件的适应性位置，并通过石英灯灯阵完成对实验工件的高温温度梯度场的初步建立，石英灯加热装置的冷却管道通入冷却溶剂(如：水、水基硝酸盐溶液灯)对装置进行冷却。再通过激光器激发出的激光折射到被加热物体的目标位置上，实现对目标位置的高温温度建立与高温温梯度建立。为了更进一步地保证实验装备的使用可靠性，采用热防护材料与隔热涂层对装置进行保护。
本发明提供的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热方法，通过石英灯装置实现被加热的小型工件的主要温度场建立，并且通过石英灯在一定程度上实现小型工件的高温(大于1000℃)环境温度场的含梯度温度场(200℃/CM)的建立。对于工件的局部极高温区域，通过激光器照射实现局部极高温度梯度与温度。并通过水冷系统对激光器、石英灯加热装置进行冷却降温，对于部分极高温区域布置隔热防护材料与涂层。同时石英灯采用间隔式布置，激光器偏折等技术手段实现上述技术方法的复合方法。并通过滑台控制激光器与石英灯加热系统的相对位置，实现加热技术适应性与可调整性。
附图说明
图1为发明的整体视图。
图2为发明的前视剖面图。
图3为发明的石英灯机架局部放大图。
图4为发明的石英灯机架上视图。
图5为发明的石英灯机架前视剖面图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
如图1至图5所示，本发明提供的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，包括机架1，固定在机架1上的工件梯台2和石英灯灯架11，固定在石英灯灯架11上的石英灯组12、CO2激光管固定支架3，固定在激光管固定支架3上的CO2激光加热管4，一端与CO2激光管4发射端连接的激光通道5，以及与激光通道5另一端连接的聚焦激光头6，聚焦激光头6朝向机架1设置。
机架1上加工有上机架冷却流道13和下机架冷却流道14，上机架冷却流道13上开设有上进水口13-a和上出水口13-b，下机架冷却流道14上开设有下进水口14-a和下出水口14-b。上机架冷却流道13中冷却液从上进水口13-a进入，从上出水口13-b流出，同理，下机架冷却流道14中冷却液从下进水口14-a进入，从下出水口14-b流出。
工件梯台2为一个凸台，其上装有固定装置。
石英灯灯架11固定在机架1上的水平滑道上，能够左右移动。
CO2激光加热管4包括激光光束管8，设置在激光光束管8外侧的水冷通道7，以及与激光光束管8连接的外接电源，水冷通道7上开设有进水口7-a和出水口7-b，使得冷却液(如：冷却水或水基硝酸盐冷却液)从进水口7-a进入，从出水口7-b流出。
该装置适用于航空发动机叶片、燃气轮机叶片、高超声速飞行器翼尖和高超声速飞行器舵面。加热时，将工件固定在工件梯台2中，采用石英灯组12对工件进行辐照加热，对于工件不同的温度区域采用不同的加热功率与闭环控制策略；随后，对于工件的高温驻点，采用CO2激光加热管4对其进行激光照射加热，形成局部驻点的高温。
石英灯组12中，高温辐照石英灯背部布置有陶瓷/金属涂层。
机架1、工件梯台2等主要结构件上布置有热防护材料或热防护涂层。
机架1、石英灯组12的非加热面，通过表面处理，将金属零件粗糙度降低至Ra 0.8以下，从而实现对非加热区域的背面反射，从而提高加热效率。
CO2激光加热管4采用通用CO2激光器，通过聚能后的激光可实现高达2000℃的局部高温加热。
本发明提供的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热方法，包括以下步骤：
步骤一、将需要加热的工件固定在工件梯台2中，若工件需要内部气体冷却，则可从侧边开一个气冷通道，将冷却气体通入所需要加热工件的表面或内部；
步骤二、根据任务需求，布置石英灯组12的位置，并对不同的石英灯管下发不同的加热任务即加热功率，使得工件能加热到指定温度，石英灯组12依靠外接控制系统控制；
步骤三、根据任务需求，激光管固定支架3固定在滑道上，可通过调整支架3，使得激光头6射出的激光对准工件的加热区域，并通过传感器将该点处的温度进行采集，传入到闭环控制系统，进而对石英灯和激光管的功率进行反馈调控，来维持加热温度。
步骤四、实验开始前，要将冷却液通入到机架1的上机架冷却流道13、下机架冷却流道14中去。
步骤五、实验开始前，要将冷却液通入到CO2激光加热管4的冷却通道7中去；
步骤六、开启电源与控制系统，进行热加载任务；
步骤七、完成热加载任务后。关闭电源，待石英灯组12、CO2激光加热管4关闭完成五分钟冷却后，关闭机架1冷却管道的上机架冷却流道13、下机架冷却流道14关闭CO2激光加热管4冷却流管7内部的冷却液。
Claims (10)
1.一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，其特征在于，包括机架(1)，固定在机架(1)上的工件梯台(2)和石英灯灯架(11)，固定在石英灯灯架(11)上的石英灯组(12)、CO2激光管固定支架(3)，固定在激光管固定支架(3)上的CO2激光加热管(4)，一端与CO2激光管(4)发射端连接的激光通道(5)，以及与激光通道(5)另一端连接的聚焦激光头(6)，且聚焦激光头(6)朝向机架(1)设置。
2.根据权利要求1所述的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，其特征在于，机架(1)上加工有上机架冷却流道(13)和下机架冷却流道(14)，上机架冷却流道(13)上开设有上进水口(13-a)和上出水口(13-b)，下机架冷却流道(14)上开设有下进水口(14-a)和下出水口(14-b)。
3.根据权利要求1所述的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，其特征在于，工件梯台(2)为一个凸台，其上装有固定装置。
4.根据权利要求1所述的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，其特征在于，石英灯灯架(11)固定在机架(1)上的水平滑道上，能够左右移动。
5.根据权利要求1所述的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，其特征在于，CO2激光加热管(4)包括激光光束管(8)，设置在激光光束管(8)外侧的水冷通道(7)，以及与激光光束管(8)连接的外接电源，水冷通道(7)上开设有进水口(7-a)和出水口(7-b)，使得冷却液从进水口(7-a)进入，从出水口(7-b)流出。
6.根据权利要求1所述的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，其特征在于，该装置适用于航空发动机叶片、燃气轮机叶片、高超声速飞行器翼尖和高超声速飞行器舵面。
7.根据权利要求1所述的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，其特征在于，石英灯组(12)中，高温辐照石英灯背部布置有陶瓷/金属涂层。
8.根据权利要求1所述的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，其特征在于，机架(1)、工件梯台(2)上布置有热防护材料或热防护涂层。
9.根据权利要求1所述的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，其特征在于，机架(1)、石英灯组(12)的非加热面的粗糙度在Ra 0.8以下。
10.一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至9至任一项所述的一种石英灯与激光复合式复杂曲面加热装置，包括：
将工件固定在工件梯台(2)中，采用石英灯组(12)对工件进行辐照加热，对于工件不同的温度区域采用不同的加热功率与闭环控制策略；随后，对于工件的高温驻点，采用CO2激光加热管(4)对其进行激光照射加热，形成局部驻点的高温。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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