CN103361469B - 一种激光冲击强化的增压装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光冲击强化的增压装置，包括激光器、聚焦透镜、水膜、锥形挡套、吸收层和工件。聚焦后的激光光斑（功率密度达到几个吉瓦/平方厘米）穿过水膜辐照到吸收层后，产生等离子爆炸，其爆炸压力达到数个吉帕斯卡，这个压力将在工件表层材料形成冲击波，引起材料的塑性变形，产生残余压应力，从而强化工件表层，水膜的作用是约束等离子体爆炸，从而延长压力的作用时间。由于受到锥形挡套的作用，等离子体的横向爆炸受到约束，进一步延长了等离子体爆炸的作用时间，从而使延长了作用在工件表层的压力持续时间，提高强化效果，可应用于金属件表面的激光冲击强化。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光冲击强化技术。
背景技术
激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术，可以在金属制件表面获得高幅残余压应力层，大大提高制件的疲劳寿命，与常规喷丸技术相比，其残余压应力层更深；激光冲击的原理是利用脉冲激光在约束状态下跟吸收层产生等离子爆炸，可产生强度高达几个吉帕斯卡的压力，该压力通过吸收层传播至工件，可对工件表层产生高幅残余压应力，由于吸收层的保护作用，工件表面不会受到热灼烧，激光冲击中脉冲激光的能量一般为1～100J，脉宽为10～30ns，约束层材料一般为水膜或玻璃，吸收层材料为铝箔或其他对激光有良好吸收作用的材料。21世纪初，美国将激光冲击技术应用到F101、F119和F414发动机叶片的强化和再制造上。
激光冲击强化中常用的约束层有水膜和光学玻璃，高能激光穿过透明的约束层时，将会导致透明约束层击穿，从而形成等离子屏蔽，从而使后续激光能量无法到达吸收层，因此在一定条件下，采用特定的约束层，其产生的峰值压力和作用时间是一定的。例如采用脉宽为10纳秒的激光器，水约束，吸收层材料为铝，无论其功率密度多大，其产生的峰值压力约为5.5吉帕斯卡，持续时间约为30纳秒。由于光学玻璃在激光冲击强化中很容易被强冲击波打碎且无法作为表面为曲面的工件，通常只用来作为实验研究材料，在实际生产中，通常用水膜作为约束层，这是因为水膜可以连续形成，而且不受待处理工件表面形状的影响，因此，在使用水膜作为约束层的情况下，通过特定方法提高激光冲击强化过程中的峰值压力和作用时间，对提高激光冲击效果和效率都有很重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光冲击强化的增压装置，以提高激光冲击强化过程中的峰值压力和作用时间，提高激光冲击强化效果和效率。
为了解决以上技术问题，本发明在工件的水约束层的周围增加一锥形挡套，用来约束等离子体的横向爆炸，从而延长等离子爆炸产生的压力的作用时间，具体技术方案如下：
一种激光冲击强化的增压装置，包括：激光器（1）、聚焦透镜（2）、水膜（3）、吸收层（5）和工件（6）；激光器（1）发射的平行激光束对准聚焦透镜（2），聚焦后的激光束透过水膜（3）辐照到吸收层（5）上；吸收层（5）覆盖在工件（6）待处理表面；吸收层（5）距离聚焦透镜的焦点前后距离小于等于2mm；其特征在于：还包括锥形挡套（4）；激光束的轴心和聚焦透镜（2）、锥形挡套（4）的轴心重合，锥形挡套（4）的直径较小端压紧在吸收层（5）上表面，聚焦在吸收层（5）上的激光光斑被锥形挡套（4）包围在内部，锥形挡套（4）内灌注有水膜（3）；锥形挡套（4）的内表面跟聚焦后的激光束的边缘形成的夹角为1～2度；锥形挡套（4）的材质为高分子材料。
锥形挡套（4）形状为锥形，用来与聚焦后的激光束的形状相匹配。
所述的高分子材料为橡胶或软质PVC，以保证其直径较小端可以紧密贴合在吸收层（5）表面。
锥形挡套（4）沿激光束轴心方向的高度为1～2mm，用来获得厚度精确的水膜。
本发明装置的工作原理如下：聚焦后的功率密度达到几个吉瓦/平方厘米的激光光斑穿过水膜辐照到吸收层后，产生等离子爆炸，其爆炸压力达到数个吉帕斯卡，这个压力将在工件表层材料形成冲击波，引起材料的塑性变形，产生残余压应力，从而强化工件表层，水膜的作用是约束等离子体爆炸，从而延长压力的作用时间。由于受到锥形挡套的作用，等离子体的横向爆炸受到约束，进一步延长了等离子体爆炸的作用时间，从而使延长了作用在工件表层的压力持续时间，提高强化效果。
本发明具有有益效果。本发明中，由于锥形挡套的约束作用，等离子体爆炸后产生的压力持续时间得到了延长，提高了强化效果；锥形挡套的形状为锥形，用来与聚焦后的激光束的形状相匹配，从而更好的约束爆炸后的等离子体；锥形挡套的材质为高分子材料，其下端可以紧密贴合在吸收层表面，从而使该增压装置可以适用于任何表面轮廓的工件；由于水膜灌注在锥形挡套内部，可以通过改变锥形挡套的高度来精确控制水膜的厚度，可以获得稳定的强化效果。
附图说明
图1是激光冲击强化的增压装置的示意图。
图中：1激光器、2聚焦透镜、3水膜、4锥形挡套、5吸收层、6工件。
具体实施方式
为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图对本发明的一种激光冲击强化的增压装置进行详细说明。
本实例中，激光器1为调Q-铷玻璃激光器；聚焦透镜2的焦距为1.5米；水膜3为去离子水；锥形挡套4材质为橡胶，沿激光束轴心方向的高度为1毫米，内表面跟聚焦后的激光束的边缘形成的夹角为1度，小端内圈直径为3.5厘米；吸收层5为100微米厚的铝箔；工件材质为Ti6Lv4V，其屈服强度为900兆帕斯卡。激光冲击强化参数为，脉宽10纳秒，功率密度为5.3吉瓦/平方厘米，聚焦后光斑在直径为3厘米。
如图1所示，首先在工件6上覆盖吸收层5，将锥形挡套4的直径较小端压紧在吸收层5，在锥形挡套4内注入去离子水，形成厚度为1毫米的水膜3，以上述激光参数对工件进行激光冲击强化。作为对比，将锥形挡套4去除，以相同参数对同样的工件进行激光冲击强化。分别进行5次对比试验，采用X射线残余应力测量仪对激光冲击区域中心位置进行残余应力测量，其测量结果如表1。
表1采用本发明和常规激光冲击获得的表面残余应力值对照表
取5次平均值，发现采用本发明的增压装置进行激光冲击强化的区域，其表面残余压应力为619兆帕斯卡，而未采用本发明进行直接激光冲击强化的区域，其表面残余压应力为500.2兆帕斯卡；同时，从表中可以看出，采用本发明增压方式所获得的表面压应力其稳定性比采用常规激光冲击强化方式获得的表面压应力更稳定，这是因为本发明可以精确控制水膜的厚度。
Claims (4)
1.一种激光冲击强化的增压装置，包括：激光器（1）、聚焦透镜（2）、水膜（3）、吸收层（5）和工件（6）；激光器（1）发射的平行激光束对准聚焦透镜（2），聚焦后的激光束透过水膜（3）辐照到吸收层（5）上；吸收层（5）覆盖在工件（6）待处理表面；吸收层（5）距离聚焦透镜的焦点前后距离小于等于2mm；其特征在于：还包括锥形挡套（4）；激光束的轴心和聚焦透镜（2）、锥形挡套（4）的轴心重合，锥形挡套（4）的直径较小端压紧在吸收层（5）上表面，聚焦在吸收层（5）上的激光光斑被锥形挡套（4）包围在内部，锥形挡套（4）内灌注有水膜（3）；锥形挡套（4）的内表面跟聚焦后的激光束的边缘形成的夹角为1~2度；锥形挡套（4）的材质为高分子材料。
2.如权利要求1所述的一种激光冲击强化的增压装置，其特征在于：锥形挡套（4）形状为锥形，用来与聚焦后的激光束的形状相匹配。
3.如权利要求1所述的一种激光冲击强化的增压装置，其特征在于：所述的高分子材料为橡胶或软质PVC，以保证其直径较小端紧密贴合在吸收层（5）表面。
4.如权利要求1所述的一种激光冲击强化的增压装置，其特征在于：锥形挡套（4）沿激光束轴心方向的高度为1~2mm，用来获得厚度精确的水膜。
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