激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的裝置和方法，適用于應(yīng)用激光在水中產(chǎn)生空泡，利用空泡潰滅產(chǎn)生的高強(qiáng)度力效應(yīng)在高性能水泵材料的表面產(chǎn)生高幅值殘余壓應(yīng)力的場合。
【背景技術(shù)】
[0002]空化問題一直是水力機(jī)械領(lǐng)域研宄的核心問題，空化對于水利機(jī)械的危害主要在于:改變液體的水動力作用，降低水泵材料的性能；產(chǎn)生空蝕，損壞水泵內(nèi)轉(zhuǎn)輪的表面；輻射空化噪聲，引起振動和噪聲等。流體機(jī)械工作者長期以來致力于尋求防止空化或降低空蝕危害的對策，正不斷向高水頭、高揚(yáng)程、大容量方向發(fā)展。從而使預(yù)防空化成為日益突出的課題。
[0003]提高水泵材料的抗蝕能力通常的方法是用高性能，抗蝕性能好的材料制造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，或者在容易發(fā)生空化侵蝕的部位堆焊或噴鍍的方法提高其抗蝕性，對于已投入運(yùn)行水泵的檢修，采用堆焊方法更簡單易行。在工程上常采用噴丸和激光沖擊等技術(shù)，使水泵金屬材料獲得較深層的殘余壓縮壓力。然而研宄表明在水的約束下，激光強(qiáng)化產(chǎn)生的壓力幅值約為空氣中的四倍，因此激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料具有其他方法不具備的一些優(yōu)點(diǎn)，如經(jīng)過激光空化強(qiáng)化后的水泵金屬材料表面光滑，并且更容易加工水泵葉輪根部狹窄的部位。
[0004]激光空泡的產(chǎn)生原理是:激光聚焦于水中，擊穿水形成等離子體，聚焦區(qū)壓力急劇上升，對外膨脹，導(dǎo)致泡內(nèi)壓力急劇下降，形成具有和螺旋槳空化空泡相似的空泡，激光空化空泡在固壁面附近潰滅時(shí)將產(chǎn)生沖擊波和射流。
[0005]目前如何合理利用空化泡的研宄及應(yīng)用并不多，主要是利用激光空泡產(chǎn)生的沖擊波來進(jìn)行一些微型工件的裝配，以及利用激光空泡進(jìn)行微加工。然而利用激光空泡來強(qiáng)化容易遭受侵蝕的高性能水泵材料的研宄仍然十分稀少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供利用激光空泡產(chǎn)生的沖擊波來進(jìn)行強(qiáng)化高性能水泵材料的裝置和方法，以獲得最優(yōu)的激光空化強(qiáng)化效果。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的裝置，其特征在于，包括容器，承料工作臺，壓電換能器和激光空化強(qiáng)化裝置；所述承料工作臺位于所述容器內(nèi)，所述承料工作臺上安裝有卡盤，所述卡盤的四周安裝有若干壓電換能器，所述激光空化強(qiáng)化裝置位于所述容器上方；所述壓電換能器和所述激光空化強(qiáng)化裝置均與計(jì)算機(jī)連接。
[0008]上述方案中，所述激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的裝置包括激光器控制器，YAG激光器和透鏡組；所述激光器控制器用來控制所述YAG激光器，所述YAG激光器發(fā)出的激光經(jīng)透鏡組后照射到所述容器內(nèi)的高性能水泵材料上。
[0009]上述方案中，所述容器內(nèi)還安裝有環(huán)形玻璃空腔，所述環(huán)形玻璃空腔能夠移動，以配合所述YAG激光器發(fā)出的激光的橫向進(jìn)給。
[0010]上述方案中，所述承料工作臺為不銹鋼承料工作臺，所述卡盤為不銹鋼卡盤。
[0011]本發(fā)明還提供了激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的方法，包括以下步驟:
1)將高性能水泵材料置于裝有液體的容器中的承料工作臺上，并利用卡盤進(jìn)行固定；
2)通過激光器控制器調(diào)節(jié)YAG激光器的參數(shù)，使其發(fā)射的激光滿足產(chǎn)生空化泡的試驗(yàn)要求，并保證空泡產(chǎn)生在環(huán)形玻璃空腔的腔體內(nèi)；
3)空泡潰滅產(chǎn)生的高壓沖擊波通過環(huán)形玻璃空腔準(zhǔn)確作用在高性能水泵材料上，壓電換能器感應(yīng)到潰滅產(chǎn)生的沖擊力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鬏斀o計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲處理；
4)取出高性能水泵材料，對高性能水泵材料進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，檢測空化強(qiáng)化效果；以此類推，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不斷通過激光器控制器反復(fù)的對激光器進(jìn)行縱向調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對空泡的潰滅位置和存儲壓電換能器感應(yīng)到潰滅產(chǎn)生的沖擊力的存儲，最終計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)記錄激光空化強(qiáng)化效果最佳時(shí)的壓電換能器感應(yīng)到潰滅產(chǎn)生的沖擊力的數(shù)值和對應(yīng)激光器控制器、YAG激光器和透鏡組的參數(shù)；
5)將環(huán)形玻璃空腔橫向移動并配合激光器控制器控制激光器運(yùn)動，在保證激光空化強(qiáng)化效果最佳條件下實(shí)現(xiàn)高性能水泵材料的整個(gè)表面的強(qiáng)化處理。
[0012]上述方案中，所述YAG激光器(2)的單脈沖能量范圍為20mJ?100mJ可調(diào)，脈寬5ns?50ns可調(diào)，輸出波長為1.06 μ mD
[0013]本發(fā)明的有益效果:(1)首先本發(fā)明充分利用了空化泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高強(qiáng)度力效應(yīng)來對高性能水泵材料的表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，將原本對社會生產(chǎn)造成阻礙，對水利機(jī)械設(shè)備造成沖蝕破壞、工作效率下降等嚴(yán)重副作用的空化泡得到合理利用。(2)其次本發(fā)明對空泡安裝了引導(dǎo)裝置，使空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高壓微射流能夠準(zhǔn)確的作用在高性能水泵材料的某一點(diǎn)，完成精確定位，但同時(shí)引導(dǎo)裝置又能配合激光器本身橫向移動完成整個(gè)區(qū)域高性能水泵材料的強(qiáng)化。(3)由于不同的高性能水泵材料強(qiáng)化所需的高壓沖擊力也不同，因此本發(fā)明加入了壓力感應(yīng)和反饋裝置，能夠及時(shí)感應(yīng)到高壓微射流作用于高性能水泵材料表面壓力的大小，并通過反饋裝置反復(fù)調(diào)節(jié)該壓力，使空化泡潰滅時(shí)沖擊力大小能夠與高性能水泵材料本身相匹配，從而實(shí)現(xiàn)對多種不同高性能水泵材料強(qiáng)化的目的。使激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料能夠真正得到廣泛應(yīng)用，為水利機(jī)械領(lǐng)域提高水泵材料的抗蝕能力作出貢獻(xiàn)。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的方法和裝置；
在圖中:1-激光器控制器；2-YAG激光器；3_透鏡組；4_環(huán)形玻璃空腔；5_容器；6_不銹鋼卡盤；7_不銹鋼承料工作臺；8_壓電換能器；9_高性能水泵材料；10_計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面通過附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0016]如圖1所示，激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的方法和裝置包括以下步驟:
I)將高性能水泵材料9置于裝有液體的容器5中的不銹鋼承料工作臺7上，并利用不銹鋼卡盤6進(jìn)行固定。
[0017]2)通過激光器控制器I調(diào)節(jié)YAG激光器2的參數(shù)(包括激光能量、輸出波長、光斑直徑)，使參數(shù)滿足產(chǎn)生空化泡的試驗(yàn)要求，使其通過透鏡組3在液體中產(chǎn)生空泡，并保證空泡產(chǎn)生在環(huán)形玻璃空腔4的腔體內(nèi)。
[0018]3)空泡潰滅產(chǎn)生的高壓沖擊波通過環(huán)形玻璃空腔4準(zhǔn)確作用在高性能水泵材料9上，壓電換能器8感應(yīng)到潰滅產(chǎn)生的沖擊力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鬏斀o計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)10，取出高性能水泵材料9，對高性能水泵材料9進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，檢測空化強(qiáng)化效果；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)10對每一次壓電換能器8產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果反饋給激光器控制器I，通過激光器控制器I反復(fù)的對激光器2進(jìn)行縱向的調(diào)節(jié)，改變空泡的潰滅位置，最終確定該高性能水泵材料9的最優(yōu)合適的沖擊力及激光器參數(shù)。
[0019]4)將環(huán)形玻璃空腔4橫向移動并配合激光器控制器I控制激光器2運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)高性能水泵材料9整個(gè)表面的強(qiáng)化處理。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的裝置，其特征在于，包括容器(5)，承料工作臺(7)，壓電換能器(8)和激光空化強(qiáng)化裝置；所述承料工作臺(7)位于所述容器(5)內(nèi)，所述承料工作臺(7 )上安裝有卡盤(6 )，所述卡盤(6 )的四周安裝有若干壓電換能器(8 )，所述激光空化強(qiáng)化裝置位于所述容器(5)上方；所述壓電換能器8和所述激光空化強(qiáng)化裝置均與計(jì)算機(jī)(10)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的裝置，其特征在于，所述激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的裝置包括激光器控制器(I )，YAG激光器(2)和透鏡組(3);所述激光器控制器(I)用來控制所述YAG激光器(2 )，所述YAG激光器(2 )發(fā)出的激光經(jīng)透鏡組(3 )后照射到所述容器(5 )內(nèi)的高性能水泵材料(9 )上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的裝置，其特征在于，所述容器(5 )內(nèi)還安裝有環(huán)形玻璃空腔(4 )，所述環(huán)形玻璃空腔(4 )能夠移動，以配合所述YAG激光器(2)發(fā)出的激光的橫向進(jìn)給。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的裝置，其特征在于，所述承料工作臺(7 )為不銹鋼承料工作臺，所述卡盤(6 )為不銹鋼卡盤(6 )。
5.激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的方法，包括以下步驟: 1)將高性能水泵材料(9)置于裝有液體的容器(5)中的承料工作臺(7)上，并利用卡盤(6)進(jìn)行固定； 2)通過激光器控制器(I)調(diào)節(jié)YAG激光器(2)的參數(shù)，使其發(fā)射的激光滿足產(chǎn)生空化泡的試驗(yàn)要求，并保證空泡產(chǎn)生在環(huán)形玻璃空腔(4)的腔體內(nèi)； 3)空泡潰滅產(chǎn)生的高壓沖擊波通過環(huán)形玻璃空腔(4)準(zhǔn)確作用在高性能水泵材料(9)上，壓電換能器(8)感應(yīng)到潰滅產(chǎn)生的沖擊力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鬏斀o計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(10)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(10)對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲處理； 4)取出高性能水泵材料(9)，對高性能水泵材料(9)進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，檢測空化強(qiáng)化效果；以此類推，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(10)不斷通過激光器控制器(I)反復(fù)的對激光器(2)進(jìn)行縱向調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對空泡的潰滅位置和存儲壓電換能器(8)感應(yīng)到潰滅產(chǎn)生的沖擊力的存儲，最終計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(10)記錄激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料效果最佳時(shí)的壓電換能器(8)感應(yīng)到潰滅產(chǎn)生的沖擊力的數(shù)值和對應(yīng)激光器控制器(I).YAG激光器(2)和透鏡組(3)的參數(shù)； 5)將環(huán)形玻璃空腔(4)橫向移動并配合激光器控制器(I)控制激光器(2)運(yùn)動，在保證激光空化強(qiáng)化效果最佳條件下實(shí)現(xiàn)高性能水泵材料(9)整個(gè)表面的強(qiáng)化處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的方法，其特征在于，所述YAG激光器(2)的單脈沖能量范圍為20mJ?100mJ可調(diào)，脈寬5ns?50ns可調(diào)，輸出波長為.1.06 μ m.
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光空化強(qiáng)化高性能水泵材料的裝置和方法，包括容器，承料工作臺，壓電換能器和激光空化強(qiáng)化裝置；所述承料工作臺位于所述容器內(nèi)，所述承料工作臺上安裝有卡盤，所述卡盤的四周安裝有若干壓電換能器，所述激光空化強(qiáng)化裝置位于所述容器上方；所述壓電換能器和所述激光空化強(qiáng)化裝置均與計(jì)算機(jī)連接。本發(fā)明通過引導(dǎo)和反饋裝置使空泡潰滅時(shí)的高壓微射流的大小得到控制，從而使原本在材料上產(chǎn)生破壞的空化現(xiàn)象作用在高性能水泵材料上的力不再是破壞，而是產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而有效改善高性能水泵材料的機(jī)械性能，達(dá)到強(qiáng)化的目的。
【IPC分類】B23K26-356
【公開號】CN104759758
【申請?zhí)枴緾N201510141497
【發(fā)明人】任旭東, 吳坤, 袁壽其, 佟艷群, 何浩, 盧加興, 左成亞, 王德順, 周睿, 王杰
【申請人】江蘇大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年3月30日