CN105063284A - 高透光率的深冷激光冲击头及激光冲击系统 - Google Patents

Abstract

一种适用于深冷激光冲击技术的高透光率的深冷激光冲击头及激光冲击系统，通过隔温陶瓷/塑料以及真空隔温方法，在避免空气中的水份因低温吸附在高透玻璃上的同时，解决了液氮汽化物质难以透光的问题，保证了深冷激光冲击过程中的光束质量。其特征是它包括上端盖，主体，下端盖，高透玻璃，隔热陶瓷/塑料等核心部件，保证深冷激光冲击过程中的光束可顺利到达试样表面并有效提高了激光透光率，本发明具有且结构简单，易于实现的优点。

Description

高透光率的深冷激光冲击头及激光冲击系统

技术领域

本发明涉及激光冲击领域以及深冷加工领域，尤其是一种深冷激光冲击技术，它通过隔温陶瓷/塑料以及真空隔温方法，提高了激光的透光率，进而保证了深冷激光冲击过程中的光束质量，具体地说是一种高透光率的深冷激光冲击头及其系统。

背景技术

深冷激光冲击技术利用超低温-高应变率耦合效应，可以显著改善材料的微观组织以及残余应力状态，大幅提高材料的抗疲劳性能以及耐磨耐蚀性能，有望在航空、汽车、轮船等诸多领域广泛应用。但是深冷激光冲击温度低达-196℃，激光冲击装置的耐低温性能，特别是吸收层与约束层在低温下的稳定性是目前尚需解决的关键技术难题。

激光冲击强化过程中常使用的透光介质包含玻璃，水，空气，硅油等透明物质，例如专利号为CN200510094810与CN201310527671的发明专利，使用水帘与硅油作为激光冲击强化技术的约束层，分别在常温与高温下获得了较好的冲击强化效果，但是水帘、硅油等柔性介质在低温下的流动性受到限制，在液氮温度下甚至冷凝为固态，透光率严重降低，约束效果也显著下降，因此不适用于超低温环境。专利号为CN201110422502的发明专利提出一种采用深冷激光冲击强化金属材料的方法与装置，该装置中使用K9玻璃作为深冷激光冲击的约束层，实现了深冷激光冲击强化效果，但是在深冷温度下环境中的水份会吸附在光学玻璃上形成水滴或冰粒，降低了光学玻璃的透光率，从而深冷激光冲击强化效果严重下降;；另外，超低温环境下，K9玻璃脆性提高，在冲击波直接作用下极易出现裂痕或完全破碎。

由于液氮是无色透明的介质，具有较高的透光率，因此深冷激光冲击强化技术中可以使用液氮作为制冷剂的同时充当约束层。但是液氮放置于常温空气中时，由于液氮与空气界面之间产生热交换而导致液氮表面形成一层难以透光的液氮汽化物质，降低了激光效率，从而大大降低了深冷激光冲击强化的效果。因此本发明提出一种深冷激光冲击头，可以克服现有技术的缺点与不足，通过隔温陶瓷/塑料以及真空隔温方法，大幅提高了激光的透光效率，进而保证了深冷激光光冲击强化的实现并有效提高了冲击效率。

通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现通过隔温陶瓷/塑料以及真空隔温方法提高深冷环境下激光透光效率的相关装置，也未发现相关方法在深冷激光冲击领域应用的相关报道，本发明为首次提出该高透光率的深冷激光冲击头。

发明内容

本发明的目的是针对现有的激光冲击头在深冷冲击时透光率不高的问题，设计一种高透光率的深冷激光冲击头及系统，通过隔温陶瓷/塑料以及真空隔温方法，在避免空气中的水份因低温吸附在高透玻璃上的同时，解决了液氮汽化物质难以透光的问题，保证了深冷激光冲击过程中的光束质量。

本发明的技术方案之一是：

一种高透光率的深冷激光冲击头，其特征在于包括：上端盖21、下端盖26、上主体22和下主体25，上端盖21旋装在上主体22上并将高透光玻璃Ⅱ31压装定位在上主体22中，下端盖26旋装在下主体25上并将.高透光玻璃Ⅰ28压紧定位在下主体25中，上主体22和下主体25通过紧固件连接成一体，在上主体和下主体的结合面上安装有用于隔温的陶瓷垫或/塑料垫29；在上主体22上开设有抽真空用孔30，抽真空用孔30的进口端上旋装有转接头34；通过隔温陶瓷垫/或塑料垫以及真空隔温，在避免空气中的水份因低温吸附在高透玻璃上的同时，解决了液氮汽化物质难以透光的问题，保证了深冷激光冲击过程中的光束质量。

所述的上主体和下主体通过连接螺栓23和螺母24连接成一体。

所述的高透光玻璃Ⅱ31与上主体22间设置有隔温垫圈Ⅱ32，高透光玻璃Ⅰ28与下主体25间设置有隔温垫圈Ⅰ27，转接头34与上主体22之间设置有垫圈Ⅲ33以实现密封连接。

所述的隔温垫圈Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ使用隔温陶瓷或塑料制造，以避免零件之间进行热交换。

本发明的技术方案之二是：

一种高透光率的深冷激光冲击头激光冲击系统，其特征在于深冷激光冲击头3通过加强肋板4以及水平肋板6安装在垂直工作台7上，以保证冲击头3的高度可以调节；垂直工作台7与水平工作台9均采用螺柱Ⅱ8固定于总装台17上；控制系统19通过通讯线Ⅰ18与水平工作台9连接，通过通讯线Ⅱ20与激光器1连接；贴有铝箔14的工件15置于水平工作台9上的深冷箱13中，深冷箱13与水平工作台9之间设置有隔温陶瓷垫10，深冷激光冲击头3下端面穿过液氮汽化物12以及液氮11液面到达铝箔14上方位置。

所述的深冷激光冲击头3的下主体25的下端面浸入液氮11内，且下端面与铝箔14表面间的距离为2~5mm，同时保证液氮11液面低于深冷激光冲击头3下主体25的上端面，即不超过上主体22与下主体25的结合面。

本发明的有益效果是：

1.该装置通过将激光头浸入液氮解决了液氮汽化物质难以透光的问题，保证了深冷激光冲击过程中光束顺利到达工件表面。

2.通过隔温陶瓷/塑料以及真空隔温方法，避免空气中的水份因低温吸附在高透玻璃上，进而大幅提高了激光的透光率，增加了试样表面的激光能量。

3.结构简单，操作简便，成本较低。

附图说明

图1是本发明的高透光率的深冷激光冲击头的结构示意图。

图2是本发明的激光冲击系统的结构示意图。

图3是激光冲击效果对比图。

图中：1.激光器，2.45°反光镜，3.深冷激光冲击头，4.加强肋板，5.螺柱Ⅰ，6.水平肋板，7垂直移动台，8.螺柱Ⅱ，9.水平工作台，10.隔温陶瓷垫，11.液氮，12液氮汽化物质，13.深冷箱，14.铝箔，15.工件，16.手动调节螺母，17.总装台，18.通讯线Ⅰ，19.控制系统，20.通讯线Ⅱ，21.上端盖，22.上主体，23.螺柱，24.螺母，25.下主体，26.下端盖，27.垫圈Ⅰ，28.高透光玻璃Ⅰ，29.隔温陶瓷垫或/塑料垫，30.抽真空用孔，31.高透光玻璃Ⅱ，32.垫圈Ⅱ，33.垫圈Ⅲ，34.转接头。

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。

如图1-3所示。

一种安装有高透光率深冷激光冲击头的激光冲击系统，如图2所示，深冷激光冲击头3通过加强肋板4以及水平肋板6安装在垂直工作台7上，以保证冲击头3的高度可以调节；垂直工作台7与水平工作台9均采用螺柱Ⅱ8固定于总装台17上；控制系统19通过通讯线Ⅰ18与水平工作台9连接，通过通讯线Ⅱ20与激光器1连接；贴有铝箔14的工件15置于水平工作台9上的深冷箱13中，深冷箱13与水平工作台9之间设置有隔温陶瓷垫10，深冷激光冲击头3下端面穿过液氮汽化物12以及液氮11液面到达铝箔14上方位置。深冷激光冲击头3的下主体25的下端面浸入液氮11内，且下端面与铝箔14表面间的距离为2~5mm，同时保证液氮11液面低于深冷激光冲击头3下主体25的上端面，即不超过上主体22与下主体25的结合面。深冷激光冲击头3的结构如图1所示，它包括：上端盖21、下端盖26、上主体22和下主体25，上端盖21旋装在上主体22上并将高透光玻璃Ⅱ31压装定位在上主体22中，在高透光玻璃Ⅱ31与上主体22的安装台阶上加装有隔温陶瓷或塑料制造的垫圈Ⅱ32，下端盖26旋装在下主体25上并将.高透光玻璃Ⅰ28压紧定位在下主体25中，在高透光玻璃Ⅰ28与下主体25的安装台阶面上加装有隔温陶瓷或塑料制造的垫圈I27，上主体22和下主体25通过螺栓23和螺母24连接成一体，在上主体和下主体的结合面上安装有用于隔温的陶瓷垫或/塑料垫29；在上主体22上开设有抽真空用孔30，抽真空用孔30的进口端上旋装有转接头34并加装有隔温陶瓷或塑料制造的垫圈Ⅲ33；通过隔温陶瓷垫/或塑料垫以及真空隔温，在避免空气中的水份因低温吸附在高透玻璃上的同时，解决了液氮汽化物质难以透光的问题，保证了深冷激光冲击过程中的光束质量。

本发明的使用方法是：

A.开启激光器1及水平工作台9系统电源；

B.通过垂直工作台7调整冲击头3高度将冲击头下主体22的下端面浸入液氮11内；

C.通过控制系统19控制激光器1与水平工作台9协同工作实现深冷激光冲击；

D.冲击结束后，关闭激光器1以及水平工作台9，调整冲击头3高度使其完全脱离液氮11表面；

E.回收液氮11并擦拭冲击头3，关闭整个系统。

结果如图3所示，使用本发明的装置及冲击头对2024铝合金进行深冷激光冲击，图3（a）为未使用本发明的冲击头及装置的冲击效果图，由于液氮汽化物质透光率低，导致激光能量下降，因此光感应纸上的光斑汽化不充分，且分布不均匀；而使用本发明的冲击头及装置之后，由于避免了液氮汽化物的影响，因此激光能量大幅增加，因此光感应纸上的光斑汽化完全，且分布更均匀，如图3（b）所示。由此说明本发明装置对于深冷激光冲击过程中光束质量的改善效果优良且切实可行。

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 (6)

1.一种高透光率的深冷激光冲击头，其特征在于包括：上端盖（21）、下端盖（26）、上主体（22）和下主体（25），上端盖（21）旋装在上主体（22）上并将高透光玻璃Ⅱ（31）压装定位在上主体（22）中，下端盖（26）旋装在下主体（25）上并将.高透光玻璃Ⅰ（28）压紧定位在下主体（25）中，上主体（22）和下主体（25）通过紧固件连接成一体，在上主体和下主体的结合面上安装有用于隔温的陶瓷垫或/塑料垫（29）；在上主体（22）上开设有抽真空用孔（30），抽真空用孔（30）的进口端上旋装有转接头（34）；通过隔温陶瓷垫/或塑料垫以及真空隔温，在避免空气中的水份因低温吸附在高透玻璃上的同时，解决了液氮汽化物质难以透光的问题，保证了深冷激光冲击过程中的光束质量。

2.根据权利要求1所述的深冷激光冲击头，其特征是所述的上主体和下主体通过连接螺栓（23）和螺母（24）连接成一体。

3.根据权利要求1所述的深冷激光冲击头，其特征是所述的高透光玻璃Ⅱ（31）与上主体（22）间设置有隔温垫圈Ⅱ（32），高透光玻璃Ⅰ（28）与下主体25间设置有隔温垫圈Ⅰ（27），转接头（34）与上主体（22）之间设置有垫圈Ⅲ（33）以实现密封连接。

4.根据权利要求1所述的深冷激光冲击头，其特征在于所述的隔温垫圈Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ使用隔温陶瓷或塑料制造，以避免零件之间进行热交换。

5.一种高透光率的深冷激光冲击头激光冲击系统，其特征在于深冷激光冲击头（3）通过加强肋板（4）以及水平肋板（6）安装在垂直工作台（7）上，以保证冲击头（3）的高度可以调节；垂直工作台（7）与水平工作台（9）均采用螺柱Ⅱ（8）固定于总装台（17）上；控制系统（19）通过通讯线Ⅰ（18）与水平工作台（9）连接，通过通讯线Ⅱ（20）与激光器（1）连接；贴有铝箔（14）的工件（15）置于水平工作台（9）上的深冷箱（13）中，深冷箱（13）与水平工作台（9）之间设置有隔温陶瓷垫（10），深冷激光冲击头（3）下端面穿过液氮汽化物（12）以及液氮（11）液面到达铝箔（14）上方位置。

6.根据权利要求5所述的冲击系统，其特征是所述的深冷激光冲击头（3）的下主体（25）的下端面浸入液氮（11）内，且下端面与铝箔（14）表面间的距离为2~5mm，同时保证液氮（11）液面低于深冷激光冲击头（3）下主体（25）的上端面，即不超过上主体（22）与下主体（25）的结合面。