專利名稱：一種激光誘發活塞熱疲勞的實驗裝置及實驗方法
技術領域：
本發明涉及一種熱疲勞實驗裝置，特別是涉及一種以激光為熱源的活塞熱疲勞的實驗裝置及實驗方法。
背景技術：
目前，對于活塞熱疲勞的測試裝置的已知技術，如浙江大學等許多研究機構，已經相繼建立起以電磁感應線圈、石英燈、電阻加熱器或燃氣火焰噴射器等為加熱方式的熱疲勞模擬實驗平臺。一般來說，這類測試裝置的不足在于實驗周期比較長，加熱區域不可控。
已知的技術中，有采用激光進行材料試樣的熱疲勞試驗裝置，如文獻1，M.Kutsuna，S.Fujita，Y.Sugita，et al.Thermal fatigue test for turbine housing by a pulseYAG laser[C].SPIE，1999，3888，該文獻中公開了采用1.2kW的脈沖式YAG激光器作為加熱源的熱疲勞測試裝置，實驗平臺為一紫銅熱沉，其下通以冷水，作為測試裝置的冷卻裝置，待測試件放于紫銅上，采用熱電偶監測試件的溫度。文獻2，Schaus，Mand Pohl，M.Nd-YAG-laser simulated thermal shock and thermal fatigue behavior ofrailroad steel.Metall，1998，52(7-8)，該文獻中公開了采用脈沖式YAG激光器作為加熱源、壓縮空氣或冷水作為冷卻介質、紅外測溫儀作為測溫手段的熱疲勞測試系統。但是它們共有的缺點在于不能對活塞整體進行激光誘發熱疲勞測試。
因此，現有技術的不足就需要提供一種改進的活塞熱疲勞實驗裝置。
激光光束具有光束能量集中、可進行空間分布變換等優點，將其用于熱疲勞模擬實驗平臺，可大大提高系統的整體性能。
發明內容
本發明的目的是克服上述現有技術的實驗周期長、加熱區域不可控的缺點，從而提供一種實驗周期短、加熱區域可控、對活塞整體測試的激光誘發活塞熱疲勞實驗裝置。
為了實現上述目的，本發明采取的技術方案如下
一種激光誘發活塞熱疲勞的實驗裝置，如圖1所示，包括一支架(圖中未示出)，待測的活塞100通過一個夾具或其它固定裝置被固定在支架上；一個控制裝置1，安置在所述支架上或設置在所述支架附近，用于對整個實驗裝置的工作過程和狀態的控制。
一個加熱裝置2與所述控制裝置1連接，固定在所述支架上面位于所述活塞100的上方，用于對活塞100加熱；一個測溫裝置3與所述控制裝置1連接，固定在所述支架上，位于所述活塞100受熱表面的斜上方；一個監視裝置4，固定在所述支架上，位于所述活塞100受熱表面的斜上方，用于監視活塞100上表面的變化。
進一步地說，在上述技術方案中，所述加熱裝置2由一激光器21和一光束整形器22組成，所述控制裝置1控制所述激光器21的開啟和關閉，所述激光器21發出的激光通過所述光束整形器22后照射垂直照射到所述活塞100表面；所述光束整形器22將所述激光器21發出的一束激光變換成為一束具有多個同心環形光斑的激光，圓環的徑向寬度和個數取決于光束整形器的選擇，針對不同試驗要求應選用不同參數的光束整形器。
在上述技術方案中，還包括一個冷卻裝置5與所述控制裝置1連接，固定在所述支架上位于所述活塞100附近，用于對活塞100冷卻；所述冷卻裝置5采用風冷或水冷或者兩者結合的方式；所述冷卻裝置5由空氣壓縮機51通過一個管道53和一個噴頭52連接組成，噴頭52將冷卻氣體噴到所述活塞100的上表面；或者，所述冷卻裝置5結構設置為將活塞100放置在鋪設好管路的一個水箱上，活塞100的底部有空洞，管路過來的冷水從活塞100底部通入，噴射到活塞100內表面，從活塞100內表面流下的水落入活塞100下面回水收集槽內，并順著回水出口流走。
在上述技術方案中，所述測溫裝置3由熱電偶組成，為避免激光直接作用于其上，在活塞底部打一個靠近活塞上表面的小孔，將熱電偶埋于有激光作用的活塞上表面之下，并將測得的溫度數據輸入到所述控制裝置1；或所述測溫裝置3由至少一個紅外測溫儀組成，設置在所述活塞100上表面的斜上方來測量活塞100表面的溫度并將溫度數據輸入到所述控制裝置1；最好是，所述測溫裝置3采用兩個紅外測溫儀組成，對稱地分布在所述活塞100上表面斜上方的兩側。
在上述技術方案中，所述監視裝置4由至少一個攝像頭組成，將所得活塞100上表面的圖像輸入到所述控制裝置1進行處理，來判斷活塞100的疲勞狀態；最好是，所述監視裝置4由三個CCD(Charge Coupled Device，簡稱CCD)攝像頭組成，并等間距設置在所述活塞100上方的一個圓上。
在上述技術方案中，所述控制裝置1由至少一臺PC機，一圖像采集卡，一輸入輸出(IO)卡和一現場總線卡組成，上述PC機和各個功能卡采用已知技術進行連接。
在上述技術方案中，所述現場總線卡是PROFIBUS現場總線卡。
一種利用上述裝置的激光誘發活塞熱疲勞的實驗方法，如圖3所示，包括時間控制模式和溫度控制模式，對于時間控制模式，包括如下步驟1)通過控制裝置1設定加熱時間與冷卻時間，以及循環次數；2)設定激光的輸出波形，如矩形波(波峰持續時間為加熱時間，波谷持續時間為冷卻時間)，當加熱及冷卻周期較短、激光輸出波形的波峰和波谷功率差值較小時，系統模擬的是高周疲勞；反之，當加熱及冷卻周期較長、激光輸出波形的波峰和波谷功率差值較大時，系統模擬的是低周疲勞；3)控制激光器21出光，照射到活塞100的上表面上；4)判斷出光時間，當大于等于設定的加熱時間時，關閉激光器21，然后對活塞100進行冷卻；5)判斷冷卻時間，當大于等于設定的冷卻時間時，關閉冷卻系統；6)判斷是否達到設定的循環次數；如果是，則結束實驗；如果否，則返回步驟3)；對于溫度控制模式，包括如下步驟a)設定活塞100上某一觀測點為控制參考點，并設定該點的溫度變化范圍的上限溫度與下限溫度，設定循環次數；當設定的上限溫度與下限溫度間隔較小時，系統模擬的是高周疲勞；而當設定的上限溫度與下限溫度間隔較大時，系統模擬的是低周疲勞；b)控制裝置1控制激光器21出光；c)判斷控制參考點的溫度；當從測溫裝置3中觀測到參考點溫度低于下限溫度時，關閉冷卻裝置5，激光器21光閘打開，激光束作用于活塞100上，活塞100表面溫度上升；當該點溫度高于上限溫度時，激光器21光閘關閉，冷卻裝置5打開，活塞100表面溫度下降；d)判斷是否達到設定的循環次數；如果是，實驗完畢，停止裝置各部分；如果否，返回步驟b)。
與現有技術相比，本發明的有益效果是1)充分利用了激光能量集中，便于參數設定的優點，借助光束整形器，模擬了實際工況下活塞表面的溫度場分布；2)實驗周期短、可控性好；3)為活塞的熱疲勞研究提供了有效、可靠的實驗條件。
圖1表示本發明激光誘發活塞熱疲勞實驗裝置的裝置示意圖；圖2(a)(b)表示本發明激光誘發活塞熱疲勞實驗裝置的部分連接示意圖；圖3表示激光誘發活塞熱疲勞實驗方法的流程圖；圖4表示一實施例的溫度控制模式低周熱疲勞典型實驗結果；圖5表示一實施例的時間控制模式高周熱疲勞典型實驗結果；圖6表示一實施例中在活塞表面的激光光斑示意圖；具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述如圖1所示，制作本發明的激光誘發活塞熱疲勞實驗裝置。
其中，控制裝置1，包括一塊圖像采集卡，一塊IO卡，一塊PROFIBUS現場總線卡和兩臺PC機。
加熱裝置2，主要包括激光器21和光束整形器22。本實施例采用德國HAAS公司的HL 3006D工業用Nd-YAG連續激光器，最大功率為3000W。自帶的Winlas軟件可通過網線對激光器21進行操控，同時也支持基于Profibus-DP協議的控制軟件的開發。由控制裝置1來控制激光器21的出光時間和強度等。本實施例選用的激光器21支持Profibus-DP，本發明采用單主站的線型網絡拓樸結構，將嵌入在PC機中的現場總線卡設置為主站，激光器21設置為從站，通過Profibus就能實現上位機對激光器21的控制。
為了使模擬實驗所得數據更貼近于實際，實驗系統需要按照活塞100的實際工況設計溫度場分布。在實際工作環境中，實驗測得活塞100頂部的溫度分布近似為環狀分布，根據該實驗數據，設計了一種多圓環光束整形器22，激光經過該整形器后，在活塞100表面投射成三個同心圓環，使得活塞100頂部溫度分布接近實際工況。光束整形器22采用市場所售的常規產品或由本領域技術人員熟知的方法做成具有該功能的光束整形器；在測試不同的活塞時，應選擇不同的光束整形器，以使得激光經過光束整形器后產生的同心圓環的數目和寬度，滿足活塞頂部溫度分布接近實際工況。
冷卻裝置5，在本實施例中，采用風冷裝置，將空氣壓縮機51送出來的氣流，經過管道53的引導，從架設在活塞100斜上方的噴頭52吹出，噴出的氣流作用于活塞100的上表面。當然，也可以采用水冷裝置，其設計可為利用活塞的結構特點，將活塞放置在鋪設好管路的水箱上，活塞的底部有空洞，管路過來的冷水從活塞底部通入，噴射到活塞內表面，從活塞內表面流下的水落入活塞下面回水收集槽內，并順著回水出口流走。從上述對冷卻裝置5的描述，本領域技術人員不難發現，冷卻裝置5還可以采用其他的冷卻方式如風冷和水冷結合方式等，甚至在本發明中可以采用自然冷卻的方法等等，總之此處介紹的冷卻方法不能理解為對本發明的限制；其他本領域技術人員可以采取的實現該冷卻功能的方法均應包含在本發明的范圍中。
監視裝置4，包括三個CCD攝像頭。為了能及時發現實驗過程中產生的熱疲勞裂紋，本實施例在活塞100上方布置三個CCD攝像頭，CCD攝像頭相對活塞100成均勻分布，相互間夾角成120°。三個CCD攝像頭各負責一片區域，合起來覆蓋整個活塞100上表面。三個CCD攝像頭與嵌入在PC機內的圖像采集卡相連，將采集到的圖像傳到PC機，PC機上的裂紋分辨程序對傳來的圖像進行處理，自行分辨是否出現裂紋，一旦發現裂紋長度超過設定的閾值，程序立即發出報警信號。
測溫裝置3，本實施例采用的是英國LAND公司的System 4型紅外測溫儀，該儀器的監測波長2.4μm的電磁波，測溫范圍為150～550℃，將其與PC機的串口相連，把紅外測溫儀上的測溫數據上傳到PC機。
如圖2(a)、(b)所示，CCD攝像頭、激光器21與PC機的連接情況，冷卻裝置5、紅外測溫儀與另一個PC機的連接情況；本實施中采用了兩臺PC機，實際上，為了簡約起見，也可以只采用一臺PC機實現控制功能。
本實施例是通過多個同心環形的激光斑對活塞100表面加熱，紅外測溫儀為檢測試件表面溫度，用CCD攝像頭監視表面熱疲勞裂紋，PC機根據傳來的監視信號，控制加熱裝置2和冷卻裝置5的工作。
本實施例提供的裝置可提供兩種實驗方案時間控制模式和溫度控制模式。兩種控制模式均可實現活塞100高周或低周熱疲勞模擬。
在時間控制模式中，設定合適的實驗的加熱時間與冷卻時間，就能夠將活塞100的升降溫幅度控制在一個穩定的范圍內。在激光器21控制程序上設定激光的輸出波形，如矩形波(波峰持續時間為加熱時間，波谷持續時間為冷卻時間)，當加熱及冷卻周期較短、激光輸出波形的波峰和波谷功率差值較小時，系統模擬的是高周疲勞；反之，當加熱及冷卻周期較長、激光輸出波形的波峰和波谷功率差值較大時，系統模擬的是低周疲勞。
在溫度控制模式中，設定活塞100上某一觀測點為控制參考點，保證該點的溫度變化范圍在設定的上限溫度與下限溫度之間。當從紅外測溫儀或熱電偶中觀測到該點溫度低于下限溫度時，水閥、氣閥關閉，激光器21光閘打開，激光束作用于活塞100上，活塞100表面溫度上升；當該點溫度高于上限溫度時，激光器21光閘關閉，水閥、氣閥打開，活塞100表面溫度下降。如此動作不斷循環，直到達到設定的循環次數。當設定的上限溫度與下限溫度間隔較小時，系統模擬的是高周疲勞；而當設定的上限溫度與下限溫度間隔較大時，系統模擬的是低周疲勞。
整個實驗過程，都是由PC機完成，包括實驗參數的設定，實驗過程的動態監測及各硬件裝置的動作控制，并同時在PC上記錄下實驗數據。
本實施例采用的活塞直徑為150mm，高140mm。激光光束經過光束整形器后在活塞表面的光場分布如圖6所示，帶有斜線的陰影區域表示激光光照區域，其中r1＝5mm，r2＝40mm，r3＝50mm，r4＝60mm，r5＝67.5mm。
利用上述裝置的一種激光誘發活塞熱疲勞實驗方法，如圖3所示，包括時間控制模式和溫度控制模式，對于時間控制模式，包括如下步驟1)通過控制裝置1設定加熱時間為2s與冷卻時間為3s，以及循環次數為100次，如圖5所示；2)設定激光的輸出波形，如矩形波(波峰持續時間為加熱時間，波谷持續時間為冷卻時間)；由于加熱時間2s、冷卻時間3s，波形為矩形波，本實驗為高周疲勞測試；3)控制激光器21出光，照射到活塞100的上表面上；4)判斷出光時間，當大于等于設定的加熱時間時，關閉激光器21，然后對活塞100進行冷卻；5)判斷冷卻時間，當大于等于設定的冷卻時間時，關閉冷卻系統；6)判斷是否達到設定的循環次數；如果是，則結束實驗；如果否，則返回步驟3)。
對于溫度控制模式，包括如下步驟a)設定活塞100上距離中心65mm的一點作為控制參考點，并設定該點的溫度變化范圍的上限溫度320℃與下限溫度260℃，設定循環次數50，如圖4所示；由于上限溫度和下限溫度之間間隔較大，故本實驗完成低周熱疲勞實驗；
b)控制裝置1控制激光器21出光；c)判斷控制參考點的溫度；當從測溫裝置3中觀測到參考點溫度低于下限溫度時，關閉冷卻裝置5，激光器21光閘打開，激光束作用于活塞100上，活塞100表面溫度上升；當該點溫度高于上限溫度時，激光器21光閘關閉，冷卻裝置5打開，活塞100表面溫度下降。
d)判斷是否達到設定的循環次數；如果是，實驗完畢，停止裝置各部分；如果否，返回步驟b)。
權利要求
1.一種激光誘發活塞熱疲勞的實驗裝置，包括一支架，待測的活塞(100)通過一個夾具或其它固定裝置被固定在所述支架上；一個控制裝置(1)，安置在所述支架上或設置在所述支架附近，用于對整個實驗裝置的工作過程和狀態的控制；其特征在于，還包括一個用于對活塞(100)加熱的加熱裝置(2)與所述控制裝置(1)連接，固定在所述支架上面位于所述活塞(100)的上方；一個用于測量活塞(100)受熱區域的溫度的測溫裝置(3)與所述控制裝置(1)連接；一個用于監視活塞(100)上表面變化的監視裝置(4)，固定在所述支架上，位于所述活塞(100)受熱表面的斜上方；所述控制裝置(1)由至少一臺PC機，一圖像采集卡，一輸入輸出卡和一PROFIBUS現場總線卡組成。
2.根據權利要求1所述的激光誘發活塞熱疲勞的實驗裝置，其特征在于，所述加熱裝置(2)由一激光器(21)和一光束整形器(22)組成，所述控制裝置(1)控制所述激光器(21)的開啟和關閉，所述激光器(21)發出的激光通過所述光束整形器(22)后照射垂直照射到所述活塞(100)上表面；所述光束整形器(22)將所述激光器(21)發出的一束激光變換成為一束具有多個同心環形光斑的激光。
3.根據權利要求1或2所述的激光誘發活塞熱疲勞的實驗裝置，其特征在于，還包括一個用于對活塞(100)冷卻的冷卻裝置(5)與所述控制裝置(1)連接，固定在所述支架上位于所述活塞(100)附近。
4.根據權利要求3所述的激光誘發活塞熱疲勞的實驗裝置，其特征在于，所述冷卻裝置(5)采用風冷或水冷或者兩者結合的方式。
5.根據權利要求3所述的激光誘發活塞熱疲勞的實驗裝置，其特征在于，所述冷卻裝置(5)由空氣壓縮機(51)通過一個管道(53)和一個噴頭(52)連接組成，噴頭(52)將冷卻氣體噴到所述活塞(100)的上表面；或者所述冷卻裝置(5)結構設置為將活塞(100)放置在鋪設好管路的一個水箱上，活塞(100)的底部有一空洞，管路過來的冷水從活塞(100)底部通入，噴射到活塞(100)內表面，從活塞(100)內表面流下的水落入活塞(100)下面一回水收集槽內，并順著一回水出口流走。
6.根據權利要求1所述的激光誘發活塞熱疲勞的實驗裝置，其特征在于，所述測溫裝置(3)由熱電偶組成，將熱電偶埋于有激光作用的活塞上表面之下，并將測得的溫度數據輸入到所述控制裝置(1)；或者所述測溫裝置(3)由至少一個紅外測溫儀組成，設置在所述活塞(100)上表面的斜上方來測量活塞(100)表面的溫度并將溫度數據輸入到所述控制裝置(1)。
7.根據權利要求6所述的激光誘發活塞熱疲勞的實驗裝置，其特征在于，所述測溫裝置(3)采用兩個紅外測溫儀組成，對稱地分布在所述活塞(100)上表面斜上方的兩側。
8.根據權利要求1所述的激光誘發活塞熱疲勞的實驗裝置，其特征在于，所述監視裝置(4)由至少一個攝像頭組成，將所得活塞(100)上表面的圖像輸入到所述控制裝置(1)進行處理，來判斷活塞(100)的疲勞狀態。
9.根據權利要求8所述的激光誘發活塞熱疲勞的實驗裝置，其特征在于，所述監視裝置(4)由三個CCD攝像頭組成，并等間距設置在所述活塞(100)上方的一個圓上。
10.一種激光誘發活塞熱疲勞的實驗方法，包括時間控制模式和溫度控制模式，對于時間控制模式，包括如下步驟1)通過控制裝置(1)設定加熱時間與冷卻時間，以及循環次數；2)設定激光的輸出波形；3)控制激光器(21)出光，照射到活塞(100)的上表面上；4)判斷出光時間，當大于等于設定的加熱時間時，關閉激光器(21)，然后對活塞(100)進行冷卻；5)判斷冷卻時間，當大于等于設定的冷卻時間時，關閉冷卻系統；6)判斷是否達到設定的循環次數；如果是，則結束實驗；如果否，則返回步驟3)；對于溫度控制模式，包括如下步驟a)設定活塞(100)上某一觀測點為控制參考點，并設定該點的溫度變化范圍的上限溫度與下限溫度，設定循環次數；b)控制裝置(1)控制激光器(21)出光；c)判斷控制參考點的溫度；當從測溫裝置(3)中觀測到參考點溫度低于下限溫度時，關閉冷卻裝置(5)，激光器(21)光閘打開，激光束作用于活塞(100)上，活塞(100)表面溫度上升；當該點溫度高于上限溫度時，激光器(21)光閘關閉，冷卻裝置(5)打開，活塞(100)表面溫度下降；d)判斷是否達到設定的循環次數；如果是，實驗完畢，停止裝置各部分；如果否，返回步驟b)。
全文摘要
本發明公開了一種以激光為熱源的活塞熱疲勞實驗裝置及方法，該裝置包括支架、控制裝置、加熱裝置、測溫裝置、監視裝置和冷卻裝置；加熱裝置由一激光器和一光束整形器組成，激光器發出的激光通過光束整形器后照射垂直照射到活塞表面，光束整形器將激光器發出的一束激光變換成為一束具有多個同心環形光斑的激光。該方法包括時間控制模式和溫度控制模式。兩種控制模式均可實現活塞高周或低周熱疲勞模擬。本發明具有能夠模擬實際工況下活塞表面的溫度場分布、實驗周期短、可控性好的優點。
文檔編號G01N25/00GK1955713SQ20051011458
公開日2007年5月2日 申請日期2005年10月26日 優先權日2005年10月26日
發明者虞鋼, 周良, 宋宏偉, 鄭彩云, 王立新, 寧偉健, 張金城, 李少霞, 王建倫, 龐銘, 劉兆, 王恒海 申請人:中國科學院力學研究所
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