一种深冷工作台、深冷激光冲击强化实验系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种深冷工作台、深冷激光冲击强化实验系统及其控制方法，利用电磁原理调节锥面间隙从而精确控制液氮气化的体积，进而通过调节液氮气化的吸热量精确控制深冷工作台以及试样表面温度，有效扩大了深冷激光冲击强化实验系统的温度调节范围以及升/降温速度，并结合闭环控制提高了试样表面温度的控制精度。另外，本发明专利技术通过计算机与PLC控制单元实现了深冷激光冲击强化工艺过程的智能控制，降低了实验过程中的液氮使用量并提高了加工效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光加工
以及表面强化领域，提出深冷工作台、深冷激光冲击强化实验系统及其控制方法，利用电磁吸力调节锥面间隙从而精确控制液氮气化体积以及试样表面温度的深冷激光冲击强化实验系统。
技术介绍
深冷激光冲击强化技术结合了激光冲击强化高能超快以及超低温变形技术的多重优点，可以诱导产生更高的位错密度，从而显著提高金属材料表面的强硬度，在航空航天、海洋工程以及交通运输等领域均具有极其广阔的应用前景。但是，深冷激光冲击强化技术对温度具有极高的要求，且不同材料的最佳深冷温度也存在明显差异，这要求深冷激光冲击强化设备具有较大的温度调整区间以及较高的温度控制精度。目前，深冷激光冲击强化设备中普遍采用液氮作为冷却介质实现制冷，例如专利公开号为CN102492805B的专利提出一种采用深冷激光冲击强化金属材料的方法与装置，其使用液氮作为冷却介质，利用热传导原理为整个深冷处理腔降温进而控制试样表面温度，该方法虽然可以一定程度上实现深冷激光冲击强化，但是尚存在以下几点不足：1.受深冷处理腔体积的影响，降温与升温速度均较慢；2.深冷处理腔内温度分布不均匀且温度调节的响应速度较低，故试样表面温度的控制精度不高，误差较大；3.液氮使用量较大，成本较高。专利号为CN105063284A的专利申请提出一种适用于深冷激光冲击技术的高透光率的深冷激光冲击头及激光冲击系统，通过将试样浸泡在液氮中的方法实现超低温，但仍存在以下缺点：1.该方法及装置仅能实现单一温度，无法实现温度调节；2.该专利技术温度控制精度与试样大小、深冷箱体积、室温温度等密切相关，温度控制精度不高；3.液氮使用量较大，成本较高。为了提高深冷激光冲击强化设备中的温度调节范围、升/降温响应速度以及温度控制精度，本专利技术方法提出一种高精度温度控制的深冷激光冲击强化实验系统对深冷工作台以及试样降温，利用电磁吸力调节锥面间隙从而精确控制液氮气化的体积，进而通过调节液氮气化的吸热量精确控制试样表面温度。通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现通过电磁吸力调节锥面间隙进而控制深冷工作台温度的相关装置，也未发现相关方法在深冷激光冲击领域应用的相关报道，本专利技术为首次提出该装置。
技术实现思路
本专利技术提出一种高精度温度控制的深冷工作台、深冷激光冲击强化实验系统及其控制方法，利用电磁吸力调节锥面间隙从而精确控制液氮气化的体积，进而通过调节液氮气化的吸热量精确控制试样表面温度，可以拓展现有技术的调温范围及响应速度并提高其温度控制精度，同时操作简便、加工效率极高。一种深冷工作台，其特征在于，主要包括工作台面、上装配板、下装配板、双头螺杆、弹簧、电磁铁、底板，所述工作台面的下表面设置锥形槽，所述上装配板上表面设置锥形凸起，所述锥形凸起上设置贯穿所述上装配板的液氮出口，所述下装配板上设置有液氮通道，所述上装配板、下装配板上均设置有通孔，所述工作台面、上装配板、下装配板从上到下依次层叠，所述锥形槽与锥形凸起的数量相等、且锥形凸起位于锥形槽内，所述液氮通道能够与上装配板上的液氮出口连通，所述双头螺杆的一端穿过上装配板、下装配板上的通孔与工作台面螺纹连接，所述双头螺杆的另一端与底板螺纹连接，所述弹簧装于底板与下装配板之间、且处于压缩状态，所述电磁铁固定在底板上，所述下装配板采用铁磁性材料制成，上装配板采用非铁磁性材料制成。进一步地，所述锥形槽与锥形凸起的数量为多个，且分别在工作台面、上装配板上均匀分布。进一步地，所述锥形凸起上的液氮出口的直径为0.5～1.2mm。进一步地，所述双头螺杆连接工作台面的一端上还设置有锁紧螺母，双头螺杆与底板螺纹连接的一端还与内六角螺柱相连接，所述内六角螺柱用于调整工作台面水平。进一步地，所述下装配板的下表面设置凸台，所述弹簧与凸台连接。包括所述深冷工作台的深冷激光冲击强化实验系统，其特征在于，主要包括外壳、激光器、光路调节系统、所述深冷工作台、二轴运动平台、温度传感器、液氮罐、自动空气压缩机、PLC集成控制系统与总控台，所述外壳被保温层分割成深冷处理区、光学调整区、大型设备放置区，所述激光器、液氮罐、自动空气压缩机、总控台均放置在大型设备放置区，所述激光器位于大型设备放置区顶部；所述光路调节系统装于光学调整区，包括光学调节架、全反镜和聚光镜，所述全反镜和聚光镜均装在光学调节架上，所述光学调整区与大型设备放置区及深冷处理区之间的保温层上均设置由光学玻璃密封的通孔；所述深冷工作台、二轴运动平台、温度传感器均设置在深冷处理区，所述深冷工作台通过转接台面固定在二轴运动平台上，所述温度传感器探头位于深冷工作台的工作台面上部，用于检测待加工样品表面的温度；所述深冷工作台下装配板上的液氮通道通过液氮管路与液氮罐相连，所述自动空气压缩机通过高压气管与接头为液氮罐提供压力源；所述激光器、自动空气压缩机、二轴运动平台、温度传感器、电磁铁均与PLC集成控制系统与总控台上的计算机相连接；所述总控台上的计算机通过PLC集成控制系统控制激光工艺参数、运动路径以及液氮罐压力，并根据温度传感器检测到的工件表面的温度与预定温度的差值，通过PLC集成控制系统控制电磁铁的通电电流，从而调整锥形槽与锥形凸起之间的间隙d，调整液氮气化速率，实现对工件表面温度的精确控制。进一步地，所述光学调整区与深冷处理区均设置有除湿机，所述除湿机的工作状态由总控台上的计算机通过PLC集成控制系统控制。进一步地，还包括工装调配间，所述工装调配间内还设置有单轴运动平台，单轴运动平台的工作状态由总控台上的计算机通过PLC集成控制系统控制，所述工装调配间与深冷处理区之间设置有自动门。深冷激光冲击强化实验系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)开启总控台电源，开启计算机以及PLC集成控制系统，开启工装调配间安全门，安装试样、吸收层、约束层以及温度传感器；(2)在计算机上设置激光器能量，试样预定温度、液氮罐压力以及光学调整区与深冷处理区的预定湿度，并编制二轴运动平台运动轨迹；(3)执行计算机设定程序，二轴运动平台与单轴运动平台自动配合将深冷工作台与试样输送至深冷处理区指定位置，光学调整区与深冷处理区的除湿机开始初始，PLC集成控制系统实时收集温度传感器检测到的工件表面的温度，根据实时温度与预定温度之间的差值控制电磁铁的通电电流，使上装配体下移以在椎形槽与锥形凸之间形成一定间距d的空隙，液氮进入空隙并气化后带走工作台面热量实现工作台面以及试样降温；当试样温度接近或低于预定温度时，计算机控制PLC集成控制系统减少电磁铁的通电电流，上装配体上移以降低椎形槽与锥形凸间距d，使得单位时间内液氮气化体积降低，深冷工作台进入保温或升温状态；(4)当光学调整区与深冷处理区的湿度、液氮罐压力与试样温度满足设定条件后，激光器1开启，同时二轴运动平台按设定轨迹运动，实现深冷激光冲击强化；(5)强化结束后，二轴运动平台与单轴运动平台自动配合将深冷工作台与试样输送至工装调配间，准备执行下一程序。进一步地，所述激光器脉宽8～100ns，光学调整区的设定湿度为20～25％，深冷处理区的设定湿度为10～15％。空气压缩机保证液氮罐20内压力在30～50MPa之间；工件表面的控温范围为-20～-179℃，温度误差为±8℃。所述深冷工作台的工作过程为：系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深冷工作台，其特征在于，主要包括工作台面(14‑1)、上装配板(14‑3)、下装配板(14‑4)、双头螺杆(14‑5)、弹簧(14‑6)、电磁铁(14‑7)、底板(14‑12)，所述工作台面(14‑1)的下表面设置锥形槽，所述上装配板(14‑3)上表面设置锥形凸起，所述锥形凸起上设置贯穿所述上装配板(14‑3)的液氮出口，所述下装配板(14‑4)上设置有液氮通道，所述上装配板(14‑3)、下装配板(14‑4)上均设置有通孔，所述工作台面(14‑1)、上装配板(14‑3)、下装配板(14‑4)从上到下依次层叠，所述锥形槽与锥形凸起的数量相等、且锥形凸起位于锥形槽内，所述液氮通道能够与上装配板(14‑3)上的液氮出口连通，所述双头螺杆(14‑5)的一端穿过上装配板(14‑3)、下装配板(14‑4)上的通孔与工作台面(14‑1)螺纹连接，所述双头螺杆的另一端与底板(14‑12)螺纹连接，所述弹簧(14‑6)装于底板(14‑12)与下装配板(14‑4)之间、且处于压缩状态，所述电磁铁(14‑7)固定在底板14‑12)上，所述下装配板(14‑4)采用铁磁性材料制成，上装配板(14‑3)采用非铁磁性材料制成。...

【技术特征摘要】
1.一种深冷工作台，其特征在于，主要包括工作台面(14-1)、上装配板(14-3)、下装配板(14-4)、双头螺杆(14-5)、弹簧(14-6)、电磁铁(14-7)、底板(14-12)，所述工作台面(14-1)的下表面设置锥形槽，所述上装配板(14-3)上表面设置锥形凸起，所述锥形凸起上设置贯穿所述上装配板(14-3)的液氮出口，所述下装配板(14-4)上设置有液氮通道，所述上装配板(14-3)、下装配板(14-4)上均设置有通孔，所述工作台面(14-1)、上装配板(14-3)、下装配板(14-4)从上到下依次层叠，所述锥形槽与锥形凸起的数量相等、且锥形凸起位于锥形槽内，所述液氮通道能够与上装配板(14-3)上的液氮出口连通，所述双头螺杆(14-5)的一端穿过上装配板(14-3)、下装配板(14-4)上的通孔与工作台面(14-1)螺纹连接，所述双头螺杆的另一端与底板(14-12)螺纹连接，所述弹簧(14-6)装于底板(14-12)与下装配板(14-4)之间、且处于压缩状态，所述电磁铁(14-7)固定在底板14-12)上，所述下装配板(14-4)采用铁磁性材料制成，上装配板(14-3)采用非铁磁性材料制成。2.根据权利要求1所述的深冷工作台，其特征在于，所述锥形槽与锥形凸起的数量为多个，且分别在工作台面(14-1)、上装配板(14-3)上均匀分布。3.根据权利要求1所述的深冷工作台，其特征在于，所述锥形凸起上的液氮出口的直径为0.5～1.2mm。4.根据权利要求1所述的深冷工作台，其特征在于，所述双头螺杆(14-5)连接工作台面(14-1)的一端上还设置有锁紧螺母，双头螺杆与底板(14-12)螺纹连接的一端还与内六角螺柱(14-11)相连接，所述内六角螺柱(14-11)用于调整工作台面(14-1)水平。5.根据权利要求1所述的深冷工作台，其特征在于，所述下装配板(14-4)的下表面设置凸台，所述弹簧(14-6)与凸台连接。6.一种包括权利要求1所述深冷工作台的深冷激光冲击强化实验系统，其特征在于，主要包括外壳(33)、激光器(1)、光路调节系统、所述深冷工作台(14)、二轴运动平台(23)、温度传感器(13)、液氮罐(20)、自动空气压缩机(29)、PLC集成控制系统(30)与总控台(32)，所述外壳(33)被保温层(16)分割成深冷处理区、光学调整区、大型设备放置区，所述激光器(1)、液氮罐(20)、自动空气压缩机(29)、总控台(32)均放置在大型设备放置区，所述激光器(1)位于大型设备放置区顶部；所述光路调节系统装于光学调整区，包括光学调节架(4)、全反镜(5)和聚光镜(6)，所述全反镜(5)和聚光镜(6)均装在光学调节架(4)上，所述光学调整区与大型设备放置区及深冷处理区之间的保温层(16)上均设置由光学玻璃密封的通孔；所述深冷工作台、二轴运动平台(23)、温度传感器(13)均设置在深冷处理区，所述深冷工作台通过转接台面(22)固定在二轴运动平台(23)上，所述温度传感器(13)探头位于深冷工作台的工作台面上部，用于检测待加工样品表面的温度；所述深冷工作台(14)下装配板(14-4)上的液氮通道通过柔性液氮管路(15)与液氮罐(20)相连，所述自动空气压缩机(29)通过高压气管(...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟宪凯，周建忠，苏纯，盛杰，徐家乐，李京，黄舒，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32