CN104044017B - 一种基于激光冲击波的抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光冲击波的抛光方法，实施该方法的结构包括高能脉冲激光、约束层、激光冲击波、吸收层、刚性接触膜、微凸起和金属工件。本发明利用在高应变率下，金属在一维应力和一维应变状态下的不同屈服强度，发明了一种基于激光冲击波的抛光方法，该方法可以对金属工件进行抛光处理，不会破坏原表面的状态；由于激光可控性好，可以对任何曲面进行抛光处理，也可以对金属工件的任意部位进行局部抛光处理；可以在金属工件表面获得残余压应力层，提高工件的疲劳性能以及抗应力腐蚀性能等。

Description

一种基于激光冲击波的抛光方法
技术领域
本发明涉及特种加工领域，具体涉及一种基于激光冲击波的抛光技术。
背景技术
抛光是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。抛光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的。
现有技术中，机械抛光只能对规则表面进行抛光处理；化学抛光和电化学抛光耗时长、效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光冲击波的新型抛光方法及装置,以大幅度降低金属的表面粗糙度。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于激光冲击波的抛光方法，其特征在于：利用吸收层(4)在高能脉冲激光(1)辐照下产生等离子爆炸，等离子爆炸在约束层(2)的约束作用下产生高压冲击波(3)，控制高能脉冲激光(1)的功率密度，使高压冲击波(3)的峰值压力介于金属工件(7)的动态屈服强度和雨贡纽极限HEL之间，在该冲击波作用下，刚性接触膜(5)将金属工件(7)表面的微凸起(6)熨平，而金属工件(7)表面并不产生宏观的塑性变形，从而降低工件(7)的表面粗糙度；经过多次熨平处理和控制金属工件(7)的运动，获得对整个表面的抛光效果。
所述的刚性接触膜(5)厚度为50～150μm，硬度高于金属工件(7)的硬度；刚性接触膜(5)的下表面经抛光处理。
所述的高能脉冲激光(1)的脉宽范围为10～30ns，功率密度范围为109～1010GW/cm2。
根据权利要所述的一种基于激光冲击波的抛光方法的装置，其特征在于：包括高能脉冲激光(1)、约束层(2)、高压冲击波(3)、吸收层(4)、刚性接触膜(5)、微凸起(6)和金属工件(7)；微凸起(6)是工件(7)的表层材料，是引起表面粗糙度上升的主要因素，约束层(2)、吸收层(4)、刚性接触膜(5)从上至下依次覆盖在金属工件(7)的表面上；高能脉冲激光(1)透过约束层(2)作用于吸收层(4)的上表面，产生高压冲击波(3)。
本发明的工作原理为：当金属的应变率超过104S-1时，在一维应力状态下，当冲击波峰值压力超过材料的动态屈服强度()时，材料发生塑性变形，在一维应变状态下，当冲击波峰值压力超过材料的雨贡纽极限(HEL)时，材料发生塑性变形；通常，(其中，ν为材料的泊松比)。吸收层在高能脉冲激光辐照下，产生等离子爆炸，等离子爆炸在约束层的约束作用下产生高压冲击波，控制高能脉冲激光的功率密度，使高压冲击波的峰值压力介于金属工件的和HEL之间，在该高压冲击波作用下，金属的应变率高达106S-1，刚性接触膜将金属工件表面的微凸起熨平，而金属工件表面并不产生宏观的塑性变形，从而使工件的表面粗糙度降低，经过多次熨平处理和控制金属工件的运动，获得抛光效果。
本发明具有的有益效果。本发明利用在高应变率下，金属在一维应力和一维应变状态下的不同屈服强度，发明了一种基于激光冲击波的抛光方法，该方法可以对金属工件进行抛光处理，不会破坏原表面的状态；由于激光可控性好，可以对任何曲面进行抛光处理，也可以对金属工件的任意部位进行局部抛光处理；可以在金属工件表面获得残余压应力层，提高工件的疲劳性能以及抗应力腐蚀性能等。
附图说明
图1是基于激光冲击波的抛光方法示意图；
图中：1高能脉冲激光2约束层3高压冲击波4吸收层5刚性接触膜6微凸起7金属工件。
具体实施方式
为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本发明的一种基于激光冲击波的抛光方法如图1所示，包括工作台高能脉冲激光1、约束层2、高压冲击波3、吸收层4、刚性接触膜5、微凸起6和金属工件7。约束层2、吸收层4、刚性接触膜5依次覆盖在金属工件7的待处理表面上。
实施实例一
本实例中，高能脉冲激光1脉宽为10ns，激光光斑直径为3mm，功率密度为1.5×109GW/cm2，高能脉冲激光1产生的峰值压力约为900MPa；约束层2为流动的去离子水膜，其厚度约为1mm；刚性接触膜5的材质为60Si2CrVA，其厚度为50μm，硬度为700HV，动态屈服强度为2.8GPa；金属工件7材质为LY2铝合金，其硬度为130HV，动态屈服强度为460MPa，雨贡纽极限(HEL)约为1GPa，初始表面粗糙度为1.62μm。
通过控制金属工件7的运动，对金属工件7的10mm×10mm的区域采用光斑直径为3mm的高能脉冲激光1进行5次激光冲击波抛光后，测得的平均线粗糙度为0.27μm，通过X射线应力测量仪测得表面的残余压应力为-88MPa。
实施实例二
本实例中，高能脉冲激光1脉宽为20ns，激光光斑直径为3mm，功率密度为1×109GW/cm2，高能脉冲激光1产生的峰值压力约为750MPa；约束层2为流动的去离子水膜，其厚度约为1mm；刚性接触膜5的材质为60Si2CrVA，其厚度为50μm，硬度为700HV，动态屈服强度为2.8GPa；金属工件7材质为A304不锈钢，其硬度为260HV，动态屈服强度为580MPa，雨贡纽极限HEL为800MPa，初始表面粗糙度为2.35μm。
通过控制金属工件7的运动，对金属工件7的10mm×10mm的区域采用光斑直径为3mm的高能脉冲激光1进行5次激光冲击波抛光后，测得的平均线粗糙度为0.22μm，通过X射线应力测量仪测得表面的残余压应力为-75MPa。
实施实例三：
本实例中，高能脉冲激光1脉宽为20ns，激光光斑直径为3mm，功率密度为4×109GW/cm2，高能脉冲激光1产生的峰值压力约为2.5GPa；约束层2为流动的去离子水膜，其厚度约为1mm；刚性接触膜5的材质为60Si2CrVA，其厚度为100μm，硬度为700HV，动态屈服强度为2.8GPa；金属工件3材质为Tc4钛合金，其硬度为330HV，动态屈服强度为1.5GPa，雨贡纽极限(HEL)约为2.8GPa，初始表面粗糙度为1.34μm。
通过控制金属工件7的运动，对金属工件7的10mm×10mm的区域采用光斑直径为3mm的高能脉冲激光1进行5次激光冲击波抛光后，测得的平均线粗糙度为0.42μm，通过X射线应力测量仪测得表面的残余压应力为-180MPa。

Claims (3)

1.一种基于激光冲击波的抛光方法，其特征在于：利用吸收层(4)在高能脉冲激光(1)辐照下产生等离子爆炸，等离子爆炸在约束层(2)的约束作用下产生高压冲击波(3)，控制高能脉冲激光(1)的功率密度，使高压冲击波(3)的峰值压力介于金属工件(7)的动态屈服强度和雨贡纽极限HEL之间，在该冲击波作用下，刚性接触膜(5)将金属工件(7)表面的微凸起(6)熨平，而金属工件(7)表面并不产生宏观的塑性变形，从而降低工件(7)的表面粗糙度；经过多次熨平处理和控制金属工件(7)的运动，获得对整个表面的抛光效果，所述的约束层(2)、吸收层(4)、刚性接触膜(5)从上至下依次覆盖在金属工件(7)的表面上；高能脉冲激光(1)透过约束层(2)作用于吸收层(4)的上表面。
2.如权利要求1所述的一种基于激光冲击波的抛光方法，其特征在于：所述的刚性接触膜(5)厚度为50～150μm，硬度高于金属工件(7)的硬度；刚性接触膜(5)的下表面经抛光处理。
3.如权利要求1所述的一种基于激光冲击波的抛光方法，其特征在于：所述的高能脉冲激光(1)的脉宽范围为10～30ns，功率密度范围为109～1010GW/cm2。
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