專利名稱：大功率非接觸式激光快速加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光纖耦合半導(dǎo)體激光加熱裝置，具體涉及一種大功率非接觸式激光快速加熱裝置。
背景技術(shù)：
航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展使得高超聲速飛行器成為現(xiàn)階段各國發(fā)在的重點(diǎn)，從而對(duì)高溫環(huán)境下防/隔熱材料的耐溫極限、燒蝕、熱沖擊等使用性能提出了苛刻的要求，為了研究并測(cè)試新型防/隔熱材料的使用性能，建立一系列地面測(cè)試設(shè)備。目前測(cè)試防/隔熱材料熱沖擊、氧化及使用性能的地面加熱方式主要分為氣動(dòng)加熱、輻射加熱、通電加熱以及感應(yīng)加熱等。由于通電加熱和感應(yīng)加熱要求測(cè)試材料必須導(dǎo)電，并不能具有普適性，無法滿足所有防/隔熱材料的測(cè)試與評(píng)價(jià)。輻射加熱裝置輻射加熱裝置主要有電熱輻射熱、紅外輻射加熱等。典型的有高真空平板石墨加熱爐、石英燈陣列光電加熱爐以及太陽能輻射加熱裝置，這種加熱方式可實(shí)現(xiàn)所有材料的靜態(tài)加熱，但產(chǎn)生的熱流密度較低，加熱速率較低，不能有效地進(jìn)行熱沖擊、燒蝕等性能的測(cè)試，因此存在很大的局限性；氣動(dòng)加熱裝置主要有電弧風(fēng)洞、高頻等離子風(fēng)洞、氧乙炔，可產(chǎn)生高熱流密度的穩(wěn)定流場，用于測(cè)試與評(píng)價(jià)防/隔熱材料的燒蝕、熱沖擊、耐溫、密封等性能，然而這類設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、建造與運(yùn)行成本高、熱流參數(shù)的調(diào)節(jié)與標(biāo)定較為困難，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、水電要求較高，配套設(shè)施要求較高，安全性和操控性不高，特別是流場中的雜質(zhì)會(huì)與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而影響試驗(yàn)效果。因此急需一種高熱流密度、非接觸式、純凈穩(wěn)定加熱裝置對(duì)防/隔熱材料進(jìn)行熱沖擊、氧化、燒蝕性能的測(cè)試與評(píng)價(jià)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種大功率非接觸式激光快速加熱裝置。
·
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種大功率非接觸式激光快速加熱裝置，包括調(diào)整支架、鏡頭、光纖、CaF2窗口、第一冷卻循環(huán)水管、半導(dǎo)體激光器、PLC控制子系統(tǒng)、熱電偶溫度傳感器、電阻真空計(jì)、電磁閥、制冷機(jī)、真空電磁閥、真空泵、熱電偶探頭、第二冷水循環(huán)水管、試樣、水冷托架、進(jìn)氣閥門、環(huán)境艙和真空法蘭，鏡頭固定于調(diào)整支架上，光纖輸出端與鏡頭連接，鏡頭由多組不同焦距的透鏡組成，通過調(diào)整鏡頭的夾具和調(diào)整支架的位置確定匯聚斑點(diǎn)的大小和位置，試樣置于水冷托架上，第一冷卻循環(huán)水管分別與鏡頭、水冷托架和制冷機(jī)連接，第二冷水循環(huán)水管分別與水冷托架、環(huán)境艙和制冷機(jī)連接，制冷機(jī)通過電磁閥與PLC控制子系統(tǒng)連接，冷卻循環(huán)水由PLC控制子系統(tǒng)進(jìn)行控制，熱電偶探頭從側(cè)面穿過水冷托架置于試樣表面和背壁，溫度信號(hào)經(jīng)溫度傳感器傳輸并存儲(chǔ)至PLC控制子系統(tǒng),環(huán)境氣體經(jīng)氣瓶、減壓閥、截止閥和流量計(jì)由環(huán)境艙左側(cè)的進(jìn)氣閥門進(jìn)入環(huán)境艙，半導(dǎo)體激光器輸出能量耦合進(jìn)入光纖傳輸至鏡頭，透過環(huán)境艙上方的CaF2窗口匯聚于試樣上，真空法蘭置于環(huán)境艙底部，環(huán)境艙底部抽氣孔與真空閥門、真空波紋管和真空泵相連，排氣管道經(jīng)真空法蘭、真空電磁閥與真空泵連接，環(huán)境艙內(nèi)壓力由電阻真空計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控，整套系統(tǒng)開關(guān)及信號(hào)傳輸均由PLC控制子系統(tǒng)進(jìn)行控制。本發(fā)明為非接觸式、輸出功率線性可調(diào)、成本低。通過大功率半導(dǎo)體激光器，耦合進(jìn)入光纖后經(jīng)匯聚組合透鏡產(chǎn)生高熱流密度載荷，對(duì)環(huán)境艙內(nèi)防/隔熱材料進(jìn)行加熱，可實(shí)現(xiàn)熱沖擊、氧化、燒蝕等使用性能的測(cè)試。


圖1為發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為試樣表面升溫曲線。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅只局限于下面的實(shí)施例:本發(fā)明具有以下結(jié)構(gòu)特征:
1.環(huán)境艙采用不銹鋼焊接而成，內(nèi)設(shè)置倒流槽通冷卻循環(huán)水，上方高透窗口尺寸Φ 100mm，熱電偶溫度傳感器信號(hào)線從側(cè)面穿過并通過高溫密封膠密封，底部抽氣孔與真空閥門、電磁閥、真空波紋管以及真空泵相連，通過PLC控制閥門與電磁閥以調(diào)節(jié)試驗(yàn)艙內(nèi)真空度，采用電阻真空計(jì)檢測(cè)環(huán)境艙內(nèi)壓力；2.熱電偶溫度傳感器探頭分別與環(huán)境艙內(nèi)試樣正面和背面相連，信號(hào)線穿過環(huán)境艙與控制子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集儀相連，由PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)；3.半導(dǎo)體激光器輸出能量I禹合進(jìn)入光纖,光纖另一端與鏡頭相連,鏡頭由多組不同焦距高透鏡片組成，鏡頭置于支架上并與環(huán)境艙中軸線重合；4.環(huán)境艙、調(diào)整鏡頭、水冷托架均與水冷子系統(tǒng)相連；5.供氣子系統(tǒng)與環(huán)境艙左側(cè)進(jìn)氣法蘭相連，實(shí)現(xiàn)環(huán)境艙內(nèi)不同氣體組分的實(shí)驗(yàn)環(huán)境;6.半導(dǎo)體激光輸出功率、水冷托架位置、熱電偶溫度傳感器、環(huán)境艙內(nèi)壓力及冷卻子系統(tǒng)均由PLC集中控制。本發(fā)明具有以下幾個(gè)主要技術(shù)特征:1.半導(dǎo)體激光器功率O 1500W線性可調(diào)，輸出波長980±10nm，耦合光纖直徑1mm,長5m ;測(cè)試區(qū)域Φ I 50mm ；2.窗口材料采用CaF2透鏡，鏡頭組合鏡片采用石英鍍膜鏡片，確保全譜透過率>95% ；3.利用熱電偶溫度傳感器測(cè)量材料表面和背壁溫度，測(cè)溫范圍O 3000°C /s，根據(jù)防/隔熱材料表面的吸收率的不同，材料表面溫度升溫速率為10 1500°C /S，可測(cè)試不同材料的熱沖擊性能；4.試驗(yàn)艙真空度可達(dá)10_3Pa，可實(shí)現(xiàn)不同壓力環(huán)境下的氧化試驗(yàn)，此外供氣子系統(tǒng)可通入氧氣、氬氣、空氣以及混合氣體，用以測(cè)試不同氣體組分、壓力環(huán)境下防/隔熱材料的氧化、燒蝕性能。試驗(yàn)測(cè)試表明，本發(fā)明熱載荷達(dá)2MW/m2可以使得試件表面溫度超過2500°C，升溫速率高達(dá)1500°C /s，能夠滿足防/隔熱材料熱沖擊、氧化、燒蝕及防/隔熱使用性能測(cè)試的要求。實(shí)施例1本實(shí)施例是一種大功率非接觸式激光快速加熱裝置，包括半導(dǎo)體激光器6，激光能量耦合進(jìn)入光纖3，光纖3輸出端與鏡頭2相連，鏡頭2固定于調(diào)整支架I上，通過改變支架I位置和鏡頭2的焦距調(diào)整加熱區(qū)域，激光光束通過光纖3、鏡頭2，透過環(huán)境艙19上方的CaF2窗口匯聚于試樣16上，試樣置于水冷托架17上，第一冷卻循環(huán)水管5分別與鏡頭
2、水冷托架17和制冷機(jī)11連接，第二冷水循環(huán)水管15分別與水冷托架17、環(huán)境艙19和制冷機(jī)11連接，由PLC控制子系統(tǒng)7進(jìn)行控制，熱電偶探頭14從側(cè)面穿過水冷托架17置于試樣16表面和背壁，溫度信號(hào)經(jīng)溫度傳感器8傳輸并存儲(chǔ)至PLC，環(huán)境氣體經(jīng)氣瓶、減壓閥、截止閥和流量計(jì)由環(huán)境艙左側(cè)的進(jìn)氣閥門18進(jìn)入環(huán)境艙19，真空法蘭20置于環(huán)境艙19底部，排氣管道經(jīng)真空電磁閥12與真空泵13相連，環(huán)境艙內(nèi)壓力電阻真空計(jì)19實(shí)時(shí)監(jiān)控，整套系統(tǒng)開關(guān)及信號(hào)傳輸均由PLC進(jìn)行控制。本實(shí)施例能夠?qū)Ψ?隔熱材料進(jìn)行低壓熱沖擊測(cè)試，試件裝夾至水冷托架上，根據(jù)試樣大小調(diào)整鏡頭焦距和支架的高度確定加載區(qū)域，連接熱電偶溫度傳感器探頭至試樣表面和背壁，測(cè)試信號(hào)傳輸正常后關(guān)閉艙門，開啟制冷機(jī)和真空泵，待冷卻循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定、真空艙內(nèi)壓力達(dá)到試驗(yàn)要求后,開啟半導(dǎo)體激光,開始采集溫度傳感器信號(hào),逐步增加輸出功率，即開始加熱，待溫度達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求后，穩(wěn)定功率一段時(shí)間；整個(gè)操作均通過PLC控制子系統(tǒng)操作面板進(jìn)行集中控制，試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉半導(dǎo)體激光、信號(hào)采集開關(guān)，開啟進(jìn)氣開關(guān)后打開環(huán)境艙，待冷卻一端時(shí)間后關(guān)閉制冷機(jī)，獲取PLC中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源。ZrB2-20SiC-10C超高溫陶瓷材料高溫?zé)釠_擊試驗(yàn)，試件尺寸:直徑為40mm，厚度為2mm。將試件固定于水冷托架上，通過控制支架位置和鏡頭驕焦距調(diào)節(jié)加載光斑直徑至10mm，改變真空閥大小調(diào)節(jié)環(huán)境艙內(nèi)壓力10_2Pa ;開啟半導(dǎo)體激光，進(jìn)行連續(xù)加熱同時(shí)利用熱電偶溫度傳感器記錄試樣表面及背壁溫度歷程；試驗(yàn)表明，試驗(yàn)進(jìn)行到4.7s時(shí)，試件背壁溫度已達(dá)到1500°C。試驗(yàn)后對(duì)試樣進(jìn)行切割至3mmX4mmX 36mm,進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，以評(píng)估材料的抗熱沖擊性能。實(shí)施例2本實(shí)施例是一種大功率非接觸式激光快速加熱裝置，包括半導(dǎo)體激光器6，激光能量耦合進(jìn)入光纖3，光纖3輸出端與鏡頭2相連，鏡頭2固定于調(diào)整支架I上，通過改變支架I位置和鏡頭2的焦距調(diào)整加熱區(qū)域，激光光束通過光纖3、鏡頭2，透過環(huán)境艙19上方的CaF2窗口匯聚于試樣16上，試樣置于水冷托架17上，第一冷卻循環(huán)水管5分別與鏡頭
2、水冷托架17和制冷機(jī)11連接，第二冷水循環(huán)水管15分別與水冷托架17、環(huán)境艙19和制冷機(jī)11連接，由PLC控制子系統(tǒng)7進(jìn)行控制，熱電偶探頭14從側(cè)面穿過水冷托架17置于試樣16表面和背壁，溫度信號(hào)經(jīng)溫度傳感器8傳輸并存儲(chǔ)至PLC，環(huán)境氣體經(jīng)氣瓶、減壓閥、截止閥和流量計(jì)由環(huán)境艙左側(cè)的進(jìn)氣閥門18進(jìn)入環(huán)境艙19，真空法蘭20置于環(huán)境艙19底部，排氣管道經(jīng)真空電磁閥12與真空泵13相連，環(huán)境艙內(nèi)壓力電阻真空計(jì)19實(shí)時(shí)監(jiān)控，整套系統(tǒng)開關(guān)及信號(hào)傳輸均由由PLC進(jìn)行控制。本實(shí)施例能夠?qū)Ψ?隔熱材料進(jìn)行混合氣氛氧化測(cè)試，試件裝夾至水冷托架上，根據(jù)試樣大小調(diào)整鏡頭焦距和支架的高度確定加載區(qū)域，連接熱電偶溫度傳感器探頭至試樣表面和背壁，測(cè)試 信號(hào)傳輸正常后關(guān)閉艙門，按一定比例通入氧氣和IS氣，開啟制冷機(jī)和真空泵,待冷卻循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定、真空艙內(nèi)壓力達(dá)到試驗(yàn)要求后，開啟半導(dǎo)體激光,開始采集溫度傳感器信號(hào)，逐步增加輸出功率，即開始加熱，待溫度達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求后，穩(wěn)定功率一段時(shí)間；整個(gè)操作均通過PLC控制子系統(tǒng)操作面板進(jìn)行集中控制，試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉半導(dǎo)體激光、信號(hào)采集開關(guān)，開啟進(jìn)氣開關(guān)后打開環(huán)境艙，待冷卻一端時(shí)間后關(guān)閉制冷機(jī)，獲取PLC中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源。
ZrB2-20SiC-10C超高溫陶瓷材料高溫?zé)釠_擊試驗(yàn)，試件尺寸:直徑為10mm，厚度為2mm。將試件固定于水冷托架上，通過控制支架位置和鏡頭驕焦距調(diào)節(jié)加載光斑直徑至10mm，開啟供氣子系統(tǒng)，按氧氬氣比9: I通入至環(huán)境艙同時(shí)改變真空閥大小調(diào)節(jié)環(huán)境艙內(nèi)壓力10_2Pa ;開啟半導(dǎo)體激光，進(jìn)行連續(xù)加熱同時(shí)利用熱電偶溫度傳感器記錄試樣表面及背壁溫度歷程；試驗(yàn)表明，試驗(yàn)進(jìn)行到20s時(shí)，試件背壁溫度已達(dá)到2000°C。試驗(yàn)后利用材料上分析手段對(duì)抗 氧化性能進(jìn) 行評(píng)估。
權(quán)利要求
1.一種大功率非接觸式激光快速加熱裝置，包括調(diào)整支架(I)、鏡頭(2)、光纖(3)、CaF2窗口(4)、第一冷卻循環(huán)水管(5)、半導(dǎo)體激光器(6)、PLC控制子系統(tǒng)(7)、熱電偶溫度傳感器⑶、電阻真空計(jì)(9)、電磁閥(10)、制冷機(jī)(11)、真空電磁閥(12)、真空泵(13)、熱電偶探頭(14)、第二冷水循環(huán)水管(15)、試樣(16)、水冷托架(17)、進(jìn)氣閥門(18)、環(huán)境艙(19)和真空法蘭(20)，其特征在于:鏡頭(2)固定于調(diào)整支架(I)上，光纖(3)輸出端與鏡頭(2)連接，鏡頭(2)由多組不同焦距的透鏡組成，通過調(diào)整鏡頭(2)的夾具和調(diào)整支架(I)的位置確定匯聚斑點(diǎn)的大小和位置，試樣(6)置于水冷托架(17)上，第一冷卻循環(huán)水管(5)分別與鏡頭(2)、水冷托架(17)和制冷機(jī)(11)連接，第二冷水循環(huán)水管(15)分別與水冷托架(17)、環(huán)境艙(19)和制冷機(jī)(11)連接，制冷機(jī)(11)通過電磁閥(10)與PLC控制子系統(tǒng)⑵連接，冷卻循環(huán)水由PLC控制子系統(tǒng)(7)進(jìn)行控制，熱電偶探頭(14)從側(cè)面穿過水冷托架(17)置于試樣(16)表面和背壁,溫度信號(hào)經(jīng)溫度傳感器(8)傳輸并存儲(chǔ)至PLC控制子系統(tǒng)(7)，環(huán)境氣體經(jīng)氣瓶、減壓閥、截止閥和流量計(jì)由環(huán)境艙左側(cè)的進(jìn)氣閥門(18)進(jìn)入環(huán)境艙(19)，半導(dǎo)體激光器(6)輸出能量耦合進(jìn)入光纖(3)傳輸至鏡頭(2)，透過環(huán)境艙 (19)上方的CaF2窗口(4)匯聚于試樣(16)上,真空法蘭(20)置于環(huán)境艙(19)底部,環(huán)境艙(19)底部抽氣孔與真空閥門、真空波紋管和真空泵相連，排氣管道經(jīng)真空法蘭(20)、真空電磁閥(12)與真空泵(13)連接，環(huán)境艙(19)內(nèi)壓力由電阻真空計(jì)(9)實(shí)時(shí)監(jiān)控，整套系統(tǒng)開關(guān)及信號(hào)傳輸均由PLC控制子系統(tǒng)(7)進(jìn)行控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種大功率非接觸式激光快速加熱裝置，包括調(diào)整支架、鏡頭、光纖、CaF2窗口、第一冷卻循環(huán)水管、半導(dǎo)體激光器、PLC控制子系統(tǒng)、熱電偶溫度傳感器、電阻真空計(jì)、電磁閥、制冷機(jī)、真空電磁閥、真空泵、熱電偶探頭、第二冷水循環(huán)水管、試樣、水冷托架、進(jìn)氣閥門、環(huán)境艙和真空法蘭。本發(fā)明為非接觸式、輸出功率線性可調(diào)、成本低。通過大功率半導(dǎo)體激光器，耦合進(jìn)入光纖后經(jīng)匯聚組合透鏡產(chǎn)生高熱流密度載荷，對(duì)環(huán)境艙內(nèi)防/隔熱材料進(jìn)行加熱，可實(shí)現(xiàn)熱沖擊、氧化、燒蝕等使用性能的測(cè)試。
文檔編號(hào)G01N1/44GK103234804SQ20131014590
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者孟松鶴, 金華, 徐凱, 許承海, 解維華 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)