[发明专利]激光加热活塞表面得到指定温度场的方法

说明书

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。

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＝S_α/S₀，其中，S_α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；