CN1751838A - 水下激光冲击成形中有关参数的测定方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光冲击成形水膜厚度对冲击波参数影响的测定方法和装置，适用于以液体做约束层及冲击波传递介质的各种情形下的检测。该装置包括激光发生器、激光发生器控制系统、水膜厚度调节系统、压力检测系统、约束层及吸收层材料。由控制系统控制激光发生器按预定参数产生激光脉冲，激光束通过约束层照射到涂布在传感器保护膜上的吸收层上，吸收层材料汽化、电离产生冲击波，经保护膜传递到传感器表面，传感器在压力作用下发生变形产生电信号，检测装置检测到这一信号经放大、量值转换后在示波器上显示出冲击波的压力曲线，根据检测结果分析约束层水膜厚度和传导层水膜厚度对冲击波参数的影响，确定不同激光能量下最佳水膜厚度。

Description

水下激光冲击成形中有关参数的测定方法和装置
技术领域
本发明涉及快速成形领域，特指一种基于激光冲击波技术的以水或玻璃(以及透明薄膜)—水做约束层的水下激光冲击成形中有关参数的测定方法和装置，适用于各类以液体做约束层或冲击波传导介质的激光冲击成形。
背景技术
由于激光具有冲击波效应，国内外普遍开展基于冲击波技术的快速成形加工的理论和应用研究。因激光脉冲很窄，作用时间极短，相应的其产生的冲击波有效作用时间也很短，不利于工件成形，位解决这一问题，普遍使用约束层技术。其中已具备实用性的是用水做约束层，通常的做法是在工件表面直接喷水，利用自然形成的水膜来约束激光汽化的气体的膨胀，以增加冲击波峰压和延长冲击波有效作用时间。至于水膜厚度对约束效果的影响一般都没有充分考虑。
与本发明最为接近的技术是水下爆炸成形中对水深影响的测定技术。水下爆炸成形是在一定水深的地方放置炸药，利用炸药爆炸产生的爆轰波是工件成形，其中水深对工件成形是有一定影响的。水下爆炸成形中水深对爆轰波强度影响的测定一般是通过间接方法测定，即在一定深度的水面下安放炸药并在同一深度距炸药一定距离放置工件，测定不同水深时工件的变形量来判断水深对爆轰波强度的影响。从原理上讲利用水等液体做约束层的激光冲击成形与水下爆炸成形类似，而激光冲击成形由于激光参数的精确可控，成形精度高，安全性好，因此具有更为广阔的前景。
发明内容
本发明的目的是要提供以水做约束层的激光冲击成形技术中水膜厚度对冲击波参数影响的测定方法和装置。
本发明的特征在于利用激光冲击波作为成形力源，分别以水、水—透明薄膜以及玻璃一水组合作为约束层，以压电陶瓷作为压力传感器，在线检测不同水膜厚度下冲击波的压力和时间关系。
实施本发明方法的装置包括激光发生器、激光发生器控制系统，其特征在于水膜厚度调节系统、压力检测系统、约束层及吸收层材料；该装置中压力检测系统由传感器保护膜、压力传感器依次叠放在底座上，其中压力传感器经导线与压力检测装置、示波器、微机相连而成。涂有吸收层材料的压力传感器保护膜覆盖在压力传感器表面，并和压力传感器一起安装在底座上，而传感器又通过导线将电信号传递给压力检测装置，压力检测装置把测得的压力显示在示波器上，同时又将数据传送给计算机。
对于自由水膜厚度对冲击波强度影响的检测，其水膜厚度调节系统由水槽及设于其底部的排水孔、排水管、排水阀组成，约束层为水。对于约束水膜厚度对冲击波强度影响的检测，其水膜厚度调节系统由水槽与位于其侧面的依次连接的“O”型密封圈、调节螺杆、调节支架组成，约束层为玻璃和水。
由激光发生器控制系统控制激光发生器按预定参数产生激光脉冲，激光束通过约束层照射到涂布在传感器保护膜上的吸收层上，吸收层材料汽化、电离产生冲击波，经保护膜传递到传感器表面，传感器在压力作用下发生变形产生电信号，检测装置检测到这一信号经放大、量值转换后在示波器上显示出冲击波的压力曲线，并将检测数据保存在微机中。调节水膜厚度检测不同水膜厚度下冲击波强度。根据检测结果强度确定不同激光强度下最佳约束层水膜厚度。
 本发明的实施过程如下：
 1.在传感器保护膜上涂布吸收层材料。
 2.将保护膜覆盖在传感器表面并和传感器一起安装在底座上。
 3.将压力传感器、压力检测装置、示波器、计算机用导线连接起来。
 4.由激光发生器控制装置控制激光发生器按要求的能量、光斑直径发出激光脉冲，激光束反射镜(用于自由水膜约束层的检测)、约束层照射到吸收层上，吸收层汽化产生冲击波导致压力传感器变形从而在传感器两极产生电位差，检测装置检测到这一电位差信号经放大、量值转换以图形形式在示波器上显示出来，并将数据送到微机保存。
 5.逐步调整激光功率检测不同功率下冲击波压力。
 6.调整水膜厚度，重复4、5步，检测各种水膜厚度下冲击波参数。
 7.根据检测结果分析水膜厚度对冲击波参数的影响，确定不同激光功率下最佳水膜厚度，用以指导具体加工。
本发明的优点在于：
(1)目前以液体为约束层的激光冲击加工中，在检测激光驱动的冲击波参数时水膜厚度不易精确控制，本装置通过水膜厚度调节系统可以精确调节水膜厚度，从而测得不同水膜厚度下的冲击波参数。
(2)采用有覆膜的瞬时响应特性比PVDF膜好的压电陶瓷作为压力传感器，通过覆膜对冲击波的衰减作用避免压电陶瓷易被冲击波击碎的问题，还可以使压电陶瓷在线性范围内工作，克服了压力传感器的高压整定困难和线性区窄的缺陷。
(3)本发明可针对以液体作为约束层或传递介质的各种情况进行检测，以确定不同情况下水膜厚度对冲击波参数的影响，从而选择最佳约束层水膜厚度和传递介质水膜厚度，并用于实际加工，以便获得最佳冲击成形效果。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是自由水膜作为约束层的检测装置。
图2是以约束水膜即玻璃(或透明薄膜)—水组合做为约束层的检测装置。
1.激光发生器  2.激光束  3.反射镜  4.标尺  5.水槽  6.吸收层  7.压力传感器保护膜  8.压力传感器  9.导线  10.水  11.排水孔  12.排水阀  13.排水管  14.底座  15.激光发生器控制装置  16.示波器  17.检测装置  18.计算机  19.玻璃(或透明薄膜)  20.“O”型密封圈  21.调节螺杆  22.调节支架
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
实施本发明方法的装置包括激光发生器1、激光发生器控制系统15、水膜厚度调节系统、压力检测系统、约束层及吸收层材料6。其中压力检测系统由传感器保护膜7、压力传感器8、底座14、导线9、压力检测装置17、示波器16、微机18组成。对于自由水膜厚度对冲击波强度影响的检测，其水膜厚度调节系统由水槽5、排水孔11、排水管13、排水阀12组成，约束层为水10。对于约束水膜厚度对冲击波强度影响的检测，其水膜厚度调节系统由水槽5、“O”型密封圈20、调节螺杆21、调节支架22组成，约束层为玻璃(或透明薄膜)19和水10。
涂有吸收层材料6的压力传感器保护膜7覆盖在压力传感器8表面，并和压力传感器8一起安装在底座14上，而传感器8又通过导线9将电信号传递给压力检测装置17，压力检测装置17把测得的压力显示在示波器16上，同时又将数据传送给计算机18。
激光发生器产生能量在10～100焦耳，持续时间8～80纳秒的激光脉冲，激光束的光斑模式可是基模、多模等多种模式，由激光发生器的控制装置控制和调节。
激光发生器产生的激光脉冲光束经导光系统透过约束层(水膜或玻璃(透明薄膜)—水膜)照射到吸收层上，被其中的能量转换体吸收并引起约束层材料的汽化、电离产生冲击波，冲击波传递到传感器表面使传感器发生变形，在传感器两个电极上产生电位差，检测装置检测到这一电位差经放大、量值转换后在示波器上显示冲击波图形，并把数据送入微机保存。通过调整激光功率、光斑直径、水膜厚度，可测得不同激光能量、约束层和传递层水膜厚度下的冲击波参数，最后根据检测数据分析水膜厚度对冲击波参数的影响，并确定不同激光能量下最佳约束层水膜厚度和传递层水膜厚度，用于指导具体以水做约束层的激光冲击成形，以期获得最佳成形效果。

Claims (5)

1.水下激光冲击成形中有关参数的装置，包括激光发生器、激光发生器控制系统、其特征在于设有水膜厚度调节系统、压力检测系统、约束层及吸收层材料，该装置中压力检测系统由传感器保护膜(7)、压力传感器(8)依次叠放在底座(14)上，其中压力传感器(8)经导线(9)与压力检测装置(17)、示波器(16)、微机(18)相连而成。
2.根据权利要求1所述的水下激光冲击成形中有关参数的装置，其特征在于对于自由水膜厚度对冲击波强度影响的检测，所述水膜厚度调节系统由水槽(5)及设于其底部的排水孔(11)、排水管(13)、排水阀(12)组成，约束层为水(10)。
3.根据权利要求1所述的水下激光冲击成形中有关参数的装置，其特征在于对于约束水膜厚度对冲击波强度影响的检测，其水膜厚度调节系统由水槽(5)与位于其侧面的依次连接的“O”型密封圈(20)、调节螺杆(22)、调节支架(21)组成，约束层为玻璃(19)和水(10)。
4.根据权利要求1所述的水下激光冲击成形中有关参数的测定方法，其特征在于由激光发生器控制系统控制激光发生器按预定参数产生激光脉冲，激光束通过约束层照射到涂布在传感器保护膜上的吸收层上，吸收层材料汽化、电离产生冲击波，经保护膜传递到传感器表面，传感器在压力作用下发生变形产生电信号，检测装置检测到这一信号经放大、量值转换后在示波器上显示出冲击波的压力曲线，并将检测数据保存在微机中。
5.根据权利要求4所述的水下激光冲击成形中有关参数的测定方法，其特征在于调节水膜厚度检测不同水膜厚度下冲击波强度，根据检测结果强度确定不同激光强度下最佳约束层水膜厚度。
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