【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光强化，尤其涉及一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置及方法。
技术介绍
1、近壁面激光诱导空泡技术是利用激光击穿液体阈值，在材料近壁面形成空泡，空泡在历经“膨胀-溃灭”的过程中，产生的爆空波、振荡波、溃灭波和微射流对材料产生影响的技术。与传统的激光加工技术相比，具有材料氧化程度低、热效应影响小等优点；与其他诱导空泡的技术相比，具有球对称性好、易控制等特点。
2、激光诱导空泡技术的研究主要包括机理研究和强化技术研究，其中，针对激光诱导空泡强化技术的研究，授权公告后为cn106086319b的专利技术专利公开了一种激光诱导空泡强化泵阀芯的装置和方法，空泡溃灭冲击工件表面，使其表面形成残余压应力，提高泵阀芯表面的强度和抗空蚀性。目前激光诱导空泡技术的研究主要集中在复数空泡的形成和单一空泡的强化，鲜有对双空泡强化技术的研究。
3、虽然授权公告后为cn106271063b的专利技术专利公开了一种激光诱导双空泡的方法及装置，使液体介质中的空泡诱导强冲击波和待加工材料表面空泡诱导产生的强冲击波两者叠加，反复或同时作用于待加工材料表面，改善材料表面强度等特性，具有冲击压强高、材料氧化程度低等优势。但是上述双空泡不在待加工材料的同一平面且双空泡类型不同，在制备单凹坑时无法同时制备二级微凹坑。若使用单空泡反复叠加制备二级微凹坑，会存在较大的热效应，二级微凹坑形貌质量差，对材料表面强化效果不均匀。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种近壁面激光诱导
2、本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
3、一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，包括激光系统、扩束聚焦系统、爬高系统、分光系统、玻璃水槽、电动三维移动平台，所述玻璃水槽放置在电动三维移动平台内且其内部装满液体介质，所述玻璃水槽内固定有位于液体介质液面下方的待加工材料；
4、所述激光系统包括控制连接的激光器控制端和激光器主体，所述激光器控制端控制激光器主体的激光参数及激光输出；
5、所述扩束聚焦系统包括竖直设置的扩束镜、倾斜设置的左聚焦透镜和右聚焦透镜，所述爬高系统包括竖直设置的爬高架和分别设置在爬高架上下两端的上反射镜和下反射镜；所述扩束镜位于激光器主体和下反射镜之间，所述爬高架位于激光器主体和电动三维移动平台之间，所述左聚焦透镜和右聚焦透镜位于玻璃水槽上方且关于分光系统左右对称；
6、所述下反射镜将激光器主体通过扩束镜水平射出的激光竖直向上反射到上反射镜，所述上反射镜将激光反射到分光系统，所述分光系统将激光分为左右对称的两路，两路激光分别通过左聚焦透镜和右聚焦透镜聚焦从上向下射入液体介质中，且其焦点在待加工材料上表面，分别在待加工材料上表面形成对称的球形空泡一和空泡二；所述空泡一和空泡二的半径分别为r1和r2，所述空泡一泡心和空泡二泡心之间的距离为l，且l满足{r1，r2}min＜l＜r1+r2，使得所述空泡一和空泡二之间形成重合干涉区。
7、进一步地，所述分光系统包括位于左聚焦透镜和右聚焦透镜对称平面上的分光镜，所述分光镜下方两侧设有竖直设置且关于其对称的左反射镜和右反射镜，所述分光镜将上反射镜反射来的激光均匀分为左右对称的两路，两路激光分别通过左反射镜和右反射镜反射到对应左聚焦透镜和右聚焦透镜聚焦。
8、进一步地，还包括高速摄像机和光纤水听器系统19，所述高速摄像机设置在玻璃水槽一侧且其镜头正对待加工材料，所述光纤水听器系统19设置在玻璃水槽一侧，且其前端光纤探头置于液体介质内。
9、进一步地，还包括同步控制器和计算机，所述激光器控制端、高速摄像机、光纤水听器系统19均与同步控制器连接，所述同步控制器与计算机连接。
10、进一步地，所述下反射镜的角度为45°，所述上反射镜的角度为22.5°，所述左聚焦透镜和右聚焦透镜的角度为左右对称的45°，所述分光镜的角度为90°。
11、进一步地，所述左聚焦透镜的焦距大于10倍的空泡一半径r1，所述右聚焦透镜的焦距大于10倍的空泡二半径r2。
12、一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的方法，采用上述装置，所述激光器主体发出激光，经过扩束镜、爬高系统、分光系统均分为对称的两路，两路激光分别经过所述左聚焦透镜和右聚焦透镜聚焦后同时从上至下击穿液体介质，焦点作用于待加工材料表面，在待加工材料表面同时形成空泡一和空泡二，所述空泡一和空泡二的半径分别为r1和r2，所述空泡一泡心和空泡二泡心之间的距离为l，且l满足{r1，r2}min＜l＜r1+r2，所述空泡一和空泡二在脉动演化过程中产生叠加形成复合干涉区，所述空泡一和空泡二同步在待加工材料表面形成单凹坑，且所述复合干涉区的冲击波作用于待加工材料表面形成二级微凹坑。
13、进一步地，所述激光器主体发出激光的激光能量e满足e＞max(j0，j1)+es，其中，j0为液体介质的击穿阈值，j1为待加工材料的激光击穿阈值，es为激光在液体介质中的损耗值。
14、进一步地，所述液体介质为纯水，所述待加工材料为铝合金，es＝1.6-1.8mj。
15、进一步地，所述空泡一泡心和空泡二泡心之间的距离l通过移动电动三维移动平台调节，所述电动三维移动平台在x轴、y轴、z轴三个维度的可调范围为0-100mm，且x轴和y轴的位移精度为0.1mm，z轴的位移精度为0.05mm。
16、综上所述，本专利技术具有以下有益效果：
17、1、本专利技术通过分光系统获得两路对称激光，两路对称激光在待加工材料表面同步诱导出空泡一和空泡二，且空泡一和空泡二存在复合干涉区，这样利用近壁面激光诱导双空泡技术在材料表面同步形成双凹坑和二级微凹坑，且二级微凹坑受到两个空泡的冲击波叠加作用是同时发生的，因此形成的二级微凹坑形貌好，热效应较小，加工效果优异，避免现有技术中二次加工对一级微凹坑表面产生的不良影响，从而有效提高待加工材料的表面强化质量；
18、2、本专利技术中近壁面激光诱导的两个空泡类型相同，均为待加工材料表面产生的空泡，且双空泡在同一个平面，同一平面内同种类型的双空泡在“膨胀-溃灭”过程中形成复合干涉区，既能够保证双凹坑的质量均匀，而且复合干涉区的二级微凹坑是对一级微凹坑进行同一时间维度的二次加工，避免了现有技术中不同时序二次加工对微凹坑结构表面的不良影响；
19、3、本专利技术中可以通过电动三维移动平台调节空泡一和空泡二之间的泡心距离l，从而调节复合干涉区，l越大复合干涉区及其冲击力越小，二级微凹坑越小越浅，反之二级微凹坑越大越深，因此可以根据实际需求制备不同大小和深度的二级微凹坑。
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1.一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，其特征在于：包括激光系统、扩束聚焦系统、爬高系统、分光系统、玻璃水槽(14)、电动三维移动平台(17)，所述玻璃水槽(14)放置在电动三维移动平台(17)内且其内部装满液体介质(15)，所述玻璃水槽(14)内固定有位于液体介质(15)液面下方的待加工材料(16)；
2.根据权利要求1所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，其特征在于：所述分光系统包括位于左聚焦透镜(12)和右聚焦透镜(13)对称平面上的分光镜(9)，所述分光镜(9)下方两侧设有竖直设置且关于其对称的左反射镜(10)和右反射镜(11)，所述分光镜(9)将上反射镜(8)反射来的激光均匀分为左右对称的两路，两路激光分别通过左反射镜(10)和右反射镜(11)反射到对应左聚焦透镜(12)和右聚焦透镜(13)聚焦。
3.根据权利要求2所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，其特征在于：还包括高速摄像机(18)和光纤水听器系统(19)，所述高速摄像机(18)设置在玻璃水槽(14)一侧且其镜头正对待加工材料(16)，所述光纤水听器系
4.根据权利要求3所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，其特征在于：还包括同步控制器(2)和计算机(1)，所述激光器控制端(3)、高速摄像机(18)、光纤水听器系统(19)均与同步控制器(2)连接，所述同步控制器(2)与计算机(1)连接。
5.根据权利要求4所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，其特征在于：所述下反射镜(6)的角度为45°，所述上反射镜(8)的角度为22.5°，所述左聚焦透镜(12)和右聚焦透镜(13)的角度为左右对称的45°，所述分光镜(9)的角度为90°。
6.根据权利要求5所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，其特征在于：所述左聚焦透镜(12)的焦距大于10倍的空泡一(20)半径R1，所述右聚焦透镜(13)的焦距大于10倍的空泡二(21)半径R2。
7.一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的方法，其特征在于：采用权利要求4-6中任意一项所述的装置，所述激光器主体(4)发出激光，经过扩束镜(5)、爬高系统、分光系统均分为对称的两路，两路激光分别经过所述左聚焦透镜(12)和右聚焦透镜(13)聚焦后同时从上至下击穿液体介质(15)，焦点作用于待加工材料(16)表面，在待加工材料(16)表面同时形成空泡一(20)和空泡二(21)，所述空泡一(20)和空泡二(21)的半径分别为R1和R2，所述空泡一(20)泡心和空泡二(21)泡心之间的距离为L，且L满足{R1，R2}min＜L＜R1+R2，所述空泡一(20)和空泡二(21)在脉动演化过程中产生叠加形成复合干涉区(22)，所述空泡一(20)和空泡二(21)同步在待加工材料(16)表面形成单凹坑，且所述复合干涉区(22)的冲击波作用于待加工材料(16)表面形成二级微凹坑。
8.根据权利要求7所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的方法，其特征在于：所述激光器主体(4)发出激光的激光能量E满足E＞max(J0，J1)+Es，其中，J0为液体介质(15)的击穿阈值，J1为待加工材料(16)的激光击穿阈值，Es为激光在液体介质(15)中的损耗值。
9.根据权利要求8所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的方法，其特征在于：所述液体介质(15)为纯水，所述待加工材料(16)为铝合金，Es＝1.6-1.8mJ。
10.根据权利要求7所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的方法，其特征在于：所述空泡一(20)泡心和空泡二(21)泡心之间的距离L通过移动电动三维移动平台(17)调节，所述电动三维移动平台(17)在X轴、Y轴、Z轴三个维度的可调范围为0-100mm，且X轴和Y轴的位移精度为0.1mm，Z轴的位移精度为0.05mm。
...【技术特征摘要】
1.一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，其特征在于：包括激光系统、扩束聚焦系统、爬高系统、分光系统、玻璃水槽(14)、电动三维移动平台(17)，所述玻璃水槽(14)放置在电动三维移动平台(17)内且其内部装满液体介质(15)，所述玻璃水槽(14)内固定有位于液体介质(15)液面下方的待加工材料(16)；
2.根据权利要求1所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，其特征在于：所述分光系统包括位于左聚焦透镜(12)和右聚焦透镜(13)对称平面上的分光镜(9)，所述分光镜(9)下方两侧设有竖直设置且关于其对称的左反射镜(10)和右反射镜(11)，所述分光镜(9)将上反射镜(8)反射来的激光均匀分为左右对称的两路，两路激光分别通过左反射镜(10)和右反射镜(11)反射到对应左聚焦透镜(12)和右聚焦透镜(13)聚焦。
3.根据权利要求2所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，其特征在于：还包括高速摄像机(18)和光纤水听器系统(19)，所述高速摄像机(18)设置在玻璃水槽(14)一侧且其镜头正对待加工材料(16)，所述光纤水听器系统(19)设置在玻璃水槽(14)一侧，且其前端光纤探头置于液体介质(15)内。
4.根据权利要求3所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，其特征在于：还包括同步控制器(2)和计算机(1)，所述激光器控制端(3)、高速摄像机(18)、光纤水听器系统(19)均与同步控制器(2)连接，所述同步控制器(2)与计算机(1)连接。
5.根据权利要求4所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，其特征在于：所述下反射镜(6)的角度为45°，所述上反射镜(8)的角度为22.5°，所述左聚焦透镜(12)和右聚焦透镜(13)的角度为左右对称的45°，所述分光镜(9)的角度为90°。
6.根据权利要求5所述的一种近壁面激光诱导双空泡制备二级微凹坑的装置，其特征在于：所述左聚焦透镜...
【专利技术属性】
技术研发人员：周锐，曹宇鹏，施卫东，李康文，周岭，马迎贤，郭贵仓，胡冉冉，王振刚，张春林，仇明，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：
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