[发明专利]一种水介质激光制备实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及利用特殊介质条件进行激光制备的先进制造技术领域，特别涉及一种在水介质下，通过自动化控制器件及集成，进行激光表面制备的实验装置。

背景技术

激光加工技术是一种高度柔性和智能化的先进制造技术，被誉为“21世纪的万能加工工具”，“未来制造技术的共同加工手段”。与其它加工制造技术相比，激光加工与制造技术具有高效率、高精度、高质量、应用范围广、节能环保等优点，因此，在航天航空、机械制造、石化、船舶、冶金、电子、信息等领域，激光加工技术得到了广泛的应用。与其相关的各种加工手段也得到了迅速扩展，如激光打孔、激光焊接、激光切割、激光相变硬化、激光熔凝、激光毛化、激光熔覆与合金化、激光表机、激光雕刻等等。

激光与材料交互作用，能够引起力学、物理和化学效应的变化，达到影响材料表面形态、组织结构、应力状态和成分的变化，从而使材料的韧性、耐磨、耐腐蚀、耐疲劳等特性均得以改善。其主要原因是激光加工区域在基体自冷和表面空冷作用下，较常规处理具有更高的冷却速度。传统的热处理和凝固理论认为，冷却速度越快，形核率越低，得到的晶粒越细小，因此激光表面加工能够获得精细的自淬火或非平衡结晶组织，这使得处理后材料表面具有更加优异的功能特性。

近期研究表明，为了进一步提高激光处理后的材料冷却速度，并克服传统空气介质中激光加工产生的开裂、氧化、气蚀等缺点，获得较传统激光加工更加精细的处理区组织和特殊表面性能，可以将待加工试件放置在水中，使试件表面与激光终端之间形成一定水膜厚度(处理材料的上表面到水面的距离)进行激光加工。从而可以进一步拓展激光加工技术的使用范围，在传统空气介质激光加工的基础上，开辟多元化、多介质激光加工的新途径。进而使激光加工处理区组织和整个加工表面的性能得到进一步优化，这对于满足更加精细的激光加工需求，获得特殊的激光加工表面功能具有重大意义。

然而，水介质激光加工的理论与技术研究尚刚刚开始，对其内在规律与机制还不清楚，需进行大量的试验研究，这使得开发一种专门的水介质激光制备实验装置显得极为重要。进一步来说，在利用该装置进行实验的过程中，需对实验的条件、参数等进行精确控制，从而获得精准、可靠的实验结果，这不仅是多元、多介质激光制备方法实现的需要，同时也是研究水膜介质下激光加工材料性能的需要。

发明内容

本发明的目标是提供一种能在选定的水膜厚度和介质温度(室温至100摄氏度)的条件下对试样进行水介质激光制备实验装置。

并实现装置的自动化控制，为实验参数、实验条件的获取提供精确、可靠的外部条件，为液体介质下激光表面制备研究奠定基础。

一种水介质激光制备实验装置，主要由实验水槽16、激光加工终端3和介质温度控制系统，进排水和单片机控制器9和人机界面系统1组成，所述激光加工终端3置于实验水槽16的上方，所述实验水槽16安装在数控工作台上，实验水槽16内设有试件台11，温度传感器13、水面高度传感器2和进排水和单片机控制器9，试件12通过夹具5固定在试件台11上，并浸没于水面6以下，所述介质温度控制系统由装在实验水槽16内的温度传感器13、进排水和单片机控制器9、过滤装置10和人机界面系统1组成。

所述试件12为厚度一定的标准试件，且呈水平放置在试件台11上，所述进排水和单片机控制器9成对角线布置在实验水槽16底部，所述进排水和单片机控制器9经过滤装置10和进水口阀体16通过水管8与外设的储水装置14和水泵15相连接。

所述试件12上表面与水面6之间的距离h为水膜厚度，实验所需的水膜厚度和介质温度限值由人机界面系统1设定，实验过程中水膜厚度和介质温度应保持恒定，并由人机界面系统1通过温度传感器13、水面高度传感器2和进排水和单片机控制器9控制自动调节。

所述水膜厚度经水面高度传感器2感应，通过程序计算试件12上表面与水面6的高度差获得，并由进排水和单片机控制器9控制进排水量调节。

所述水膜介质温度通过温度传感器13感应，由进排水和单片机控制器9控制进排水量实现冷热水交换调节。

所述人机界面系统1按所要求的水膜厚度和介质温度在一定范围内任意设定。

所述温度传感器13通过简易支架4安装在激光加工终端3上。

本发明的积极效果在于：可以实现激光加工的水介质温度在室温至100摄氏度之间的任意设定，并在选定的水膜厚度和介质温度的条件下试样的激光制备，实现了实验条件的精确控制和实验操作的简单易行；此外，本发明还具有成本低，结构简单，易于推广的优点。

附图说明