CN103266204B - 提高激光高温喷丸约束效果的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种提高激光高温喷丸约束效果的方法及装置，其特征是所述的方法是利用高压脉冲气体产生的冲击压力对激光诱导等离子体爆炸产生的压力进行约束，它可以在不影响等离子体凝聚的同时解决流水等约束层不适用于激光温喷丸的问题，克服耐高压玻璃因为局部应力集中产生局部裂纹或引起整体断裂的缺点，大幅提高激光温喷丸约束层的有效性和可靠性。所述的装置包括激光器，加热平台，气压泵，蓄压器、电磁开关以及计算机系统等。本发明具有适用范围广，约束效果好的优点。

Description

提高激光高温喷丸约束效果的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种激光冲击成形技术，尤其是一种适用于冲击成形温度在100~450℃范围内的高温激光冲击成形方法及装置，具体地说是一种利用高压脉动冲气体作为约束介质来提高激光高温喷丸约束效果的方法及装置。

背景技术

    目前，激光温喷丸，又称为基于温度辅助的激光喷丸，是一种新型的表面强化技术，通过在一定的温度效应下进行激光冲击，可在材料中产生更高的位错密度以及位错缠结，同时伴随着动态应变时效和动态析出的出现。这些特点决定了激光温喷丸能够达到比机械喷丸更加优良的表面强化效果。同时，激光温喷丸能够通过动态应变时效和动态析出产生比常温激光喷丸和机械喷丸更加稳定的残余压应力，这也说明激光温喷丸能在一定程度上降低喷丸对材料的机械损伤，从而显著提高材料的疲劳强度。激光诱导冲击，是使高能激光束照射在黑漆等吸收层上产生等离子体，因为等离子体能够快速吸收激光能量产生爆炸，从而产生冲击压力，激光诱导的冲击压力一般需要通过约束层的约束达到较好的喷丸效果。激光喷丸最常用的约束层为流水层，但是由于流水在较高的温度下会产生气泡甚至汽化蒸发，这会阻碍激光在流水约束层中的传播，降低喷丸的效果，所以激光喷丸常用的流水约束层不能用于激光温喷丸。因此，如何在较高的温度下有效地约束激光诱导的冲击压力已经成为机械相关领域的焦点问题。

目前激光喷丸常用的约束方法有柔性约束和刚性约束。

柔性约束，主要是利用柔性介质对激光喷丸产生的压力进行约束，包括流水约束以及柔性贴膜约束。流水约束，是在基体表面制造一层1~5mm的流水层，激光透过流水层在基体表面诱导产生等离子体爆炸，从而利用流水层对冲击压力进行约束。例如专利号为CN102212655A的专利申请，提出了一种激光冲击方法，激光冲击过程中使用水膜作为约束层，这种约束方法在常温下可以对激光诱导压力起到约束的效果，但是也存在以下几点不足：（1）流水约束层由于较低的沸点不适用于温度较高的场合；（2）流水约束层属于柔性约束，约束效果较差；（3）流水约束层由于流水厚度难以控制，所以基体表面残余应力不均匀，且无法适用于复杂表面。柔性贴膜，是在基体表面粘贴具有约束效果的柔性材料实现约束，例如专利号为CN1404954A的专利申请，提出了一种用于激光冲击处理的柔性贴膜，该方法利用有机硅凝胶材料制作成柔性贴膜，覆盖在基体表面实现约束，但是存在以下几点不足：（1）有机硅凝胶材料在高温下融化为液态，由于贴合过程中贴膜与基体之间很容易进入空气，所以溶化后形成气泡，降低约束效果；（2）激光冲击过程中等离子体温度极高，有机硅凝胶材料容易燃烧，降低约束效果，安全性不高。刚性约束，主要是通过刚性透明介质对激光诱导压力进行约束，目前主要是耐高压玻璃，例如K9玻璃。例如专利号为CN102492805A的专利申请，提出了一种采用深冷激光冲击强化金属材料的方法与装置，该方法在激光冲击过程中采用K9玻璃作为约束层对激光诱导压力进行约束，  虽然这种方法可以在常温以及低温下起到约束效果，但是也存在以下缺点：（1）由于激光诱导产生的冲击压力容易在玻璃上产生应力集中，从而导致玻璃上产生裂纹甚至破裂，降低喷丸效果；（2）K9玻璃在高温下会产生软化效应，更容易产生裂纹甚至断裂，从而导致喷丸的效果降低。

与本发明最为接近的为公开号为CN102560079A的专利申请，该专利申请提出了一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置，该方法是采用高压气体连续喷射到基体表面，对激光诱导冲击压力进行约束，这种方法在常温下可以起到约束的效果，但是还存在以下缺点：（1）激光诱导冲击是利用激光诱导的等离子体爆炸所产生的压力对材料表面进行喷丸，连续高压气体在等离子凝聚之前已经存在，高压气体脱离基体表面会带走部分等离子体，从而影响等离子体在基体表面的凝聚，降低激光诱导冲击压力；（2）对于激光温喷丸而言，连续高压气体会明显降低基体表面的温度，从而该方法不适用于激光温喷丸的场合。

本发明提出了一种使用高压脉冲气体作为激光温喷丸约束层的方法及装置。该方法可以克服上述技术的缺点，适用于较高温度和复杂表面的情形，同时优化了对激光诱导冲击压力的约束效果，大幅提高激光温喷丸约束层的有效性和可靠性。

通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现使用高压脉冲气体作为激光诱导压力约束层的方法及装置，本发明为首次提出该方法及装置。

发明内容

本发明目的针对现有的激光冲击约束存在效果差，会对激光束产生分散或对约束介质产生破坏、尤其是不能适应高温及复杂表面冲击成形的问题，提供一种利用高压脉冲气体作为约束介质，能明显提高激光高温喷丸约束效果的方法及装置，它通过高压脉冲气体对激光诱导冲击压力进行约束，可以克服现有技术的缺点，适用于较高温度以及复杂表面的激光喷丸场合，不受等离子体爆炸引起的局部应力集中的影响，同时可以在不影响等离子体凝聚的同时取得更好的约束效果，保证了激光温喷丸约束层的有效性和可靠性。

本发明的技术方案是之一是：

一种提高激光高温喷丸约束效果的方法，其特征是利用高压脉冲气体产生的冲击压力对激光温喷丸诱导产生的压力进行约束，高压脉冲气体的脉冲频率与激光器脉冲频率相等且高压脉冲气体与激光同时到达工件表面，这样可以在不影响等离子体凝聚的同时应用于高温（100~450℃）下的激光喷丸，以保证激光高温喷丸约束层的有效性和可靠性。

具体步骤为：

A）将涂有黑漆的工件安置在加热平台上，同时开启计算机系统和气压泵；

B）旋转压力传感器下方的螺柱，使压力传感器上表面与工件上表面处于同一水平面；调节五轴工作台，将喷嘴的喷孔对准压力传感器，计算机系统开启电磁开关，自动统计激光脉冲信号的延迟时间；同时调节调压阀的压力，使压力传感器检测的压力维持在0.5~2GPa之间；调节完毕后，计算机控制五轴工作台将喷嘴中心对准喷丸区域，同时关闭电磁开关进入喷丸程序；

C）在计算机系统上调节激光器的能量和脉冲频率，同时根据激光器频率调节电磁开关的脉冲频率和脉冲宽度，保证高压脉冲气体覆盖整个等离子爆炸过程；

D）利用计算机系统和加热平台数控系统调节加热平台的温度至20~600℃；

E）待加热平台到达指定温度后，计算机系统控制激光器和电磁开关以及五轴工作台按照指定轨迹进行喷丸；

F）喷丸完毕后，计算机系统控制激光器关闭，同时关闭气压泵并开启电磁开关对气压系统进行卸压，最后关闭五轴工作台和计算机系统，取下工件。

   本发明的技术方案是之二是：

一种提高激光高温喷丸约束效果的装置，其特征是它包括调焦装置、约束装置、工件平台和高压脉冲气体产生装置，所述的调焦装置包括透镜系统和夹具，透镜系统夹装在夹具上，夹具与导轨之间采用丝杠连接，丝杠与步进电动机的输出轴刚性连接，步进电动机通过丝杠和导轨带动夹具和透镜系统上下运动实现调焦；约束装置包括顶盖与喷头，它们之间采用螺栓连接，中间安装有橡胶垫片以保证结合的紧密性，顶盖将耐高压透镜夹紧橡胶垫片8上；喷嘴与喷头之间采用螺纹连接；左、右端盖通过螺栓连接与喷头左右表面相连，中间采用橡胶垫片增加密封性，在喷头上开有供激光通过的垂直通道及两个与激光通道相贯通的斜置的高压脉冲气体通道，高压脉冲气体通道与气压管路相连通；高压脉冲气体产生装置包括气压泵、蓄压器、溢流阀、电磁开关以及左、右端盖，它们通过气压管路连接，连接部分采用管螺纹连接以增加密封性；工件平台包括位于约束平台下方的工件加热平台和五轴工作台，工件加热平台位于五轴工作台的上方，五轴工作台上设置有温度传感器和高度可调的压力传感器；所述的步进电动机、工件加热平台以及五轴工作台通过导线与各自的数控系统相连，各数控系统以及温度传感器和压力传感器又通过导线与集成控制器相连，所述的激光器、电磁开关均与集成控制器电气连接。

所述的计算机能根据脉冲气体在气道中的传播时间设置激光脉冲信号相对于高压脉冲气体信号的延迟时间，以保证两者同时到达工件表面，具体过程为：在喷丸之前，将喷嘴喷孔中心对准压力传感器，计算机系统开启电磁开关，并记录时间，压力传感器接收到脉冲气体压力，并向计算机系统发送信号，计算机系统记录时间，从而计算出气体在气道中的传播时间，并自动将其设置为激光脉冲信号的延迟时间。

所述电磁开关到左、右端盖的管道距离相等，以保证左右端盖输入到喷头的高压脉冲气体同时到达待加工工件表面。

   所述的高压脉冲气体到达待加工工件表面的压力通过压力传感器测量，并显示在计算机上，同时通过调节蓄压器上方的调压阀控制高压脉冲气体压力的大小。

所述喷头中斜置的供高压脉冲气体通过的高压脉冲气体通道与水平位置的夹角为45~60度，以保证高压脉冲气体的传播方向，减少高速气体撞击导致的能量损失和响应时间，同时降低高压脉冲气体对耐高压透镜底面的冲击作用。

所述的高压脉冲气体的作用区域通过更换不同喷孔直径的喷嘴实现调节，或通过调节调压阀的压力以及喷嘴到待冲击成形工件上表面的距离进行调节。

本发明的有益效果：

（1）              可以适用于较高温度和复杂表面的激光喷丸或者激光温喷丸。

（2）              不影响等离子凝聚，从而不会降低激光诱导冲击压力。

（3）              不受激光诱导冲击引起的局部应力集中的影响，保证了约束层的可靠性。

（4）              由于高压脉冲气体的冲击，能够取得比流水约束更加均匀的残余应力场，约束效果更加优良。

（5）              本发明装置操作简单，成本较低。

（6）              本发明适用于较高温度以及复杂表面的激光喷丸场合，不受等离子体爆炸引起的局部应力集中的影响，同时可以在不影响等离子体凝聚的同时取得更好的约束效果，保证了激光温喷丸约束层的有效性和可靠性。

附图说明

    图1是本发明约束装置的结构示意图。

 图2是采用K9玻璃为约束层时喷丸后K9玻璃的形态；图2（a）玻璃碎片，图2（b）局部裂纹。

图3为利用K9玻璃作为约束层时铝合金A356喷丸后的表面形貌金相图。

图4为利用本发明的高压脉冲气体约束时铝合金A356喷丸后的表面形貌金相图。

图1中，1.脉冲激光器，2.反光镜，3.光斑调节装置电动机，4.导轨，5.夹具，6.聚焦透镜系统，7.顶盖，8.橡胶垫片，9.耐高压透镜，10.右端盖，11.管路，12.电磁开关，13.蓄压器，14.溢流阀，15.喷头，16.气压泵，17.黑漆，18.工件，19.温度传感器，20.加热平台，21.五轴工作台，22.加热平台数控系统，23.五轴工作台数控系统，24.螺柱，25.压力传感器，26.喷嘴，27.集成控制器，28.左端盖，29.调焦装置数控系统，30.计算机系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    实施例一。

如图1-4所示。

一种提高激光高温喷丸约束效果的方法，其实质是利用高压脉冲气体产生的冲击压力对激光高温喷丸诱导的等离子体爆炸产生的压力进行约束，这种约束方法可以在不影响等离子体凝聚的同时摆脱温度的束缚，应用于较高温度的激光喷丸，同时这种约束方法不受局部应力集中的影响，可广泛应用于平面和曲面工件的激光冲击，保证了激光温喷丸约束层的有效性和可靠性。如图1所示，具体步骤如下，

A)    将涂有黑漆17的待冲击工件18安置在加热平台20上，同时开启计算机系统30和气压泵16。

B)     旋转压力传感器25下方的螺柱24，使压力传感器25上表面与工件18上表面处于同一水平面；调节五轴工作台21，将喷嘴26的喷孔对准压力传感器，计算机系统30开启电磁开关12，自动统计激光脉冲信号的延迟时间；同时调节调压阀14的压力，使压力传感器25检测的压力维持在0.5~2GPa之间。调节完毕后，计算机30控制五轴工作台21将喷嘴26中心对准喷丸区域，同时关闭电磁开关12进入喷丸程序。

C)     在计算机系统30上调节激光器1的能量和脉冲频率，同时调节电磁开关12的脉冲频率和脉冲宽度，保证高压脉冲气体覆盖整个激光诱导冲击过程。

D)    利用计算机系统30和加热平台数控系统22调节加热平台20的温度至20~600℃ 。

E)     待加热平台20到达指定温度后，计算机系统30控制激光器1和电磁开关12以及五轴工作台21按照指定轨迹进行喷丸。

F)      喷丸完毕后，计算机系统30控制激光器1关闭，同时关闭气压泵16并开启电磁开关12对气压系统进行卸压，最后关闭五轴工作台21和计算机系统30，取下工件18。

以铝合金A356为例。实验分为两组，每组包含1块10mm×10mm×2mm的方块试样。

第一组实验中，使用厚度为5mm的K9玻璃作为约束层对1#试样进行激光温喷丸处理，激光器1采用Nd:YAG固体激光器，参数如下：能量为1J，光斑直径2mm，温度为150℃，搭接率50%，脉冲频率2Hz，脉宽时间8ns。

第二组实验中，使用高压脉冲气体作为约束层对2#试样进行激光温喷丸处理，激光器1采用Nd:YAG固体激光器，参数如下：能量为1J，光斑直径2mm，试样温度150℃，搭接率50%，脉冲频率2Hz，脉宽时间8ns。喷嘴的喷孔直径为3mm。实施具体过程如下：

A）        将涂有黑漆17的A356铝合金试样18安置在加热平台20上，同时开启计算机系统30和气压泵16。

B）        旋转压力传感器25下方的螺柱24，使压力传感器25上表面与工件18上表面处于同一水平面；调节五轴工作台21，将喷嘴26的喷孔中心对准压力传感器25，计算机系统30开启电磁开关12，自动统计激光脉冲信号的延迟时间；同时调节调压阀14的压力，使压力传感器25检测的压力维持在1GPa左右。调节完毕后，计算机30控制五轴工作台21将喷嘴26中心对准喷丸区域，同时关闭电磁开关12进入喷丸程序。

C）        在计算机系统30上调节激光器1的能量为1J，脉冲频率为2Hz，同时调节电磁开关12的脉冲频率为2Hz和脉冲宽度为1ms，保证高压脉冲气体覆盖整个激光诱导冲击过程。

D）        利用计算机系统30和加热平台数控系统22调节加热平台20的温度至150℃ 。

E）         待加热平台20到达150℃后，计算机系统30控制激光器1和电磁开关12以及五轴工作台21按照指定轨迹进行喷丸。

F）         喷丸完毕后，计算机系统30控制激光器1关闭，同时关闭气压泵16并开启电磁开关12对气压系统进行卸压，最后关闭五轴工作台21和计算机系统30，取下铝合金试样18。

    喷丸后，采用高分辨率数码相机在微距镜头下拍摄1#与2#试样的表面形貌，结果分别如图3、图4所示。采用K9玻璃作为约束层时，喷丸后的K9玻璃由于等离子体爆炸引起的局部应力集中而发生脆裂，如图2（a）所示；未破碎部分伴随有白色裂纹条带，如图2（b）所示，因此在发生脆裂的位置，喷丸效果不明显，而未破碎部分因为白色裂纹条带导致透光度下降，喷丸区域塑性变形明显降低。采用高压脉冲气体作为约束层时，由于不存在局部应力集中的影响，因此喷丸效果稳定，喷丸区域塑性变形较大且均匀。

实施例二。

如图1所示。

一种提高激光高温喷丸约束效果的装置，它可从整体分为调焦装置、约束装置、工件平台和高压脉冲气体产生装置等几部分。所述的调焦装置包括透镜系统6和夹具5，透镜系统6夹装在夹具5上，夹具5与导轨4之间采用丝杠连接，丝杠与步进电动机3的输出轴刚性连接，步进电动机3通过丝杠和导轨4带动夹具5和透镜系统6上下运动实现调焦；约束装置包括顶盖7与喷头15，它们之间采用螺栓连接，中间安装有橡胶垫片8以保证结合的紧密性，顶盖7将耐高压透镜9夹紧在橡胶垫片8上；喷嘴26与喷头15之间采用螺纹连接；左、右端盖28、10通过螺栓连接与喷头15的左、右表面相连，中间采用橡胶垫片增加密封性，在喷头15上开有供激光通过的垂直通道及两个与激光通道相贯通的斜置的高压脉冲气体通道，高压脉冲气体通道与气压管路11相连通。高压脉冲气体产生装置包括气压泵16、蓄压器13、溢流阀14、电磁开关12以及左、右端盖28、10，它们通过气压管路11连接，连接部分采用管螺纹连接以增加密封性；工件平台包括位于约束装置下方的工件加热平台20和五轴工作台21，工件加热平台20位于五轴工作台21的上方，五轴工作台21上设置有温度传感器19和高度可调的压力传感器25；所述的步进电动机3、工件加热平台20以及五轴工作台21通过导线与各自的数控系统29、22、23相连，各数控系统以及温度传感器19和压力传感器25又通过导线与集成控制器27相连，所述的激光器1、电磁开关12均与集成控制器27电气连接。温度传感器19最好采用导热性良好的片状传感器；压力传感器25安装在螺柱24上，同时加热平台20和五轴工作台21上加工有与螺柱24配合的螺孔，可以调节压力传感器25上表面的高度。

本发明的计算机应能根据脉冲气体在气道中的传播时间设置激光脉冲信号相对于高压脉冲气体信号的延迟时间，以保证两者同时到达工件表面，具体过程为：在喷丸之前，将喷嘴喷孔中心对准压力传感器，计算机系统开启电磁开关，并记录时间，压力传感器接收到脉冲气体压力，并向计算机系统发送信号，计算机系统记录时间，从而计算出气体在气道中的传播时间，并自动将其设置为激光脉冲信号的延迟时间。为了保证约束的一致性，所述电磁开关到左、右端盖的管道距离应相等，以保证左右端盖输入到喷头的高压脉冲气体同时到达待加工工件表面，高压脉冲气体到达待加工工件表面的压力通过压力传感器测量，并显示在计算机上，同时通过调节蓄压器上方的调压阀控制高压脉冲气体压力的大小。喷头15中斜置的供高压脉冲气体通过的高压脉冲气体通道与水平位置的夹角为45~60度，以保证高压脉冲气体的传播方向，减少高速气体撞击导致的能量损失和响应时间，同时降低高压脉冲气体对耐高压透镜底面的冲击作用。高压脉冲气体的作用区域通过更换不同喷孔直径的喷嘴实现调节或通过调节调压阀的压力以及喷嘴到待冲击成形工件上表面的距离进行调节。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种提高激光高温喷丸约束效果的方法，利用高压脉冲气体产生的冲击压力对激光温喷丸诱导产生的压力进行约束，高压脉冲气体的脉冲频率与激光器脉冲频率相等且高压脉冲气体与激光同时到达工件表面，这样在不影响等离子体凝聚的同时应用于100~450℃高温下的激光喷丸，以保证激光高温喷丸约束层的有效性和可靠性，其特征是它包括以下具体步骤：

A）将涂有黑漆的工件安置在加热平台上，同时开启计算机系统和气压泵；

B）旋转压力传感器下方的螺柱，使压力传感器上表面与工件上表面处于同一水平面；调节五轴工作台，将喷嘴的喷孔对准压力传感器，计算机系统开启电磁开关，自动统计激光脉冲信号的延迟时间；同时调节调压阀的压力，使压力传感器检测的压力维持在0.5~2GPa之间；调节完毕后，计算机控制五轴工作台将喷嘴中心对准喷丸区域，同时关闭电磁开关进入喷丸程序；

C）在计算机系统上调节激光器的能量和脉冲频率，同时根据激光器频率调节电磁开关的脉冲频率和脉冲宽度，保证高压脉冲气体覆盖整个等离子爆炸过程；

D）利用计算机系统和加热平台数控系统调节加热平台的温度至20~600℃；

E）待加热平台到达指定温度后，计算机系统控制激光器和电磁开关以及五轴工作台按照指定轨迹进行喷丸；

F）喷丸完毕后，计算机系统控制激光器关闭，同时关闭气压泵并开启电磁开关对气压系统进行卸压，最后关闭五轴工作台和计算机系统，取下工件。

2.一种提高激光高温喷丸约束效果的装置，其特征是它包括调焦装置、约束装置、工件平台和高压脉冲气体产生装置，所述的调焦装置包括透镜系统和夹具，透镜系统夹装在夹具上，夹具与导轨之间采用丝杠连接，丝杠与步进电动机的输出轴刚性连接，步进电动机通过丝杠和导轨带动夹具和透镜系统上下运动实现调焦；约束装置包括顶盖与喷头，它们之间采用螺栓连接，中间安装有橡胶垫片以保证结合的紧密性，顶盖将耐高压透镜夹紧橡胶垫片8上；喷嘴与喷头之间采用螺纹连接；左、右端盖通过螺栓连接与喷头左右表面相连，中间采用橡胶垫片增加密封性，在喷头上开有供激光通过的垂直通道及两个与激光通道相贯通的斜置的高压脉冲气体通道，高压脉冲气体通道与气压管路相连通；高压脉冲气体产生装置包括气压泵、蓄压器、溢流阀、电磁开关以及左、右端盖，它们通过气压管路连接，连接部分采用管螺纹连接以增加密封性；工件平台包括位于约束平台下方的工件加热平台和五轴工作台，工件加热平台位于五轴工作台的上方，五轴工作台上设置有温度传感器和高度可调的压力传感器；所述的步进电动机、工件加热平台以及五轴工作台通过导线与各自的数控系统相连，各数控系统以及温度传感器和压力传感器又通过导线与集成控制器相连，所述的激光器、电磁开关均与集成控制器电气连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征是计算机根据脉冲气体在气道中的传播时间设置激光脉冲信号相对于高压脉冲气体信号的延迟时间，以保证两者同时到达工件表面，具体过程为：在喷丸之前，将喷嘴喷孔中心对准压力传感器，计算机系统开启电磁开关，并记录时间，压力传感器接收到脉冲气体压力，并向计算机系统发送信号，计算机系统记录时间，从而计算出气体在气道中的传播时间，并自动将其设置为激光脉冲信号的延迟时间。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述电磁开关到左、右端盖的管道距离相等，以保证左右端盖输入到喷头的高压脉冲气体同时到达待加工工件表面。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的高压脉冲气体到达待加工工件表面的压力通过压力传感器测量，并显示在计算机上，同时通过调节蓄压器上方的调压阀控制高压脉冲气体压力的大小。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述喷头中斜置的供高压脉冲气体通过的高压脉冲气体通道与水平位置的夹角为45~60度，以保证高压脉冲气体的传播方向，减少高速气体撞击导致的能量损失和响应时间，同时降低高压脉冲气体对耐高压透镜底面的冲击作用。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述的高压脉冲气体的作用区域通过更换不同喷孔直径的喷嘴实现调节，或通过调节调压阀的压力以及喷嘴到待冲击成形工件上表面的距离进行调节。