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与流程

本发明涉及激光加工技术领域以及表面强化领域，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。

背景技术：

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.该发明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，本发明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，本发明为首次提出该装置。

技术实现要素：

本发明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：系统不工作时，上装配板的锥形凸与工作台面的椎形槽紧密配合，液氮无法通过锥面间隙气化而制冷。当系统开启时，计算机控制PLC集成控制系统实时收集温度传感器反馈的试样表面温度，并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。该方法可以有效扩大温度调节范围同时降低液氮使用量，并结合闭环控制提高了试样表面温度的控制精度。深冷工作台对铝合金，钢，钛合金等常见金属材料的控温范围为-20～-179℃，温度误差为±8℃，本发明最高调节精度可达±3℃。

本发明的有益效果为：

1.通过电磁原理调节锥面间隙的方法调节深冷工作台温度，金属材料的调温范围普遍可达-20～-179℃，有效拓宽了传统深冷激光冲击强化装置的调温范围。

2.直接对深冷工作台与试样进行降温，升/降温速度较快，调温响应速度较高。

3.结合闭环控制有效提高了超低温环境的温度控制精度，最高精度可达±3℃。

4.实现了激光能量，试样温度、液氮压力、湿度以及运动轨迹的智能控制，操作简便、加工效率极高。

5.液氮使用量较低，加工成本降低。

附图说明

图1为本发明所述深冷激光冲击强化实验系统右视图。

图2为本发明所述深冷激光冲击强化实验系统俯视图。

图3为深冷工作台装配图。

图4为上装配板零件图。

图5为下装配板装配图。

图中：

1.激光器，2.垂直压盖，3.第一光学玻璃，4.光学调节架，5.全反镜，6.聚光镜，7.第一除湿机，8.第二光学玻璃，9.水平压盖，10.约束层，11.吸收层，12.试样，13.温度传感器，14.深冷工作台，15.柔性液氮管路，16.保温层，17.转接头，18.液氮管路，19.第一接头，20.液氮罐，21.第二接头，22.转接台面，23.二轴运动平台，24.自动门，25.单轴运动平台，26.安全门，27.第二除湿机，28.高压气管，29.自动空气压缩机，30.PLC集成控制系统，31.计算机，32.总控台，33.外壳；14-1.工作台面，14-2.紧固螺母，14-3.上装配板，14-4.下装配板，14-5.双头螺杆，14-6.弹簧，14-7.电磁铁，14-8.压盖，14-9.螺柱，14-10.紧固螺母，14-11.内六角螺柱，14-12.底板，14-13.内六角螺柱。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图2所示，本发明所述的深冷激光冲击强化实验系统，主要包括外壳33、激光器1、光路调节系统、深冷工作台14、二轴运动平台23、温度传感器、液氮罐、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、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。光学调整区与大型设备放置区之间的第一光学玻璃3通过垂直压盖2压紧在保温层16上。光学调整区与深冷处理区之间的第二光学玻璃8通过水平压盖9压紧在保温层16上。激光器1发射的激光束经第一光学玻璃3进入光学调整区，随后激光经45°全反镜5、聚焦镜6以及第二光学玻璃8进入深冷处理区。为降低空气中水分对全反镜5、聚焦镜6以及第一光学玻璃3光学性能的影响，光学调整区使用第一除湿机7保证空气干燥。

所述深冷工作台14、二轴运动平台、温度传感器13均设置在深冷处理区，所述深冷工作台14通过转接台面22固定在二轴运动平台上。

如图3所示，所述深冷工作台14，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；所述锥形凸起上的液氮出口的直径为0.5～1.2mm。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。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。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。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。

涂覆吸收层11的试样12装配在深冷工作台14上，吸收层11上方采用蓝宝石玻璃作为约束层10，所述温度传感器13探头位于深冷工作台13的工作台面上部，用于检测待加工样品表面的温度；温度传感器13粘贴在试样12放入侧面，并通过接头B反馈至PLC集成控制系统30，实现试样温度的闭环控制。所述深冷工作台14下装配板14-4上的液氮通道通过液氮管路18与液氮罐相连，所述自动空气压缩机29通过高压气管28与第二接头21为液氮罐20提供压力源。为了实现温度控制，自动空气压缩机29通过高压气管28与第二接头21为液氮罐20提供压力源，液氮在压力作用下经第一接头19、液氮管路18与转接头17进入深冷处理区，并通过柔性液氮管路15与深冷工作台14相连接。

所述激光器1、自动空气压缩机29、二轴运动平台、温度传感器13、电磁铁均与PLC集成控制系统30与总控台32上的计算机31相连接；所述总控台32上的计算机31通过PLC集成控制系统30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13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30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，大大提高了加工效率。

为避免空气中水分对第二光学玻璃8以及约束层10光学性能的影响，深冷处理区使用第二除湿机27保证空气干燥。所述第一除湿机7、第二除湿机27的工作状态由总控台32上的计算机31通过PLC集成控制系统30控制。

为方便试样的安装与拆卸，工装调配间内设置单轴运动平台25实现深冷工作台14的移动，单轴运动平台25的工作状态由总控台32上的计算机31通过PLC集成控制系统30控制。工装调配间与深冷处理区间设置自动门24，保证深冷处理区具有一定密闭性。同时，工装调配间的侧面设置安全门26，方便人工装配与调试。

深冷工作台14的工作原理为：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。其具体过程为：系统不工作时，上装配板14-3的锥形凸与工作台面14-1的椎形槽紧密配合，液氮无法通过锥面间隙气化而制冷。当系统开启时，计算机31控制PLC集成控制系统30实时收集温度传感器13反馈的试样12表面温度，并根据实时温度与预定温度之间的差值控制电磁铁14-7的通电电流，使上装配体14-3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14-1以及试样12降温。当试样12温度接近或低于预定温度时，计算机31控制PLC集成控制系统30减少电磁铁14-7的通电电流，上装配体14-3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14进入保温或升温状态。该方法可以有效扩大温度调节范围以及升/降温速度同时降低液氮使用量，并结合闭环控制提高了试样表面温度的控制精度。

深冷激光冲击强化实验系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)开启总控台32电源，开启计算机31以及PLC集成控制系统30，开启工装调配间安全门26，安装试样12、吸收层11、约束层10以及温度传感器13；

(2)在计算机31上设置激光器1能量，试样12预定温度、液氮罐20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23运动轨迹；

(3)执行计算机31设定程序，二轴运动平台23与单轴运动平台25自动配合将深冷工作台14与试样12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30实时收集温度传感器13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14-7的通电电流，使上装配体14-3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14-1以及试样12降温；当试样12温度接近或低于预定温度时，计算机31控制PLC集成控制系统30减少电磁铁14-7的通电电流，上装配体14-3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14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20压力与试样12温度满足设定条件后，激光器1开启，同时二轴运动平台23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23与单轴运动平台25自动配合将深冷工作台14与试样12输送至工装调配间，准备执行下一程序。

所述激光器1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29保证液氮罐20内压力在30～50MPa之间；深冷工作台14对铝合金、钢、钛合金等常见金属材料工件表面的控温范围为-20～-179℃，温度误差为±8℃，最高调节精度可达±3℃。

采用本发明所述的深冷激光冲击强化实验系统对2024航空铝合金进行深冷激光冲击强化实验，2024航空铝合金尺寸为40mm×40mm×2mm。其中，激光器1采用Nd：YAG纳秒激光器1，脉宽10ns，吸收层为黑漆，平均厚度200μm；约束层为蓝宝石玻璃，厚度3mm。除湿机7设定湿度为22±2％，除湿机27设定湿度为13±0.5％，液氮罐20压力为40±2MPa。深冷工作台14中，下装配板14-44采用45#钢，上装配板14-34采用厚度10mm的7075航空硬铝加工。上装配板14-3锥形凸的通孔直径为1mm。

实验结果表明，当温度误差在±8℃以内时，深冷工作台13对2024航空铝合金的控温范围可达-16～-182℃。当温度误差在±3℃以内时，深冷工作台13对2024航空铝合金的控温范围可达-58～-137℃。上述结果表明，本发明装置可以拓宽深冷激光冲击强化的控温区间，并显著提高控温精度，满足深冷激光冲击强化的实验需求。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。