CN103234804B - 大功率非接触式激光快速加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大功率非接触式激光快速加热装置，包括调整支架、镜头、光纤、CaF2窗口、第一冷却循环水管、半导体激光器、PLC控制子系统、热电偶温度传感器、电阻真空计、电磁阀、制冷机、真空电磁阀、真空泵、热电偶探头、第二冷水循环水管、试样、水冷托架、进气阀门、环境舱和真空法兰。本发明为非接触式、输出功率线性可调、成本低。通过大功率半导体激光器，耦合进入光纤后经汇聚组合透镜产生高热流密度载荷，对环境舱内防/隔热材料进行加热，可实现热冲击、氧化、烧蚀等使用性能的测试。

Description

大功率非接触式激光快速加热装置

技术领域

本发明涉及的是一种光纤耦合半导体激光加热装置，具体涉及一种大功率非接触式激光快速加热装置。

背景技术

航空航天技术的不断发展使得高超声速飞行器成为现阶段各国发在的重点，从而对高温环境下防/隔热材料的耐温极限、烧蚀、热冲击等使用性能提出了苛刻的要求，为了研究并测试新型防/隔热材料的使用性能，建立一系列地面测试设备。

目前测试防/隔热材料热冲击、氧化及使用性能的地面加热方式主要分为气动加热、辐射加热、通电加热以及感应加热等。由于通电加热和感应加热要求测试材料必须导电，并不能具有普适性，无法满足所有防/隔热材料的测试与评价。辐射加热装置辐射加热装置主要有电热辐射热、红外辐射加热等。典型的有高真空平板石墨加热炉、石英灯阵列光电加热炉以及太阳能辐射加热装置，这种加热方式可实现所有材料的静态加热，但产生的热流密度较低，加热速率较低，不能有效地进行热冲击、烧蚀等性能的测试，因此存在很大的局限性；气动加热装置主要有电弧风洞、高频等离子风洞、氧乙炔，可产生高热流密度的稳定流场，用于测试与评价防/隔热材料的烧蚀、热冲击、耐温、密封等性能，然而这类设备系统构成复杂、建造与运行成本高、热流参数的调节与标定较为困难，对实验环境、水电要求较高，配套设施要求较高，安全性和操控性不高，特别是流场中的杂质会与材料发生化学反应，从而影响试验效果。因此急需一种高热流密度、非接触式、纯净稳定加热装置对防/隔热材料进行热冲击、氧化、烧蚀性能的测试与评价。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大功率非接触式激光快速加热装置。

本发明的目的是这样实现的：一种大功率非接触式激光快速加热装置，包括调整支架、镜头、光纤、CaF2窗口、第一冷却循环水管、半导体激光器、PLC控制子系统、热电偶温度传感器、电阻真空计、电磁阀、制冷机、真空电磁阀、真空泵、热电偶探头、第二冷水循环水管、试样、水冷托架、进气阀门、环境舱和真空法兰，镜头固定于调整支架上，光纤输出端与镜头连接，镜头由多组不同焦距的透镜组成，通过调整镜头的夹具和调整支架的位置确定汇聚斑点的大小和位置，试样置于水冷托架上，第一冷却循环水管分别与镜头、水冷托架和制冷机连接，第二冷水循环水管分别与水冷托架、环境舱和制冷机连接，制冷机通过电磁阀与PLC控制子系统连接，冷却循环水由PLC控制子系统进行控制，热电偶探头从侧面穿过水冷托架置于试样表面和背壁，温度信号经温度传感器传输并存储至PLC控制子系统，环境气体经气瓶、减压阀、截止阀和流量计由环境舱左侧的进气阀门进入环境舱，半导体激光器输出能量耦合进入光纤传输至镜头，透过环境舱上方的CaF2窗口汇聚于试样上，真空法兰置于环境舱底部，环境舱底部抽气孔与真空阀门、真空波纹管和真空泵相连，排气管道经真空法兰、真空电磁阀与真空泵连接，环境舱内压力由电阻真空计实时监控，整套系统开关及信号传输均由PLC控制子系统进行控制。

本发明为非接触式、输出功率线性可调、成本低。通过大功率半导体激光器，耦合进入光纤后经汇聚组合透镜产生高热流密度载荷，对环境舱内防/隔热材料进行加热，可实现热冲击、氧化、烧蚀等使用性能的测试。

附图说明

图1为发明的结构示意图；

图2为试样表面升温曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅只局限于下面的实施例：

本发明具有以下结构特征：

1.环境舱采用不锈钢焊接而成，内设置倒流槽通冷却循环水，上方高透窗口尺寸Φ100mm，热电偶温度传感器信号线从侧面穿过并通过高温密封胶密封，底部抽气孔与真空阀门、电磁阀、真空波纹管以及真空泵相连，通过PLC控制阀门与电磁阀以调节试验舱内真空度，采用电阻真空计检测环境舱内压力；

2.热电偶温度传感器探头分别与环境舱内试样正面和背面相连，信号线穿过环境舱与控制子系统数据采集仪相连，由PLC进行数据采集与存储；

3.半导体激光器输出能量耦合进入光纤，光纤另一端与镜头相连，镜头由多组不同焦距高透镜片组成，镜头置于支架上并与环境舱中轴线重合；

4.环境舱、调整镜头、水冷托架均与水冷子系统相连；

5.供气子系统与环境舱左侧进气法兰相连，实现环境舱内不同气体组分的实验环境；

6.半导体激光输出功率、水冷托架位置、热电偶温度传感器、环境舱内压力及冷却子系统均由PLC集中控制。

本发明具有以下几个主要技术特征：

1.半导体激光器功率0～1500W线性可调，输出波长980±10nm，耦合光纤直径1mm，长5m；测试区域Φ1～50mm；

2.窗口材料采用CaF2透镜，镜头组合镜片采用石英镀膜镜片，确保全谱透过率＞95％；

3.利用热电偶温度传感器测量材料表面和背壁温度，测温范围0～3000℃/s，根据防/隔热材料表面的吸收率的不同，材料表面温度升温速率为10～1500℃/s，可测试不同材料的热冲击性能；

4.试验舱真空度可达10^-3Pa，可实现不同压力环境下的氧化试验，此外供气子系统可通入氧气、氩气、空气以及混合气体，用以测试不同气体组分、压力环境下防/隔热材料的氧化、烧蚀性能。

试验测试表明，本发明热载荷达2MW/m²可以使得试件表面温度超过2500℃，升温速率高达1500℃/s，能够满足防/隔热材料热冲击、氧化、烧蚀及防/隔热使用性能测试的要求。

实施例1

本实施例是一种大功率非接触式激光快速加热装置，包括半导体激光器6，激光能量耦合进入光纤3，光纤3输出端与镜头2相连，镜头2固定于调整支架1上，通过改变支架1位置和镜头2的焦距调整加热区域，激光光束通过光纤3、镜头2，透过环境舱19上方的CaF2窗口汇聚于试样16上，试样置于水冷托架17上，第一冷却循环水管5分别与镜头2、水冷托架17和制冷机11连接，第二冷水循环水管15分别与水冷托架17、环境舱19和制冷机11连接，由PLC控制子系统7进行控制，热电偶探头14从侧面穿过水冷托架17置于试样16表面和背壁，温度信号经温度传感器8传输并存储至PLC，环境气体经气瓶、减压阀、截止阀和流量计由环境舱左侧的进气阀门18进入环境舱19，真空法兰20置于环境舱19底部，排气管道经真空电磁阀12与真空泵13相连，环境舱内压力电阻真空计19实时监控，整套系统开关及信号传输均由PLC进行控制。

本实施例能够对防/隔热材料进行低压热冲击测试，试件装夹至水冷托架上，根据试样大小调整镜头焦距和支架的高度确定加载区域，连接热电偶温度传感器探头至试样表面和背壁，测试信号传输正常后关闭舱门，开启制冷机和真空泵，待冷却循环系统稳定、真空舱内压力达到试验要求后，开启半导体激光，开始采集温度传感器信号，逐步增加输出功率，即开始加热，待温度达到试验目标要求后，稳定功率一段时间；整个操作均通过PLC控制子系统操作面板进行集中控制，试验结束后，关闭半导体激光、信号采集开关，开启进气开关后打开环境舱，待冷却一端时间后关闭制冷机，获取PLC中存储数据，关闭电源。

ZrB₂-20SiC-10C超高温陶瓷材料高温热冲击试验，试件尺寸：直径为40mm，厚度为2mm。将试件固定于水冷托架上，通过控制支架位置和镜头骄焦距调节加载光斑直径至10mm，改变真空阀大小调节环境舱内压力10^-2Pa；开启半导体激光，进行连续加热同时利用热电偶温度传感器记录试样表面及背壁温度历程；试验表明，试验进行到4.7s时，试件背壁温度已达到1500℃。试验后对试样进行切割至3mm×4mm×36mm，进行三点弯曲试验，以评估材料的抗热冲击性能。

实施例2

本实施例是一种大功率非接触式激光快速加热装置，包括半导体激光器6，激光能量耦合进入光纤3，光纤3输出端与镜头2相连，镜头2固定于调整支架1上，通过改变支架1位置和镜头2的焦距调整加热区域，激光光束通过光纤3、镜头2，透过环境舱19上方的CaF2窗口汇聚于试样16上，试样置于水冷托架17上，第一冷却循环水管5分别与镜头2、水冷托架17和制冷机11连接，第二冷水循环水管15分别与水冷托架17、环境舱19和制冷机11连接，由PLC控制子系统7进行控制，热电偶探头14从侧面穿过水冷托架17置于试样16表面和背壁，温度信号经温度传感器8传输并存储至PLC，环境气体经气瓶、减压阀、截止阀和流量计由环境舱左侧的进气阀门18进入环境舱19，真空法兰20置于环境舱19底部，排气管道经真空电磁阀12与真空泵13相连，环境舱内压力电阻真空计19实时监控，整套系统开关及信号传输均由由PLC进行控制。

本实施例能够对防/隔热材料进行混合气氛氧化测试，试件装夹至水冷托架上，根据试样大小调整镜头焦距和支架的高度确定加载区域，连接热电偶温度传感器探头至试样表面和背壁，测试信号传输正常后关闭舱门，按一定比例通入氧气和氩气，开启制冷机和真空泵，待冷却循环系统稳定、真空舱内压力达到试验要求后，开启半导体激光，开始采集温度传感器信号，逐步增加输出功率，即开始加热，待温度达到试验目标要求后，稳定功率一段时间；整个操作均通过PLC控制子系统操作面板进行集中控制，试验结束后，关闭半导体激光、信号采集开关，开启进气开关后打开环境舱，待冷却一端时间后关闭制冷机，获取PLC中存储数据，关闭电源。

ZrB₂-20SiC-10C超高温陶瓷材料高温热冲击试验，试件尺寸：直径为10mm，厚度为2mm。将试件固定于水冷托架上，通过控制支架位置和镜头骄焦距调节加载光斑直径至10mm，开启供气子系统，按氧氩气比9∶1通入至环境舱同时改变真空阀大小调节环境舱内压力10^-2Pa；开启半导体激光，进行连续加热同时利用热电偶温度传感器记录试样表面及背壁温度历程；试验表明，试验进行到20s时，试件背壁温度已达到2000℃。试验后利用材料上分析手段对抗氧化性能进行评估。

Claims (1)

1.一种大功率非接触式激光快速加热装置，包括调整支架(1)、镜头(2)、光纤(3)、CaF2窗口(4)、第一冷却循环水管(5)、半导体激光器(6)、PLC控制子系统(7)、热电偶温度传感器(8)、电阻真空计(9)、第一电磁阀(10)、制冷机(11)、真空电磁阀(12)、真空泵(13)、热电偶探头(14)、第二冷水循环水管(15)、试样(16)、水冷托架(17)、进气阀门(18)、环境舱(19)和真空法兰(20)，其特征在于：镜头(2)固定于调整支架(1)上，光纤(3)输出端与镜头(2)连接，镜头(2)由多组不同焦距的透镜组成，通过调整镜头(2)的夹具和调整支架(1)的位置确定汇聚斑点的大小和位置，试样(16)置于水冷托架(17)上，第一冷却循环水管(5)分别与镜头(2)、水冷托架(17)和制冷机(11)连接，第二冷水循环水管(15)分别与水冷托架(17)、环境舱(19)和制冷机(11)连接，制冷机(11)通过第一电磁阀(10)与PLC控制子系统(7)连接，冷却循环水由PLC控制子系统(7)进行控制，热电偶探头(14)从侧面穿过水冷托架(17)置于试样(16)表面和背壁，温度信号经热电偶温度传感器(8)传输并存储至PLC控制子系统(7)，环境气体经气瓶、减压阀、截止阀和流量计由环境舱左侧的进气阀门(18)进入环境舱(19)，半导体激光器(6)输出能量耦合进入光纤(3)传输至镜头(2)，透过环境舱(19)上方的CaF2窗口(4)汇聚于试样(16)上，真空法兰(20)置于环境舱(19)底部，环境舱(19)底部抽气孔与真空阀门、真空波纹管和真空泵相连，排气管道经真空法兰(20)、真空电磁阀(12)与真空泵(13)连接，环境舱(19)内压力由电阻真空计(9)实时监控，大功率非接触式激光快速加热装置的开关及信号传输均由PLC控制子系统(7)进行控制。

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