CN102251078B

CN102251078B - 激光混强场装置

Info

Publication number: CN102251078B
Application number: CN2011101391687A
Authority: CN
Inventors: 吴九汇; 胡志平; 张铁山
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: CN102251078A

Abstract

激光混强场装置，包括内腔为球形结构的壳体，在壳体的球形内腔中镶嵌有若干个半导体激光器阵列，除半导体激光器陈列出射口处的壳体内壁上设置有一层耐高温全反射层，在各半导体激光器的出射口均设置有挡板，壳体的一侧开设有一面积为S₁的开口，该开口上安装有内壁设置有耐高温全反射层的封闭门。本发明使入射激光经过多次反射能够产生强度均匀分布的激光场，这样无论零部件的结构简单还是复杂，零部件的不同部位都可以在激光混强场中受到均匀激光束的激光冲击，达到激光冲击强化的效果，解决了现有技术存在的问题。

Description

激光混强场装置

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种激光冲击强化处理的激光混强场装置，可以对形状简单或外形复杂的工件进行高效地激光冲击强化处理。

背景技术

随着科学技术的发展，对机械零部件的性能要求也越来越高，其使用环境也变得越来越苛刻。许多机械结构必须在高压、高温、高磨损和高腐蚀的外部条件下使用，从而导致零部件极易破损和失效。为了提高零部件的使用性能，继激光热处理、激光非晶化及和激光毛化等表面处理技术之后，近几年又出现了激光冲击处理新技术(Laser Shock Processing，LSP)技术(也称激光喷丸技术)。激光冲击处理能够改善零件表层材料的亚结构以及产生有益的残余压应力，从而提高零部件的疲劳寿命和增强抗应力腐蚀能力，延长零件使用寿命。作为当今世界上最先进的金属表面强化手段，激光冲击强化技术是提升装备安全可靠性，提高其经济性指标的有效途径和重要手段，可广泛应用于国内与机械制造相关的航空、船舶、汽车、石油化工、装备制造和核工业等众多领域。

激光冲击强化是利用强激光束产生等离子冲击波来对材料进行强化处理，在材料表层产生深达1mm及以上的残余压应力层，从而提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。是利用强激光诱导冲击波来强化金属表面的一种新技术。为了提高对激光能量的吸收和保护金属材料表面不受到激光的热损伤，在激光冲击前，一般在工件的待冲击表面区域涂上一层不透光的材料，称之为涂层，然后再覆盖一层透明材料，称之为约束层。当高功率密度短脉冲的强激光穿过透明约束层冲击金属板料表面的能量吸收层时，能量吸收层充分吸收高能激光的能量，而在极短时间内汽化电离形成一个高温高压的等离子体层，概等离子层迅速向外喷射，由于约束层的存在，等离子体的膨胀受到约束限制，导致等离子体压力迅速升高，结果施于靶面一个冲击加载，产生向金属内部传播的强冲击波。由于这种冲击波压力高达数GPa，远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生屈服和塑性变形，同时在成形区域产生残余压缩力，改善了成形件的疲劳和腐蚀性能，当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。

自2003年起，美国空军已经将激光冲击处理技术应用于航空发动机的整体叶盘。整体叶盘结构是提高发动机性能、简化结构、减重、提高可靠性的重要措施。经激光冲击强化的叶片的抗异物破坏能力和疲劳性能大幅度提升，甚至已强化叶片边缘缺口小于3mm时，其使用寿命仍与完好的未强化叶片相当。由于单体叶片性能的提升，减少了因单个叶片损坏而报废整个叶盘的几率。在役未强化的整体叶盘叶片出现微小裂纹后，可对其进行激光冲击处理再制造，疲劳强度仍满足设计要求。到2009年，F22战斗机上75％的整体叶盘都经过了激光冲击处理。目前，该项技术的基础应用领域还在不断扩展。美国应用该技术在航空发动机结构上解决了许多关键技术问题，但对我国是技术封锁的。

激光冲击强化处理会在材料表面留下较大的残余压应力，当冲击件两面受到的激光冲击不对称时，由于激光冲击强化处理产生的残余压应力也不对称，从而导致冲击件的宏观变形，致使冲击件受损，尤其在冲击件厚度小于6.3mm时，宏观变形的现象就更加明显。为了避免激光冲击后整体叶盘叶片产生宏观变形，通常要采用双面冲击的方式，即使得作用于叶片正反两面的两束激光的作用时间一致、光斑尺寸大小相同，但是，由于受到整体叶盘相邻叶片空间尺寸的限制，激光冲击强化采用双面对称斜入射方式在相邻叶片尺寸较小的情况下是不可行的。

此外，以该技术在航空发动机叶片的强化的应用为例说明现有的激光冲击强化技术的局限性。与单体叶片相比，整体叶盘的激光冲击处理需要考虑两相邻叶片之间的干涉和可达性问题。对于整体叶盘而言，其叶片具有不可拆卸性。由于相邻叶片的间距比较小，在对叶身及叶根部分进行激光冲击强化时，垂直入射的激光会被相邻叶片遮挡，无法直接作用于待冲击叶片的表面。这就迫使在进行激光冲击强化处理时入射激光束需要以一定角度斜入射作用于待处理的叶片表面，从而避免其它叶片对入射激光的遮挡，提高激光强化处理的效果。

在双面对称入射的方案中，对入射激光的斜入射角度也有一定要求。由于光在空气和透明介质之间传播时入射角越大，反射率越高，因而为了减少激光在水约束层表面的反射损失，一般要求入射角度选在30°～60°之间。在入射激光的入射角度得到控制后，以上对整体叶盘的激光强化技术上是可行的。但是通过实践应用的总结发现，上述技术存在两个主要问题：第一是该技术方案在加工过程中需要频繁的转动待强化处理的叶盘，使得激光强化处理的过程工作效率较低；第二是在每次转动待强化处理的叶盘之后，都需要重新调整入射激光入射角度，由于入射角度改变，激光入射能量分布不均匀，对叶片表面强化效果也就不理想。

此外，在对整体叶盘进行激光冲击强化时，激光冲击每次在叶片上产生圆光斑，为了保证叶片冲击区域达到100％的覆盖率，这就对圆光斑之间的搭接方式有较高的要求。由此可见，采用双面对称斜入射激光冲击进行激光冲击强化处理时的工作效率是比较低的。

除此之外，在用上述技术和方法对薄板结构整个表面进行双面对称激光冲击强化之后，经过试验测试却发现经过上述处理的薄板的疲劳寿命反而出现大幅度的降低。疲劳寿命降低的主要原因是薄板表面的逐点激光强化后引起的局部应力集中造成的。由于逐点进行激光强化时材料的应变率很高，造成局部应力集中，容易产生裂纹，从而大大降低了激光强化后的疲劳寿命。

现有技术在加工过程中需要频繁的转动待强化处理的叶盘，使得激光强化处理的过程工作效率较低；在每次转动待强化处理的叶盘之后，都需要重新调整入射激光入射角度，由于入射角度改变，激光入射能量分布不均匀，对叶片表面强化效果也就不理想针对上述情况。

发明内容

本发明的目的在于克服整体叶盘在激光冲击时相邻叶片干涉和需要双面冲击的技术难题，提供一种能够提高冲击强化效率，而且能够解决靶材激光强化后疲劳寿命降低的问题，对叶盘表面进行一次性整体激光强化的激光混强场装置。即提供一个强度均匀的激光场来对同一靶材表面进行同时性激光强化的激光混强场装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括内腔为球形结构的壳体，在壳体的球形内腔中镶嵌有若干个半导体激光器阵列，除半导体激光器陈列出射口处的壳体内壁上设置有一层耐高温全反射层，在各半导体激光器阵列的出射口均设置有挡板，壳体的一侧开设有一面积为S₁的开口，该开口上安装有内壁设置有耐高温全反射层的封闭门。

所述的开口的面积S₁/S≤0.0025，其中S为壳体的内表面面积。

所述的半导体激光器阵列的出射光偏离开口。

所述的挡板为石英玻璃板。

所述的壳体的外侧设置有水冷却装置。

所述的耐高温全反射层采用三维光子晶体结构材料。

所述的三维光子晶体结构材料通过反蛋白石(Inverted Opal)光子晶体合成的方法制得，按体积比填充材料占24％，空气占76％，所述的填充材料为砷化镓、二氧化钛或硫化镉等折射率较大的耐高温材料。

本发明受声场和电磁场中混响室这个声学测量和电磁场测量的基本实验设备的启发而提出的，激光混强场使入射激光经过多次反射能够产生强度均匀分布的激光场，这样无论零部件的结构简单还是复杂，零部件的不同部位都可以在激光混强场中受到均匀激光束的激光冲击，达到激光冲击强化的效果，解决了现有技术存在的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明激光混强场产生的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括内腔为球形结构的壳体1，在壳体1的球形内腔中镶嵌有若干个半导体激光器阵列2、7、8，除半导体激光器陈列2出射口处的壳体内壁上设置有一层三维光子晶体结构材料耐高温全反射层3，在各半导体激光器阵列的出射口均设置有石英玻璃板制成的挡板4、6、9，壳体1的一侧开设有一面积为S₁的开口5，该开口5上安装有内壁设置有耐高温全反射层的封闭门，此开口相当于混强场的一扇门的作用可以开启和关闭，此处为待激光强化处理零部件的放入与取出的位置，开口5的面积为S₁，S₁/S≤0.0025，其中S为壳体的内表面面积，半导体激光器阵列2、7、8的出射光偏离开口5，考虑到激光混强场工作时会产生大量的热量，在壳体1的外侧设置有水冷却装置。

球形结构内壁的耐高温全反射层采用人工周期性的三维光子晶体结构材料，由于光子晶体结构在一定频率范围可以产生光学禁带，因而可以通过结构设计使得具有一定波长的激光束在到达光子晶体内壁后在很宽的入射角度范围内几乎无损耗地发生全发射。并通过进一步调整半导体激光器阵列的不同发射角，这样经过壳体内壁三维光子晶体结构材料的多次反射以后就能够在距离中心等距的一定范围内产生激光强度均匀分布的激光场即激光混强场，混强场产生的原理图如图2所示，其中10、11、12为半导体激光阵列产生的激光束。

本发明三维光子晶体在三个方向上具有频率截止带，具有全方位光学禁带特性。由于光子晶体光子频率禁带范围内不允许光子存在，当一束在此光子频率禁带范围内的激光入射到光子晶体时将被全反射。光子晶体反射层对光波的吸收分布在几个波长的范围内，吸收激光产生的热量分布在较大的体积内，光子晶体反射层表面的温度较低，这使得光子晶体反射层表面不容易烧坏。

光子晶体的晶格常数、填充率和介质的种类是影响光子晶体禁带特性的重要参数。由于光在光子晶体中的传播时发生布拉格散射，有布拉格定律可知，光子晶体的晶格常数应与所传输的电磁波的波长相当。因此，光子禁带在激光的光子晶体中，晶格常数应该与激光的波长相当(常用半导体激光器的波长为635nm、792nm、808nm、880nm、915nm、940nm、976nm、1060nm、1470nm和1550nm)。此外，在光子晶体中两种介质的折射率比越大，光子晶体结构越容易得到全方位的光学禁带，通常情况下两种介质的折射率比值要大于2。

为了得到理想的全方位光子禁带，本发明中的三维光子晶体结构通过反蛋白石(Inverted Opal)光子晶体合成的方法制得。在反蛋白结石构中，空气小球以面心立方的密堆结构分布于高介电系数的连续介质中，这使得反蛋白光子晶体具有较大的折射率比(填充材料和空气的折射率之比)。这种结构的反蛋白光子晶体具有完全光子禁带。本发明中的填充材料采用折射率较大的耐高温半导体材料，如：砷化镓(GaAs，熔点1237℃，折射率3.277)、二氧化钛(TiO2，熔点1858℃，折射率2.76)、硫化镉(CdS，熔点：1750℃，折射率：2.51)。填充材料所占的比例是24％，空气所占的比例是76％。本发明中的光子晶体晶格常数由半导体激光器阵列入射激光的波长所决定。

由于球形空间与矩形空间相比更容易实现能量汇聚，从而得到高强度的激光混强场，故本发明拟采用球形空间结构。考虑到半导体激光器阵列占用一定的空间，故把半导体激光阵列设计安放在球形结构的内壁上，这样设计可以提高混强场空间的利用率，同时也便于激光入射角度的调节。本发明选用半导体激光器，而不用氦氖激光器和白光源，是因为氦氖激光器是长相干光源，白光源是能量过低的非相干光源，而半导体激光器是介于这两者之间的部分相干光源，在距离长时不相干，在距离较短时则相干，而同时光源能量又足够大。此外，还可以通过调整半导体激光器阵列的相位来调整激光场强度。

Claims

1.激光混强场装置，其特征在于：包括内腔为球形结构的壳体（1），在壳体（1）的球形内腔中镶嵌有三个半导体激光器阵列（2、7、8），除半导体激光器阵列（2）出射口处的壳体内壁上设置有一层耐高温全反射层（3），在三个半导体激光器阵列（2、7、8）的出射口均设置有挡板（4、6、9），壳体（1）的一侧开设有一面积为S₁的开口（5），该开口（5）上安装有内壁设置有耐高温全反射层（3）的封闭门；

所述的耐高温全反射层采用三维光子晶体结构材料；

所述的三维光子晶体结构材料通过反蛋白石光子晶体合成的方法制得，按体积比填充材料占24%，空气占76%，所述的填充材料采用折射率较大的耐高温材料砷化镓、二氧化钛或硫化镉。

2.根据权利要求1所述的激光混强场装置，其特征在于：所述的开口（5）的面积S₁/S≤0.0025，其中S为壳体的内表面面积。

3.根据权利要求1所述的激光混强场装置，其特征在于：所述的三个半导体激光器阵列（2、7、8）的出射光偏离开口（5）。

4.根据权利要求1所述的激光混强场装置，其特征在于：所述的挡板（4、6、9）为石英玻璃板。

5.根据权利要求1所述的激光混强场装置，其特征在于：所述的壳体（1）的外侧设置有水冷却装置。