CN103911505A - 一种外加强电场的激光冲击强化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外加强电场的激光冲击强化方法,其步骤为:提供外加强电场的激光冲击强化装置,所述外加强电场的激光冲击强化装置包括大功率调Q激光冲击强化电源、调Q高脉冲能量激光器、高压电源、联接所述高压电源高压端A的铜极板、自动喷水装置、工作台、6轴机械手,所述大功率调Q激光冲击强化电源内置DSP控制系统实现加强电场与激光冲击强化时序的控制,所述铜极板中心开有通光孔保证激光通过,工件通过高压导线与所述高压电源的低压端B联接,通过调整高压电源的电压、工件与电极的间距,实现激光冲击强化区域存在10万伏/米~300万伏/米的强电场,并在激光出光前进行加载,以影响激光冲击强化过程等离子体激发和受约束状态,提高激光冲击强化效率和效果。
Description
技术领域
本发明是一种外加强电场的激光冲击强化方法及装置,属于强脉冲激光加工领域。
背景技术
在金属材料表面改性工业领域,激光冲击强化技术是利用强激光诱导的等离子体爆炸冲击波产生的力学效应改善材料机械性能,是一种先进的表面处理技术。强激光作用在金属表面就会激发出电子和带正电荷的金属离子,外围电子较多,金属表面带正电荷的金属离子较多。
激光冲击强化处理对金属材料力学性能的改善效果与激光诱导等离子体的作用面积密切相关。通常在水或玻璃做约束层时,采用提高脉冲激光能量,增强激光诱导等离子体的数量、体积,达到增强其冲击波效应的目的。然而,高能量脉冲激光获得比较困难,并且电光转化效率低,通常电光转化效率是5%左右,而激光导致等离子体转化成机械能的效率是10%,而只有这0.5%能量转换成金属材料力学性能的改善的能量。此外,国内常用的高脉冲能量激光冲击强化设备工作频率低或者脉冲能量低,很难满足激光冲击强化技术快速发展的需求。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种外加强电场的激光冲击强化方法及装置,其目的是提供一种可有效增强激光冲击强化效应方法。具体说引入强电场的能量场弥补常规激光冲击处理模式下电——光、光——机械能转换效率低的问题,提高激光导致受约束等离子体的压力,提高强化效率和效果。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
本发明技术方案提供一种外加强电场的激光冲击强化方法,其特征在于:该方法是对激光冲击强化加工形成的等离子体团(6)外加一个与激光束(1)冲击方向同轴或与激光束(1)冲击方向成0°~60°夹角的电场(3),使待强化位置产生的等离子体(6)处于该电场高场强分布的区域内,该区域内的场强大于10万伏/米,小于300万伏/米,该电场(3)的两个电极之间的电压范围为2000V~30000V,待强化金属工件(8)作为电场(3)的一个电极板通过导线Ⅰ(11)与高压电源(12)的接地端连接,电场(3)的另一个电极板(2)通过导线Ⅱ(13)与高压电源(12)的高压端连接,高压端电压可以设置2000V~30000V或者-2000V~-30000V,以改变电场强度和方向,电场(3)的电极板(2)与待强化金属工件(8)之间的距离根据约束材料(5)确定,约束材料为水时,间距2~5cm,采用不容易电离的光学玻璃作为约束层时,距离为2~20mm;
电场(3)的电极板(2)的中心处加工一个通光孔(18),通光孔(18)为圆形或者椭圆形,通光孔(18)的直径比激光束(1)在通光孔(18)处的光斑直径大0.5~3mm,激光束(1)穿过通光孔(18)作用在待强化金属工件(8)的表面,激光束(1)与通光孔(18)中心重合,激光束(1)与待强化金属工件(8)的表面法线方向成0°~60°夹角。
电场(3)的电极板(2)采用铜、银、金或铂材料制成。
该电场(3)的两个电极之间的电压在激光冲击强化之前加压并维持稳定到激光冲击强化过程结束,或在激光冲击强化出光瞬间加载脉冲电压,电压脉冲与激光脉冲同步,脉冲电压的峰值提前激光脉冲峰值0.1ms以下,脉冲电压维持时间在0.2ms以上。
本发明技术方案还提供一种用于上述外加强电场的激光冲击强化方法的装置,其特征在于:该装置包括大功率调Q激光冲击强化电源(16)、调Q高脉冲能量激光器(17)、高压电源(12),6轴机械手(10),工作台(15),待强化金属工件(8)和高压电极板(2),高压电源(12)高压端A通过导线Ⅱ(13)与电极板(2)连接,电极板(2)通过采用聚四氟材料制成的第一夹具(14)固定在工作台(15)上,电极板(2)中心开有通光孔(18)以保证激光通过,工作台(15)上固定调Q高脉冲能量激光器(17),自动喷水装置(4)向待强化金属工件(8)的表面上喷去离子水作为激光冲击处理的约束层(5),或采用预先覆盖在待强化金属工件(8)的表面上的电离的光学玻璃作为激光冲击处理的约束层(5),高压电源(12)接地端B通过导线Ⅰ(11)与待强化金属工件(8)相连,金属工件(8)表面用铝箔、黑漆或者胶带覆盖成吸收层(7),吸收层(7)的厚度小于0.2mm,粘贴平整,待强化金属工件(8)固定于6轴机械手(10)的第二夹具(9)上,6轴机械手(10)固定在地面上,大功率调Q激光冲击强化电源(16)给调Q高脉冲能量激光器(17)提供电源,并通过DSP控制系统控制高压电源(12)、激光器(17)、机械手(10)、自动喷水装置(5)的启动时序。
本发明方法中,为增强激光冲击强化过程中等离子体爆炸冲击波效应,外加了一个与激光束冲击方向同轴(或有30°~60°夹角)的强电场,影响激光导致等离子的电离过程,由于脉冲激光诱导出的等离子体是处于非稳态,外加强电场后,将使初始能量不同的电子、正离子加速,使其与分子、粒子碰撞几率增加,产生更多能量不同的活性基团,从而增加了激光诱导等离子体的数量、体积,达到增强等离子体的爆炸冲击波效应的目的。外加强电场的引入,等效于增加了一种除约束层材料约束以外的二次约束。
附图说明
图1是本发明外加强电场的激光冲击强化装置的结构示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述:
实施例1:
参见附图1所示,本发明外加强电场的激光冲击强化装置包括大功率调Q激光冲击强化电源16、调Q高脉冲能量激光器17、高压电源12,6轴机械手10,工作台15,待强化金属工件8和高压电极板2,高压电源12高压端A通过导线Ⅱ13与电极板2连接,电极板2通过采用聚四氟材料制成的第一夹具14固定在工作台15上,电极板2中心开有通光孔18以保证激光通过,工作台15上固定调Q高脉冲能量激光器17,自动喷水装置4向待强化金属工件8的表面上喷去离子水作为激光冲击处理的约束层5,高压电源12接地端B通过导线Ⅰ11与待强化金属工件8相连,金属工件8表面用铝箔、黑漆或者胶带覆盖成吸收层7,吸收层7的厚度小于0.2mm,粘贴平整,待强化金属工件8固定于6轴机械手10的第二夹具9上,6轴机械手10固定在地面上,大功率调Q激光冲击强化电源16给调Q高脉冲能量激光器17提供电源,并通过DSP控制系统控制高压电源12、激光器17、机械手10、自动喷水装置5的启动时序。
本发明技术方案的工作过程的步骤是:
A将5mm厚的TA15钛合金加工成待强化金属工件8,表面用铝箔粘贴成吸收层7,吸收层7的厚度小于0.2mm,粘贴平整,待强化金属工件8固定于6轴机械手10的第二夹具9上,6轴机械手10固定在地面上,大功率调Q激光冲击强化电源16给调Q高脉冲能量激光器17提供电源,通过电源参数的调节控制调Q高脉冲能量激光器17的激光输出参数,手动调整机械手10与高压电极2之间的间距,使两个电极板间距为50mm;高压电源12高压端A通过导线Ⅱ13与电极板2连接,电极板2通过采用聚四氟材料制成的第一夹具14固定在工作台15上,电极板2中心开有Φ6mm通光孔18以保证激光通过,调Q激光冲击强化电源6内置有高性能DSP控制系统,通过输出+5V~+24V/0V信号控制高压电源12、激光器17的启动/停止,通过输出脉宽10ms、幅值为+5V~+24V的脉冲信号向所述6轴机械手10发出标志一次激光冲击完成的信号;
B由所述DSP控制系统控制自动喷水装置4向待强化金属工件8表面喷水作为激光冲击处理约束层5;
C由所述DSP控制系统控制高压电源12输出稳定的高压并加载在电极板2和待强化金属工件8,高压电源12预设电压15000V;
D由所述DSP控制系统在C完成1s后控制调Q高脉冲能量激光器17输出激光,脉冲激光参数:波长1.06μm、能量10J、脉宽10ns、光斑尺寸为Φ3mm,激光中心垂直通过电极板2中心开的Φ6mm通光孔18向待强化金属工件8进行激光冲击处理,激光束1冲击方向与电场3同轴,相当于电场3与激光束1冲击方向成0°夹角;
E由所述DSP控制系统在完成D1s后控制高压电源12,卸载电场电压到0V;
F由所述DSP控制系统完成E1s后控制自动喷水装置4停止向待强化金属工件8表面喷水;
G由所述DSP控制系统向所述6轴机械手10发出单次激光冲击完成的脉冲信号,所述6轴机械手10根据预置程序平行于极板移动,将固定于第二夹具9上的金属工件8移动至下一个激光冲击位置;
H重复B-G步骤至工作结束;
I由所述DSP控制系统切断所述高压电源12、关闭所述自动喷水装置5;
J将金属工件8从所述6轴机械手10的第二夹具9上取下,除去铝箔吸收层,检测冲击区域的表面轮廓,冲击区域最大深度明显高于不加电场获得的冲击深度,说明外加强电场导致激光诱导等离子体的爆炸冲击波效应得到了增强。
实施例2:
参见附图1所示,本发明外加强电场的激光冲击强化装置包括大功率调Q激光冲击强化电源16、调Q高脉冲能量激光器17、高压电源12,6轴机械手10,工作台15,待强化金属工件8和高压电极板2,高压电源12高压端A通过导线Ⅱ13与电极板2连接,电极板2通过采用聚四氟材料制成的第一夹具14固定在工作台15上,电极板2中心开有通光孔18以保证激光通过,工作台15上固定调Q高脉冲能量激光器17,采用预先覆盖在待强化金属工件8的表面上3mm厚度的K9光学玻璃作为激光冲击处理的约束层5,高压电源12接地端B通过导线Ⅰ11与待强化金属工件8相连,金属工件8表面用黑漆覆盖成吸收层7,吸收层7的厚度小于0.2mm,粘贴平整,待强化金属工件8固定于6轴机械手10的第二夹具9上,6轴机械手10固定在地面上,大功率调Q激光冲击强化电源16给调Q高脉冲能量激光器17提供电源,并通过DSP控制系统控制高压电源12、激光器17、机械手10的启动时序。
本发明技术方案的工作过程的步骤是:
A将5mm厚的TC4钛合金加工成待强化金属工件8,表面用铝箔粘贴成吸收层7,吸收层7的厚度小于0.2mm,粘贴平整,待强化金属工件8固定于6轴机械手10的第二夹具9上,6轴机械手10固定在地面上,大功率调Q激光冲击强化电源16给调Q高脉冲能量激光器17提供电源,通过电源参数的调节控制调Q高脉冲能量激光器17的激光输出参数,手动调整机械手10与高压电极2之间的间距,使待强化金属工件8与高压电极板间距为3mm,刚好夹住3mm厚度的在待强化金属工件8上作为激光冲击处理约束层5的K9光学玻璃;高压电源12高压端A通过导线Ⅱ13与电极板2连接,电极板2通过采用聚四氟材料制成的第一夹具14固定在工作台15上,电极板2中心开有Φ8mm通光孔18以保证激光通过,调Q激光冲击强化电源6内置有高性能DSP控制系统,通过输出+5V~+24V/0V信号控制高压电源12、激光器17的启动/停止,通过输出脉宽10ms、幅值为+5V~+24V的脉冲信号向所述6轴机械手10发出标志一次激光冲击完成的信号;
B由所述DSP控制系统控制高压电源12输出瞬间的高压脉冲并加载在电极板2和待强化金属工件8上,电压脉冲宽度300μs,高压电源12预设最高电压-18000V;
C由所述DSP控制系统在C完成0.05ms后控制调Q高脉冲能量激光器17输出激光,脉冲激光参数:波长1.06μm、能量30J、脉宽30ns、光斑尺寸为Φ6mm,激光中心垂直通过电极板2中心开的Φ8mm通光孔18向待强化金属工件8进行激光冲击处理,激光束1冲击方向与电场3同轴,相当于电场3与激光束1冲击方向成0°夹角;
D由所述DSP控制系统在完成D高压电源12输出脉冲高压后,停止高压输出;
E将金属工件8从所述6轴机械手10的第二夹具9上取下,除去铝箔吸收层,检测冲击区域的表面轮廓,冲击区域最大深度明显高于不加电场获得的冲击深度,说明外加强电场导致激光诱导等离子体的爆炸冲击波效应得到了增强。
本发明技术方案与现有技术相比,其优点是:在现有脉冲能量和约束模式下,通过易于施加的电场,有效提高激光诱导等离子体的爆炸冲击波效应,提高激光冲击强化过程中电——光——机械能过程的转化效率,并提高电场诱导等离子体激发的控制精度。
Claims (4)
1.一种外加强电场的激光冲击强化方法,其特征在于:该方法是对激光冲击强化加工形成的等离子体团(6)外加一个与激光束(1)冲击方向同轴或与激光束(1)冲击方向成0°~60°夹角的电场(3),使待强化位置产生的等离子体(6)处于该电场高场强分布的区域内,该区域内的场强大于10万伏/米,小于300万伏/米,该电场(3)的两个电极之间的电压范围为2000V~30000V,待强化金属工件(8)作为电场(3)的一个电极板通过导线Ⅰ(11)与高压电源(12)的接地端连接,电场(3)的另一个电极板(2)通过导线Ⅱ(13)与高压电源(12)的高压端连接,高压端电压可以设置2000V~30000V或者-2000V~-30000V,以改变电场强度和方向,电场(3)的电极板(2)与待强化金属工件(8)之间的距离根据约束材料(5)确定,约束材料为水时,间距2~5cm,采用不容易电离的光学玻璃作为约束层时,距离为2~20mm;
电场(3)的电极板(2)的中心处加工一个通光孔(18),通光孔(18)为圆形或者椭圆形,通光孔(18)的直径比激光束(1)在通光孔(18)处的光斑直径大0.5~3mm,激光束(1)穿过通光孔(18)作用在待强化金属工件(8)的表面,激光束(1)与通光孔(18)中心重合,激光束(1)与待强化金属工件(8)的表面法线方向成0°~60°夹角。
2.根据权利要求1所述的外加强电场的激光冲击强化方法,其特征在于:电场(3)的电极板(2)采用铜、银、金或铂材料制成。
3.根据权利要求1所述的外加强电场的激光冲击强化方法,其特征在于:该电场(3)的两个电极之间的电压在激光冲击强化之前加压并维持稳定到激光冲击强化过程结束,或在激光冲击强化出光瞬间加载脉冲电压,电压脉冲与激光脉冲同步,脉冲电压的峰值提前激光脉冲峰值0.1ms以下,脉冲电压维持时间在0.2ms以上。
4.一种适用于权利要求1所述外加强电场的激光冲击强化方法的装置,其特征在于:该装置包括大功率调Q激光冲击强化电源(16)、调Q高脉冲能量激光器(17)、高压电源(12),6轴机械手(10),工作台(15),待强化金属工件(8)和高压电极板(2),高压电源(12)高压端A通过导线Ⅱ(13)与电极板(2)连接,电极板(2)通过采用聚四氟材料制成的第一夹具(14)固定在工作台(15)上,电极板(2)中心开有通光孔(18)以保证激光通过,工作台(15)上固定调Q高脉冲能量激光器(17),自动喷水装置(4)向待强化金属工件(8)的表面上喷去离子水作为激光冲击处理的约束层(5),或采用预先覆盖在待强化金属工件(8)的表面上的电离的光学玻璃作为激光冲击处理的约束层(5),高压电源(12)接地端B通过导线Ⅰ(11)与待强化金属工件(8)相连,金属工件(8)表面用铝箔、黑漆或者胶带覆盖成吸收层(7),吸收层(7)的厚度小于0.2mm,粘贴平整,待强化金属工件(8)固定于6轴机械手(10)的第二夹具(9)上,6轴机械手(10)固定在地面上,大功率调Q激光冲击强化电源(16)给调Q高脉冲能量激光器(17)提供电源,并通过DSP控制系统控制高压电源(12)、激光器(17)、机械手(10)、自动喷水装置(5)的启动时序。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140709 |