CN102489877B - 一种激光冲击方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光冲击方法及其装置，激光冲击方法包括：步骤一，激光束作用于金属工件表面所涂覆的能量吸收涂层；步骤二，所述能量吸收涂层吸收激光能量后气化形成等离子体；步骤三，所述等离子体继续吸收激光能量后爆炸射出带电粒子从而形成冲击波；步骤四，外加磁场对所述带电粒子施加朝向所述金属工件的加速度，增加所述冲击波对所述金属工件的作用力。本发明能够增加冲击波强度，对等离子体进行无接触的约束，提升冲击效果并且避免环境污染。

Description

一种激光冲击方法及其装置

技术领域

本发明涉及机械制造与激光冲击强化技术领域，特别是涉及一种激光冲击方法及其装置。

背景技术

激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，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。它具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。

图1为现有的激光冲击强化示意图，如图1所示，高功率密度(GW/cm²量级)、短脉冲(10～30ns量级)的激光束101通过透明的约束层103作用于金属工件106表面所涂覆的能量吸收涂层104时，涂层104吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温(＞10K)、高压(＞1GPa)等离子体102。该等离子体102继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度的冲击波105作用于金属工件106表面。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，其力学效应表现为金属工件106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。其中，涂层104的作用主要是保护金属工件106不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，目前常用的涂层材料有黑漆和铝箔等。约束层103除了能约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力外，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间，目前常用的约束层为流水、K9玻璃。

实现金属板料激光冲击强化或成形的前提是：等离子冲击波压力必须大于板料动态变形的强度阈值。为此，必须尽可能地提高等离子冲击波的压力。

提高等离子冲击波的压力最直接的办法莫过于提高激光脉冲的能量，但根据已有的研究，等离子冲击波的峰值压力与激光脉冲的功率密度成正比，故在一定范围内提高激光能量，是增大等离子冲击波压力的有效方法。但是，由于高功率固体激光器工作介质的激光损伤阈值约在10⁹W/cm²左右，若要获得更高功率的激光脉冲强度，就必须采用大口径工作介质及多级放大光路装置等手段，这样会导致激光装置的庞大复杂以及脉冲重复频率的降低。

所以，在激光功率密度相同的前提下，目前普遍采用的是约束层技术以实现增压。约束层可使向外喷溅的等离子体受到约束，阻碍等离子体的膨胀，从而产生更高的冲击波压力。已有激光冲击强化的研究结果表明，采用约束层技术可使冲击波压力比没有约束层时提高近一个数量级，冲击波的脉宽增大到激光脉宽的2～3倍。为了实现激光冲击装置的小型化和实用化，在进行激光冲击试验中采用的激光脉冲的功率密度为GW/cm²量级，因而对于合理选择和优化约束层，就显得尤为重要，这对于激光冲击技术的工程应用具有十分积极的意义。

在激光冲击强化技术研究中，目前国内外普遍采用或在研的约束层有：石英玻璃（或光学玻璃）、流水、柔性贴膜等。

最早人们以使用透明石英为主，这是由于大家普遍认为石英具有较高的声阻抗和较好的刚性，在一定的功率密度下能获得更高的峰压。但对透明容凝石英和纯净蒸馏水进行的对比试验表明，在激光功率密度为6×10⁴～6×10⁹W/cm²范围内，约束层材料的声阻抗对冲击波峰压的影响不像预计的那样大，当激光功率密度大于4×10⁹W/cm²时，两者的差别将消失。

按照上述理论，国外开始采用水作为约束层，水具有柔性约束的优点，可一定程度上增加冲击波峰压，对弯曲表面有自适应性。但水作为约束层时，由于等离子体对水的击穿电离效应，压力持续时间被大幅度减小，另外水对激光也有较强的吸收，会一定程度上影响冲击效果。水约束还需要大量的辅助装置，以保证水层的厚度和流速稳定，使用起来并不简单。另外由于吸收层大多使用黑漆涂层，黑漆受热汽化后，会进入流水中，对环境造成一定的污染。

目前国内激光冲击技术尚处于实验室研究阶段，大多仍然使用光学玻璃约束层来保证冲击效果。但玻璃约束层作为刚性材料，对约束平面的适应性极差，特别对激光冲击优势所在，如微孔、弯角等局部区域、非平面区域均无法应用；而且操作困难，每冲击一次即需要更换一次约束层，同时成本也非常高昂，只能适用于实验室研究阶段。另外玻璃作为一种脆性材料，在受到等离子冲击波作用后发生爆裂溅射，对操作人员和激光器均有一定程度的危险。

为了解决玻璃约束层适应性差的问题，很多人也在致力于柔性约束技术的研制与开发，包括水、柔性贴膜、硅胶、PVC薄膜、树脂约束层、冰约束等等手段，但迄今为止并没有哪一种约束层能获得突破性的进展，都没有得到大家的广泛认可。

除了约束层的适应性、操作性等问题外，等离子体的横向膨胀极大削弱了等离子冲击波的峰值压力，对冲击效果产生很强的负面影响。而现有约束技术没有一种可以限制等离子体的横向膨胀，而且研究表明：约束层柔性越佳，其适应性就越好，但相应的其横向膨胀效应也越明显，这样约束效果和适应性就形成了一对无法调和的矛盾，急需新的约束技术以解决这一问题。

因此。迄今为止，激光冲击真正应用到生产上的例子还是非常少的。除了基础理论的发展以及成本的因素外，约束层技术也是制约激光冲击技术走向产业化的主要因素之一。但随着激光冲击技术在试验研究方面的进展，其实用化的要求越来越迫切，随之相应的，如何更好的改进约束技术也日益显出了重要性。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种激光冲击方法及其装置，能够增加冲击波强度，对等离子体进行无接触的约束，提升冲击效果并且避免环境污染。

为了实现上述目的，本发明提供了一种激光冲击方法，包括：

步骤一，激光束作用于金属工件表面所涂覆的能量吸收涂层；

步骤二，所述能量吸收涂层吸收激光能量后气化形成等离子体；

步骤三，所述等离子体继续吸收激光能量后爆炸射出带电粒子从而形成冲击波；

步骤四，外加磁场对所述带电粒子施加朝向所述金属工件的加速度，增加所述冲击波对所述金属工件的作用力。

优选地，上述的方法中，所述加速度使朝激光入射方向运动的带电粒子反射，从而阻止带电粒子逆着激光入射方向的纵向溢出。

优选地，上述的方法中，在所述能量吸收涂层上表面设置透明极板，阻止带电粒子逆着激光入射方向的纵向溢出。

优选地，上述的方法中，以多匝线圈绕成喇叭管形状的管室磁装置，所述管室磁装置的上端线圈密度比下端线圈密度大，从而形成上端磁场比下端磁场强的所述外加磁场。

优选地，上述的方法中，所述管室磁装置使得所述带电粒子在垂直激光入射方向的轨道磁通量保持不变，从而将所述带电粒子约束在固定的曲面上运行，从而形成对所述带电粒子的横向约束。

本发明还提供一种激光冲击装置，包括：

激光器，用于：产生激光束；

能量吸收涂层，设置在金属工件的表面，用于：吸收所述激光束的激光能量后气化形成等离子体，所述等离子体继续吸收激光能量后爆炸射出带电粒子从而形成冲击波；

管室磁装置，用于：产生外加磁场，所述外加磁场对所述带电粒子施加朝向所述金属工件的加速度，增加所述冲击波对所述金属工件的作用力。

优选地，上述的装置中，所述加速度使朝激光入射方向运动的带电粒子反射，从而阻止带电粒子逆着激光入射方向的纵向溢出。

优选地，上述的装置中，还包括：

透明极板，设置在所述能量吸收涂层上表面，用于：阻止带电粒子逆着激光入射方向的纵向溢出，并且用于固定所述管室磁装置。

优选地，上述的装置中，所述管室磁装置是以多匝线圈绕成的喇叭管形状，上端线圈密度比下端线圈密度大，从而形成上端磁场比下端磁场强的所述外加磁场。

优选地，上述的装置中，所述管室磁装置使得所述带电粒子在垂直激光入射方向的轨道磁通量保持不变，从而将所述带电粒子约束在固定的曲面上运行，从而形成对所述带电粒子的横向约束。

本发明实施例至少存在以下技术效果：

1）适用性广：

用磁约束技术，无需装夹，定位方便，适应于各种材料表面。

2）具有立体约束效果：

同时提供纵向和横向的约束，可以限制等离子体的横向膨胀，减少能量的散失，从而加强冲击的效果。

3）柔性约束技术的绿色特性：

磁约束技术与玻璃约束相比可以节约成本，降低危险；与水约束相比可以做到无污染，属于绿色控制技术。

4）潜在巨大的经济效益和市场：

目前激光冲击产业化刚刚起步，国外仅仅美国将之应用到实际生产领域，并产生了显著的经济效益和国防效益。我国如果能使之走入产业化，必然带来可观的经济效益。

附图说明

图1为现有的激光冲击强化示意图;

图2为本发明提供的一种激光冲击装置的示意图；

图3为本发明提供的激光冲击方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。

图2为本发明提供的一种激光冲击装置的示意图，图3为本发明提供的激光冲击方法的步骤流程图，如图2、图3所示，本发明实施例提供了一种激光冲击方法，包括：

步骤310，激光束201作用于金属工件206表面所涂覆的能量吸收涂层204；

步骤320，所述能量吸收涂层204吸收激光能量后气化形成等离子体202；

步骤330，所述等离子体202继续吸收激光能量后爆炸射出带电粒子从而形成冲击波205；

步骤340，外加磁场对所述带电粒子施加朝向所述金属工件206的加速度，增加所述冲击波205对所述金属工件206的作用力。

可见，本发明通过外加磁场来约束等离子体202的带电粒子，使其产生向下的加速度，这不但增加了对所述金属工件206冲击波强度，而且，能使朝激光入射方向运动的带电粒子反射，从而阻止带电粒子逆着激光入射方向的纵向溢出。

在所述能量吸收涂层204上表面还可以设置透明极板203，进一步的阻止带电粒子逆着激光入射方向的纵向溢出。因为所有带电粒子都被施加了向下的加速度，即使其向上运动撞上了透明极板203，其撞击力也是被削弱了很多。

所述外加磁场还使得所述带电粒子在垂直激光入射方向的轨道磁通量保持不变，从而将所述带电粒子约束在固定的曲面上运行，从而形成对所述带电粒子的横向约束。

因此，本发明是以外加磁场同时约束等离子体的纵向和横向膨胀，使其只能向下冲击金属工件，从而达到无接触全柔性约束和立体约束的双重效果。

如图3所示，本发明实施例提供了一种激光冲击装置，包括：

激光器，用于：产生激光束201；

能量吸收涂层204，设置在金属工件206的表面，用于：吸收所述激光束201的激光能量后气化形成等离子体202，所述等离子体202继续吸收激光能量后爆炸射出带电粒子从而形成冲击波205；

管室磁装置207，用于：产生外加磁场，所述外加磁场对所述带电粒子施加朝向所述金属工件206的加速度，增加所述冲击波205对所述金属工件206的作用力。

其中，所述加速度使朝激光入射方向运动的带电粒子反射，从而阻止带电粒子逆着激光入射方向的纵向溢出。

还可以包括：透明极板203，设置在所述能量吸收涂层204上表面，用于：阻止带电粒子逆着激光入射方向的纵向溢出，并且用于固定所述管室磁装置。

其中，所述管室磁装置是以多匝线圈绕成的喇叭管形状，上端线圈密度比下端线圈密度大，从而形成上端磁场比下端磁场强的所述外加磁场。所述管室磁装置使得所述带电粒子在垂直激光入射方向的轨道磁通量保持不变，从而将所述带电粒子被约束在固定的曲面上运行，从而形成对所述带电粒子的横向约束。

因此，本发明的激光冲击装置是以外加磁场同时约束等离子体的纵向和横向膨胀，从而达到无接触全柔性约束和立体约束的双重效果。

本发明的激光冲击装置的主要约束机构以极板和侧向线圈组成，极板起到固定侧向线圈，阻挡吸收层的溅射，以及透过激光能量的作用，侧向线圈起到提供约束磁场的作用。

本发明中，以多匝线圈绕成喇叭管形状的管室，上端线圈密度比下端大，从而上端磁场比下端强。当等离子冲击波形成的等离子体爆炸后，绕着磁力线逆着激光冲击方向旋进的粒子由弱磁场区进入强磁场区域时，就会受到一反向力的作用，这个力迫使粒子的速度减慢，轨道螺距缩短，然后停下来并反射回去，从而达到纵向约束的效果，该约束类似半面的磁镜装置，磁镜装置是将粒子约束在两强磁场中间来回震荡，该约束是达到单向膨胀的目的。

同时由于带电粒子的轨道磁通量（带电粒子一次回旋的轨道围成的曲面上通过的磁感应线数目）始终保持不变，则带电粒子将约束在一定的曲面上运行，从而形成横向约束。

本发明使用磁场对等离子体进行立体约束，不但可以提供柔性的约束效果，还可以通过调整磁场，控制其作用方向，同时极大程度的限制等离子体的横向膨胀效应，使等离子冲击波的作用更集中，从而提高冲击效果。

由上可知，本发明实施例具有以下优势：

1）适用性广：

用磁约束技术，无需装夹，定位方便，适应于各种材料表面。

2）具有立体约束效果：

同时提供纵向和横向的约束，可以限制等离子体的横向膨胀，减少能量的散失，从而加强冲击的效果。

3）柔性约束技术的绿色特性：

磁约束技术与玻璃约束相比可以节约成本，降低危险；与水约束相比可以做到无污染，属于绿色控制技术。

4）潜在巨大的经济效益和市场：

目前激光冲击产业化刚刚起步，国外仅仅美国将之应用到实际生产领域，并产生了显著的经济效益和国防效益。我国如果能使之走入产业化，必然带来可观的经济效益。能量转换体技术作为限制激光产业化的一个瓶颈，急需新的技术予以改变。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种激光冲击方法，其特征在于，包括：

步骤一，激光束（201）作用于金属工件（206）表面所涂覆的能量吸收涂层（204）；

步骤二，所述能量吸收涂层（204）吸收激光能量后气化形成等离子体（202）；

步骤三，所述等离子体（202）继续吸收激光能量后爆炸射出带电粒子从而形成冲击波（205）；

步骤四，外加磁场对所述带电粒子施加朝向所述金属工件（206）的加速度，增加所述冲击波（205）对所述金属工件（206）的作用力；

其中，以多匝线圈绕成喇叭管形状的管室磁装置，所述管室磁装置的上端线圈密度比下端线圈密度大，从而形成上端磁场比下端磁场强的所述外加磁场。

2.根据权利要求1所述的激光冲击方法，其特征在于，

所述加速度使朝激光入射方向运动的带电粒子反射，从而阻止带电粒子逆着激光入射方向的纵向溢出。

3.根据权利要求1所述的激光冲击方法，其特征在于，在所述能量吸收涂层（204）上表面设置透明极板，阻止带电粒子逆着激光入射方向的纵向溢出。

4.根据权利要求1所述的激光冲击方法，其特征在于，

所述管室磁装置使得所述带电粒子在垂直激光入射方向的轨道磁通量保持不变，从而将所述带电粒子约束在固定的曲面上运行，从而形成对所述带电粒子的横向约束。