多系統自動化協調工作的激光誘導空化強化的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多系統自動化協調工作提高激光誘導空化強化的裝置及方法，適用于利用高能量密度的激光在水中誘導產生空化泡，利用空化泡改善靶材表面的殘余應力分布的表面改性方法的場合。
【背景技術】
[0002]在高功率激光輻射下，當激光的能量密度超過液體的擊穿閾值，液體介質會被“光擊穿”，在擊穿區域產生高溫高壓的等離子體。等離子體膨脹，形成以超音速傳播的沖擊波。同時伴隨著空化氣泡的產生，即激光空化泡。激光空化泡是研宄空泡現象的有力工具，有助于開展水下沖擊強化、水下打孔、空化空蝕特性等研宄。
[0003]早在1753年歐拉(Euler)就注意到當水管中某處的壓強降低至蒸汽壓甚至負值時，水與管壁分離，并在該處形成一個真空空間，通常人們將這種現象稱為空化。隨后，人們發現在液體流動和液力機械中，即從液體流動到水泵、水輪機或船舶螺旋槳都可能發生空化現象。空化現象是高速運動的液體所特有的物理現象，它的初生與發展取決于很多復雜的因素，一方面對水利機械、液體流動特性等有著嚴重的影響，如侵蝕破壞液力機械的葉片，在血液流動中損壞內臟等；另一方面合理利用空化現象也能對生產、生活產生幫助，如減少水污染，提高眼科手術的療效及水中激光打孔的效率等。因此，幾十年來，空化現象以及對于如何合理利用空化現象來為社會的生產、生活服務一直是科研工作者研宄的熱點問題之一。
[0004]在翻閱相關文獻后，發現各種空化裝置中對水槽不具備易換性和夾固性，不能實現計算機控制系統與各系統自動化，不利于實驗的連續性、精確性和有效性。鑒于此不足，本人提出了上文所述裝置。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種激光誘導空化強化的裝置及方法，可以更方便地研宄空化強化機制，為其工業推廣提供設備保障。
[0006]為實現上述目的，本發明采取的技術方案為:一種多系統自動化協調工作提高激光誘導空化強化的裝置，包括激光空化裝置和固定臺，所述固定臺內設有水槽，所述水槽內裝有墊塊，所述水槽的槽壁上設有溫度傳感器，所述溫度傳感器與計算機連接；所述固定臺位于升降裝置上，所述升降裝置位于二軸聯動平臺上，所述激光空化裝置發出的激光穿過所述水槽的側壁后在水槽內聚焦；所述激光空化裝置與計算機連接，所述升降裝置和所述二軸聯動平臺通過CNC伺服系統與計算機連接。
[0007]進一步的，所述固定臺上端設有導向桿，所述導向桿上安裝有活動板，所述活動板與所述導向桿移動副連接，所述活動板與氣缸的活塞桿連接，所述氣缸通過電磁閥與氮氣瓶連接。
[0008]進一步的，所述升降裝置包括升降臺，所述固定臺位于所述升降臺上，所述升降臺依次通過軸、聯軸器和伺服電機與所述CNC伺服系統連接。
[0009]進一步的，所述激光空化裝置包括激光控制器，YAG激光器，45°全反鏡，擴束鏡和聚焦鏡，所述激光器控制器控制YAG激光器發射激光，通過45°全反鏡、擴束鏡和聚焦鏡后穿過水槽的側壁后射入水槽中聚焦。
[0010]進一步的，還包括一個成像系統，所述成像系統包括照明閃光燈，高速攝像機和CCD，所述照明閃光燈、所述高速攝像機和所述CCD均與計算機連接。用于記錄空化泡的脈動及潰滅過程。
[0011]進一步的，所述水槽的上方還裝有水聽器，所述水聽器與所述計算機連接。
[0012]本發明還提供一種多系統自動化協調工作提高激光誘導空化強化的裝置的使用方法，包括如下步驟:
Si用無水乙醇或丙酮對靶材和墊塊表面進行擦拭，除去其表面的油污和灰層，防止對實驗造成干擾，影響實驗精度；將靶材和墊塊一起放入水槽中，再放入固定臺中，向水槽中加適量純凈水將靶材和墊塊淹沒；
S2計算機控制電磁閥，利用氣缸，活動板、導向桿、氮氣瓶和電磁閥組成的夾緊系統對水槽進行夾緊固定；
S3激光器控制器控制YAG激光器發射激光，通過45°全反鏡、擴束鏡和聚焦鏡組成的能量密度放大系統射入水槽的水中；
S4計算機控制CNC伺服系統，通過升降臺、聯軸器、伺服電機和軸組成的升降系統實現對水槽的升降；其中，升降臺是通過齒輪齒條機構實現上下運動的，利用已知的齒輪齒條傳動比，根據伺服電機的轉數可得出升降距離，將數值顯示在計算機屏幕上，避免人工讀數帶來的誤差；同時溫度傳感器向計算機實時反饋當沖擊過程中的水溫，并將數值顯示在計算機屏幕上；
S5通過清洗靶材表面，分析其殘余應力分布，來確定激光空化強化的效果；
S6調節升降系統，改變水溫，重復上述操作，直至得到激光空化強化的最優殘余應力分布，確定最優殘余應力分布下的水溫及最佳強化距離ds ;所述ds為革E材強化表面與激光在水槽中聚焦點之間的距離；
S7保持最佳強化距離ds和水溫不變，計算機控制二軸聯動平臺對靶材整個待強化表面進行強化。
[0013]進一步的，還包括對激光空化過程進行監控的步驟:將高速攝像機及CXD組成的成像系統與計算機相連，并將水聽器放入水槽，計算機控制照明閃光燈開關，并實時接收水聽器反饋的聲波信號與成像系統的信號；通過對聲波信號和成像系統的信號進行分析，為研宄最優殘余應力分布下的水溫及最佳強化距離ds下的激光空化過程提供數據支撐。
[0014]本發明的優點在于:(1)利用氣缸可對多種大小的水槽進行靈活裝夾固定，具備易換性；(2)帶有齒輪齒條機構的升降系統實現了數控性和精確性，避免了使用五軸聯動工作臺、數控操作臺等大型昂貴的機械，既方便快捷又減少成本；(3)將上述各系統與計算機相連實現了自動化，保證了實驗的連續性，準確性和方便快捷。(4)該強化方法和裝置相對于傳統具有無污染，利用率高等優點，可用于工業推廣。
【附圖說明】
[0015]圖1為多系統自動化協調工作提高激光誘導空化強化的裝置主視圖。
[0016]圖2為多系統自動化協調工作提高激光誘導空化強化的裝置俯視圖。
[0017]圖中，1、升降臺，2、氣缸，3、活動板，4、水聽器，5、導向桿，6、水槽，7、固定臺，8、靶材，9、溫度傳感器，10、墊塊，11、聯軸器，12、伺服電機，13、二軸聯動平臺，14、軸，15、照明閃關燈，16、高速攝像機，17、CCD, 18、CNC伺服系統，19、計算機，20、激光控制器，21、YAG激光器，22、45°全反鏡，23、擴束鏡，24、聚焦鏡，25、氮氣瓶，26、電磁閥。
[0018]具體實施方法
如圖1和圖2所示，一種多系統自動化協調工作提高激光誘導空化強化的裝置，包括激光空化裝置和固定臺7，所述激光空化裝置包括激光控制器20，YAG激光器21，45°全反鏡22，擴束鏡23和聚焦鏡24，所述激光器控制器20控制YAG激光器21發射激光，通過45°全反鏡22、擴束鏡23和聚焦鏡24后穿過水槽6的側壁后射入水槽6中聚焦。所述固定臺7內設有水槽6，所述水槽6內裝有墊塊10，所述固定臺7上端設有導向桿5，所述導向桿5上安裝有活動板3，所述活動板3與所述導向桿5移動副連接，所述活動板3與氣缸2的活塞桿連接，所述氣缸2通過電磁閥26與氮氣瓶25連接。所述水槽6的槽壁上設有溫度傳感器9，所述溫度傳感器9與計算機19連接；所述水槽6的上方還裝有水聽器4，所述水聽器4與所述計算機19連接，用于監控空化泡的聲波信息，還包括一個成像系統，所述成像系統包括照明閃光燈15，高速攝像機16和(XD17、照明閃光燈15、高速攝像機16和(XD17均與計算機