CN103014314A - 以磁电场提高激光等离子体冲击波压力方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以强磁场和电场提高激光等离子体冲击波压力强化处理材料表面的方法，对于提高冲击波压力有明显的作用，尤其是复杂工件下，水约束层施加不稳定，磁场和电场约束将起重要作用。与传统方法相比，磁场作用于整个等离子体团，与每个带电粒子发生作用，加速了电子的运动速度，加剧了等离子体发应，提高等离子体对激光能量的吸收效果，同时通过调整磁场电场方向，使带电粒子的洛伦茨力指向工件表面，可约束等离子体向激光入射方向的膨胀，提高冲击波压力。
Description
技术领域
本发明涉及表面工程技术和激光加工领域，尤其涉及一种以强磁场和电场提高激光等离子体冲击波压力强化处理材料表面的方法。
背景技术
激光冲击强化(laser shock peening/processing，简称LSP)是一种新型的表面强化技术，它利用激光冲击波对材料表面进行改性，提高材料的抗疲劳、耐磨损和抗应力腐蚀等性能。
在激光冲击强化中，激光诱导产生的等离子体冲击波压力是材料强化的关键，工程中常采用水约束层约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力，但在一些复杂构件中，水约束层流速、均匀性和厚度等参数很难保证，将直接影响强化质量。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用强磁场和电场提高激光等离子体冲击波压力强化处理材料表面的方法，克服激光冲击强化中复杂构件施加水约束层的困难，提升冲击波压力，确保强化效果。
技术方案
一种利用强磁场和电场提高激光等离子体冲击波压力强化处理材料表面的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将被加工的工件置于电场和磁场中，工件表面的吸收保护层面对电场的阳极，磁场施加在工件两侧；
步骤2：调整磁场和电场方向，使得电场和磁场形成的洛伦茨力指向被加工的工件；
步骤3：采用功率密度>1GW/cm2的激光逐点辐照被加工工件表面的吸收保护层，使得吸收保护层吸收高能激光并汽化、爆炸并产生等离子体，等离子体受制于磁场和电场被约束在被加工工件表面后形成高压冲击波加载于被加工工件表面；所述激光的脉冲为飞秒、皮秒或纳秒级的短脉冲；被激光辐照的点与点的光斑搭接率为50-75%。
有益效果
本发明提出的一种利用强磁场和电场提高激光等离子体冲击波压力强化处理材料表面的方法，对于提高冲击波压力有明显的作用，尤其是复杂工件下，水约束层施加不稳定，磁场和电场约束将起重要作用。与传统方法相比，磁场作用于整个等离子体团，与每个带电粒子发生作用，加速了电子的运动速度，加剧了等离子体发应，提高等离子体对激光能量的吸收效果，同时通过调整磁场电场方向，使带电粒子的洛伦茨力指向工件表面，可约束等离子体向激光入射方向的膨胀，提高冲击波压力。
本发明与常规施加约束层的方法相比：
（1）等离子体中带电粒子密度非常大，利用磁场、电场和等离子体的共同作用，约束作用更加稳定，环保，无污染。
（2）磁场电场施加方便，覆盖彻底，可全部覆盖任意构件，弥补水约束层对复杂构件水幕不稳定，覆盖不完全特点。
（3）更好的约束等离子体膨胀，获得更高的冲击波压力。
附图说明
图1：本发明方法示意图；
1、阳极，2、阴极，3、电场，4、磁场，5、激光，6、工件，7、等离子体，8、吸收保护层。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明采用磁场和水约束层共同约束等离子体的膨胀，提升冲击波压力。激光等离子体产生原理为：强激光在空气中经透镜聚焦后，当光束的能量密度超过空气击穿阈值时，在激光束的强电场作用下，气体发生电离、强烈吸收激光，同时压力急剧升高、体积膨胀，发生小范围的爆炸，这种现象称为光学击穿，一般认为光线击穿最先在焦点处发生。环境气体中自然存在的自由电子非常少，电离势很高，单个光子很难使气体电离。通常认为气体通过多光子吸收机制产生少量自由电子，电子在激光束的高电场作用下加速运动，与气体原子碰撞发生电离，随着自由电子数量增加，连续不断的膨胀发展成电子雪崩。当电子雪崩产生的自由电子超过由于激发、吸收和扩散因素造成的损失时，气体发生光学击穿，形成等离子体吸收区。激光能量在一定厚度的等离子体吸收区内被电子吸收并转化为内能，使温度升高。等离子体迅速向周围空气膨胀，压缩空气，形成激光支持的爆轰波。等离子体是一种高度电离气体，高度电离，带电粒子的密度足够高，正负带电粒子之间相互作用很强，由于存在各种自由电子和各种电荷离子，等离子体导电率很高。对磁场和电场非常敏感，利用磁场和电场对带电粒子产生的洛伦茨力可以控制等离子体的位置、形状与运动。
本发明所述实施例中，采用磁铁和电源在激光冲击强化区建立磁场和电场，约束等离子体膨胀，提高冲击波压力。具体实施步骤为：
步骤1：将被加工的工件置于电场和磁场中，工件表面的吸收保护层面对电场的阳极，磁场施加在工件两侧；如图1所示；
步骤2：调整磁场4和电场3的方向，使得电场和磁场形成的洛伦茨力指向被加工的工件；
步骤3：采用功率密度为5GW/cm2的激光5逐点辐照被加工工件表面的吸收保护层，使得吸收保护层吸收高能激光并汽化、爆炸并产生等离子体，等离子体受制于磁场和电场被约束在被加工工件表面后形成高压冲击波加载于被加工工件表面；所述激光的脉冲为脉宽10ns的短脉冲；被激光辐照的点与点的光斑搭接率为50-75%。
在实施例中：吸收保护层吸8收高能激光并汽化、爆炸产生高温高压等离子体7；在磁场4和电场3共同作用下，高温高压的等离子体约束在工件6表面，形成高压等离子体冲击波，等离子体受制于磁场和电场被约束在被加工工件表面后形成高压冲击波加载于被加工工件表面。
Claims (1)
1.一种利用强磁场和电场提高激光等离子体冲击波压力强化处理材料表面的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将被加工的工件置于电场和磁场中，工件表面的吸收保护层面对电场的阳极，磁场施加在工件两侧；
步骤2：调整磁场和电场方向，使得电场和磁场形成的洛伦茨力指向被加工的工件；
步骤3：采用功率密度>1GW/cm2的激光逐点辐照被加工工件表面的吸收保护层，使得吸收保护层吸收高能激光并汽化、爆炸并产生等离子体，等离子体受制于磁场和电场被约束在被加工工件表面后形成高压冲击波加载于被加工工件表面；所述激光的脉冲为飞秒、皮秒或纳秒级的短脉冲；被激光辐照的点与点的光斑搭接率为50-75%。
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