切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置的製作方法

2023-09-21 05:01:50 1

專利名稱：切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光學領域的測量裝置，涉及一種切向氣流下材料雷射反射率動態
測量裝置。
背景技術：
雷射與材料的相互作用都首先是從材料對入射雷射能量反射和吸收開始的，材料對雷射的初始反射特性與雷射工作體制(連續、脈衝、重頻等)、雷射波長，以及材料種類、表面狀況、輻照環境等因素有關。在雷射加工、表面清洗等作用過程中，通過各種耦合機制吸收雷射能量的材料將產生熱學、力學、化學等響應，材料的這些物理、化學等響應導致其表面性質發生變化，將反過來影響材料對雷射能量的反射特性。可見，影響材料在雷射輻照過程中反射率變化的因素很多，且時常是多種影響因素耦合在一起，故很難從理論的角度對其進行定量描述，目前，主要依靠實驗的方法對材料雷射輻照過程中反射率的變化情況進行測量。因此，發展或改進反射率實驗測試裝置就成為雷射技術應用領域中較為重要的工作。由於雷射在軍事、民用領域有著廣泛的用途和廣闊的拓展前景，如雷射焊接、雷射清洗、雷射切割等，因此，國、內外一直都很重視材料雷射反射率測量裝置及方法的建立及改進，以滿足相關雷射技術應用的需求，如量熱計裝置、輻射計裝置及反射計裝置等。其中，積分球反射計和半橢球反射計是雷射輻照材料過程中反射率動態測量較為常用的裝置，與密閉容器、旋轉平臺等器件相結合，可用於對不同組份氣體靜態環境、壓力、入射角度等多種雷射加工實際條件下，材料在雷射輻照過程中反射率的動態測量。當待測材料表面存在氣流時，將影響材料對雷射能量的吸收效率，最後對加熱效果產生影響，這在定性上不 難理解，但在如何定量測量氣流作用對雷射加熱過程的影響，以及由於該影響導致的材料反射率參數的變化，仍然是測量材料在氣流作用下反射率參數所需要解決的問題。目前，從國內外公開報導的文獻來看，以建立或改進適用於靜態環境下，材料雷射反射率測量裝置或測試技術為主，尚未見到可進行材料表面存在切向氣流時，雷射輻照過程中材料反射率動態變化測量裝置的相關報導，所謂切向氣流，即氣流方向平行於光滑材料表面方向。為得到切向氣流條件下的材料雷射能量耦合係數，實現雷射與材料相互過程中最優雷射參數的準確預估，進而減少雷射加工成本及提高能源利用效率，亟需一種切向氣流條件下，雷射輻照材料過程中對其表面反射率動態變化進行測量的裝置。

實用新型內容為獲取切向氣流條件下，雷射與金屬材料相互作用過程中的能量耦合係數，本實用新型提供了一種切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置及方法。本實用新型所述切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，包括試驗段和收集測量裝置，所述試驗段包括測試材料放置區；其特徵在於:還包括吹氣系統和半橢球反射計，所述測試材料放置區和收集測量裝置的測量口分別位於所述半橢球反射計的第一焦點和第二焦點處；所述試驗段還包括與吹氣系統連接的氣道，氣道包括氣道出氣口和氣道進氣口，所述氣道的出氣方向平行於放置在測試材料放置區的測試材料外表面。優選的，所述吹氣系統包括順次相連的截止閥、減壓閥、球閥、節流閥、安全閥；所述安全閥的出口與試驗段氣道進氣口連接，所述截止閥的入口與外置氣源連接。優選的，所述吹氣系統至少具備如下特徵之一:A.所述截止閥與減壓閥連接處還有第一壓力表；B.所述減壓閥和球閥連接處還有第二壓力表。優選的，所述氣道出氣口處有氣流整形區，所述氣流整形區內徑小於氣道其他區域內徑，氣流整形區氣流通路前後部內徑大於氣流整形區氣流通路中部內徑，所述氣流整形區的氣流通路緊貼所述測試材料放置區一側。優選的，所述氣道出氣口處有氣流整形區，所述氣流整形區內徑均一，且小於氣道其他區域內徑，所述氣流整形區的氣流通路緊貼所述測試材料放置區一側。優選的，所述試驗段的測試材料放置區為敞開式。優選的，所述試驗段通過螺栓或卡槽方式固定連接在半橢球反射計的外殼上。優選的，還包 括與測量口連接的收集測量裝置，所述收集測量裝置為積分球和設置在積分球探測口的光電探測器。優選的，所述試驗段出氣口端面與半橢球反射計內壁平滑連接且內壁表面持平。採用本實用新型所述的切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，可獲取切向氣流條件下雷射與金屬材料相互作用過程中材料反射率的動態變化趨勢曲線，該裝置可方便、快捷地更換氣源和試驗段類型，實現在不同氣流組份和不同氣流速度下，材料與雷射相互作用過程中反射率變化的動態測量，獲得材料雷射能量耦合係數，可為雷射切割、雷射清洗等雷射加工過程中優化雷射參數提供依據，達到提高雷射能量利用效率、降低加工成本等經濟利益。

圖1示出本實用新型一種具體實施方式
的主示圖；圖2示出本實用新型一種具體實施方式
的側視圖；圖3示出本實用新型又一種具體實施方式
的側視圖圖4示出本實用新型所述吹氣系統的具體實施方式
各部件連接關係圖；圖5示出本實用新型的一種工作方式示意圖；各圖中附圖標記名稱為:1.試驗段2.半橢球反射計3.氣道進氣口 4.氣道出氣口 5.氣流整形區6.測試材料放置區7.第一焦點8.雷射入射口 9.第二焦點11.加熱雷射束12.探測雷射束21.截止閥22.減壓閥23.球閥24.節流閥25.安全閥27.第一壓力表28.第二壓力表29.氣源。
具體實施方式
[0028]
以下結合附圖，對本實用新型的具體實施方式
作進一步的詳細說明。當材料表面存在較高速切向氣流時，可影響材料對雷射能量的吸收效率，改變雷射加熱效應。本實用新型應用於材料測量領域，用於測量金屬或其它材料對雷射的反射率，特別是在待測材料表面存在切向氣流條件下的反射率。如圖1至3所示，本實用新型所述切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，包括試驗段I和測量口，所述試驗段包括測試材料放置區6，還包括吹氣系統和半橢球反射計2，所述測試材料放置區6和測量口分別位於所述半橢球反射計的第一焦點7和第二焦點9處；所述試驗段還包括與吹氣系統連接的氣道，氣道包括氣道出氣口 4和氣道進氣口 3，所述氣道的出氣方向平行於放置在測試材料放置區6的測試材料外表面。半橢球反射計是本領域內常用的一種反射率測量裝置，半橢球反射計的內壁表面處於鏡面狀態，根據橢圓體構造和橢圓的光學性質，利用半橢球反射計存在的兩個焦點，在半橢球的一個焦點放置光源，可以在另一個焦點收集經過反射後的反射光。將表面光滑，無凸臺凹陷的測試材料放置在所述試驗段的測試材料放置區，試驗段的氣道出口的出氣方向平行於放置在測試材料外表面，試驗段氣道入口與吹氣系統連接，開始測量之前，先打開吹氣系統，吹氣系統的氣流經過試驗段氣道的整流之後，從氣道出口噴出平行於測試材料外表面方向的均勻氣流。待形成穩定均勻的切向氣流後，將探測雷射對準位於半橢球反射計的第一焦點處的測試材料入射，測試材料外表面即為測試材料的雷射輻照面，測試材料表面的反射光經半橢球反射計內壁反射後，匯聚到第二焦點9，被位於第二焦點9的測量口收集，並完成對收集的反射率相關信息的測量。吹氣系統用於產生均勻氣流從試驗段吹入，並可調整氣流種類和氣流流量，具體的，本實用新型所述吹氣系統包括順次相連的截止閥21、減壓閥22、球閥23、節流閥24、安全閥25 ;所述安全閥25的出口與試驗段I氣道進氣口 3連接，所述截止閥21的入口與外置氣源29連接。所謂順次相連，即如圖4所示，截止閥的入口連接外置氣源，出口連接減壓閥的入口，減壓閥的出口連接後續的球閥的入口，球閥出口連接節流閥入口，節流閥出口連接安全閥入口，安全閥與試驗段氣道的進氣口連接。其中截止閥用於連通和切斷氣源；減壓閥用於降低氣源壓力至管路工作壓力；球閥用於實驗結束後迅速截斷氣流，起一定保護作用 』節流閥可調節吹氣裝置流量，進而調節穩定段氣流總壓，安全閥用於確保管路運行安全。在上述吹氣系統中，為使吹氣系統更好的工作，可以在截止閥和減壓閥的連接處設置第一壓力表27，用於監測外置氣源的輸出氣壓，還可以在減壓閥和球閥連接處設置第二壓力表28，用於監測管路工作壓力，為調節工作壓力提供參考。第一壓力表27和第二壓力表28可以單獨使用，也可以一起使用。通過更換與截止閥連接的外置氣源29，可以實現切向氣流氣體種類的迅速更換，例如可以使用氮氣、惰性氣體等作為氣源29進行吹氣測量測試材料的對應反射率。本實用新型所述試驗段用於將吹氣系統送出的氣流整形為具有穩定速度和方向均一的切向氣流，試驗段具有氣道和氣道進氣口及氣道出氣口，試驗段具有測試材料放置區以放置測試材料，並使試驗段送出的切向氣流從氣道出氣口以平行於測試材料外表面的方向送出，氣道出氣口可以設 置在測試材料放置區鄰近處。所述測試材料放置區與氣道出氣口側壁最好具備一定高度差，該高度差為測試材料厚度，使測試材料放置好後，測試材料外表面與氣道出氣口側壁處於同一平面，達到最佳測試環境。為在測試材料表面形成均勻穩定的超音速切向氣流，如圖3所示，本實用新型所述試驗段優選的具備如下特徵:所述氣道出氣口 3處有氣流整形區5，所述氣流整形區5內徑小於氣道其他區域內徑，氣流整形區氣流通路前後部內徑大於氣流整形區氣流通路中部內徑，氣流整形區的氣流通路緊貼所述測試材料放置區一側。通過上述對氣道整形區的內徑先收縮再擴大，並調節吹氣系統送出氣流的總壓，可以使氣道出氣口處形成均勻穩定的超音速切向氣流，實現在超音速切向氣流條件下測量測試材料的雷射反射率。:另一種優選實施方式如圖2所示，所述氣流整形區5內徑均一，且均小於氣道其他區域內徑，所述氣流整形區的氣流通路緊貼所述測試材料放置區一側。通過上述對氣道整形區的內徑收收縮，並調節吹氣系統送出氣流的總壓，可以使氣道出氣口處形成均勻穩定的亞聲速切向氣流，實現在亞聲速切向氣流條件下測量測試材料雷射反射率。優選的，如圖2至3所示，試驗段出氣口端面與半橢球反射計內壁平滑連接且內壁表面持平，其目的是保證測試材料表面反射的探測雷射可全部反射到第二個焦點處。所述試驗段的測試材料放置區優選為敞開式設計，即測試材料放置區不再需要用於氣流整形的管道側壁，與封閉式試驗段相比，敞開式試驗段是以穩定的大氣環境壓力做為試驗段靜壓，根據總靜壓公式並指定馬赫數即可得到滿足敞開式試驗段運行的穩定段總壓。另外，與封閉式試驗段相比，敞開式試驗段操作空間大大，便於測試樣品的安裝。所述試驗段通過螺栓或卡槽方式固定連接在半橢球反射計的外殼上，方便快速拆卸安裝。優選的，本實用新型包括與測量口連接的收集測量裝置，與測量口連接的收集測量裝置為積分球和設置在積分球探測口的光電探測器。積分球的進光口作為所述收集測量裝置的測量口設置在半橢球反射計的第二焦點處，通過進光口進入積分球內部的雷射束，經過其內壁塗覆具 有高反射係數的塗層多次無規則漫反射，使其內壁各處具有相等的光照度，布設在探測口處的光電探測器，將測量到進入積分球內部雷射束功率的變化情況。本實用新型專利所述切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置中，來自樣品材料表面反射的雷射束將進入積分球內部被收集，通過光電探測器測量其功率變化數據，通過計算便可獲得反射率的動態變化曲線，最終實現與探測雷射波長相同的雷射束輻照切向氣流條件下金屬材料反射率變化的動態測量。如圖5所示，測量開始前，確定測試材料放置區和收集測量裝置的測量口分別位於半橢球反射計2的第一焦點7和第二焦點9處，使吹氣裝置工作，調節氣流參數使測試材料外表面形成穩定的切向氣流，隨後從半橢球反射計的雷射入射口 8處射入加熱雷射束11和探測雷射束12，入射方向對準位於測試材料上半橢球反射計第一焦點7，加熱雷射束11功率較大，用於對測試材料進行加熱，探測雷射束12功率遠小於加熱雷射束11，探測雷射束12入射在測試材料外表面上的半橢球反射計的第一焦點後,測試材料表面的反射光經半橢球反射計內壁反射後，匯聚在半橢球反射計2的第二焦點9，所述收集測量裝置位於第二焦點9的測量口收集匯聚在第二焦點處的探測雷射束並測量，通過計算得出測試材料的反射率參數。通過調節吹氣裝置中氣流控制組件實施氣流流量控制，即可實現所關心切向氣流速度條件下，雷射與材料相互作用過程中反射率的動態測量。採用本實用新型所述的切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，可獲取切向氣流條件下雷射與金屬材料相互作用過程中材料反射率的動態變化趨勢曲線，該裝置可方便、快捷地更換氣源和試驗段類型，實現在不同氣流組份和不同氣流速度下，材料與雷射相互作用過程中反射率變化的動態測量，獲得材料雷射能量耦合係數，可為雷射切割、雷射清洗等雷射加工過程中優化雷射參數提供依據，達到提高雷射能量利用效率、降低加工成本等經濟利益。前文所述的為本實用新型的各個優選實施例，各個優選實施例中的優選實施方式如果不是明顯自相矛盾或以某一優選實施方式為前提，各個優選實施方式都可以任意疊加組合使用，所述實施例以及實施例中的具體參數僅是為了清楚表述實用新型發明人的實用新型驗證過程，並非用以限制本實用新型的專利保護範圍，本實用新型的專利保護範圍仍然以其權利要求書為準，凡是運用本實用新型的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本實用新型的 保護範圍內。
權利要求1.切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，包括試驗段和測量口，所述試驗段(I)包括測試材料放置區(6)； 其特徵在於:還包括吹氣系統和半橢球反射計(2)，所述測試材料放置區和測量口分別位於所述半橢球反射計的第一焦點(7)和第二焦點(9)處； 所述試驗段還包括與吹氣系統連接的氣道，氣道包括氣道出氣口(4)和氣道進氣口(3)，所述氣道的出氣方向平行於放置在測試材料放置區(6)的測試材料外表面。
2.如權利要求1所述的切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，其特徵在於:所述吹氣系統包括順次相連的截止閥(21)、減壓閥(22)、球閥(23)、節流閥(24)、安全閥(25)；所述安全閥(25)的出口與試驗段氣道進氣口( 3)連接，所述截止閥(21)的入口與外置氣源(29)連接。
3.如權利要求2所述的切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，其特徵在於:所述吹氣系統至少具備如下特徵之一: A.所述截止閥與減壓閥連接處還有第一壓力表(27); B.所述減壓閥和球閥連接處還有第二壓力表(28)。
4.如權利要求1所述的切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，其特徵在於:所述氣道出氣口(4)處有氣流整形區(5)，氣流整形區內徑小於氣道其他區域內徑，氣流整形區氣流通路前後部內徑大於氣流整形區氣流通路中部內徑，且所述氣流整形區的氣流通路緊貼所述測試材料放置區一側。
5.如權利要求1所述的切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，其特徵在於:所述氣道出氣口(4)處有氣流整形區(5)，所述氣流整形區內徑均一，且小於氣道其他區域內徑，所述氣流整形區的氣流通路緊貼所述測試材料放置區一側。
6.如權利要求1所述的切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，其特徵在於:所述試驗段的測試材料放置區(6)為敞開式。
7.如權利要求1所述的切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，其特徵在於:還包括與測量口連接的收集測量裝置，所述收集測量裝置為積分球和設置在積分球探測口的光電探測器。
8.如權 利要求1所述的切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，其特徵在於:所述試驗段出氣口端面與半橢球反射計內壁平滑連接且內壁表面持平。
專利摘要切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置，包括試驗段和測量口，所述試驗段包括測試材料放置區；還包括吹氣系統和半橢球反射計，所述測試材料放置區和測量口分別位於所述半橢球反射計的第一焦點和第二焦點處；所述試驗段還包括與吹氣系統連接的氣道，氣道包括氣道出氣口和氣道進氣口，所述氣道的出氣方向平行於放置在測試材料放置區的測試材料外表面。採用本實用新型所述的切向氣流下材料雷射反射率動態測量裝置及方法，可獲取切向氣流條件下雷射與金屬材料相互作用過程中材料反射率的動態變化趨勢曲線。
文檔編號G01N21/55GK203148845SQ20132019515
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月18日 優先權日2013年4月18日
發明者張永強, 陶彥輝, 譚福利, 趙劍衡, 張黎, 任澤斌, 秦紅崗 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所