CN105316472A - 一种提高激光诱导冲击波压力的方法及装置 - Google Patents

一种提高激光诱导冲击波压力的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高激光诱导冲击波压力的方法及装置。本发明方法利用激光诱导铝箔产生等离子体，高压脉冲电极对离子体放电，诱发形成光电复合能场，进而诱导产生具有超高密度、超高速膨胀特征的高温等离子体，使高温等离子体在约束状态下撞击待加工表面，大幅提高激光诱导的冲击波压力，使高强材料表面强化，提高其强度、硬度、抗磨损以及抗疲劳性能。本发明装置包括激光器、电极及高压电源、放电介质、运动平台等关键部分，具有结构简单，便于调节，自动化程度高等优点，可以在固定激光能量下将激光诱导的冲击波压力提高数至数十倍，解决了目前激光冲击强化技术受激光器功率所限制的技术难题，适用于高强合金材料的激光冲击强化。

Description

一种提高激光诱导冲击波压力的方法及装置
技术领域
本发明涉及激光冲击加工技术领域，特别是激光冲击强化技术，特指一种利用自动诱发复合能场大幅提高激光诱导冲击波压力的方法及装置。
技术背景
激光冲击强化作为一种新型的表面形变强化技术，其利用高能短脉冲激光冲击诱导的应力强化和组织强化效应实施材料表面改性，与传统表面强化技术相比，具有高压(GPa)、超快(ns)、高应变率(107s-1)等鲜明特点，在航空薄壁件关键结构应力集中区域的可控强化处理方面具有显著的技术优势。
但是激光冲击强化的效果需要根据材料的类型和力学性能对激光能量、光斑直径等工艺参数进行调整。由于降低光斑直径会降低表面质量和加工效率并会增加加工成本，目前工程领域普遍采用增加激光能量的方法实现高强材料（高强不锈钢，钛合金以及镍基合金等）的激光冲击强化，这必然使得激光能量高达数十焦耳，而高功率激光器受出光频率、控制精度、运行成本以及体积规模等因素的限制目前无法在激光冲击强化领域得到实际应用。因此，在现有能量水平的基础上大幅提高激光诱导冲击波的压力成为激光冲击强化领域的关键技术难题。
针对这一难题，CN201210001123、CN200510094810以及CN201310304179分别采用高压气体、新型水约束层以及高分子材料代替常规水帘作为约束层以提高激光诱导冲击波压力，该类方法虽然从一定程度上弥补了常规水帘约束层的部分不足，进而提高了激光诱导冲击波的压力，但是这类方法没有改变冲击波的产生过程，因此无法实现激光冲击波压力的成倍增长，且约束装置复杂，成本高昂。专利号为CN201310305606的专利申请提出一种激光冲击强化的增压装置，通过设置锥形挡套约束激光冲击波的横向冲击力，进而提高激光诱导冲击波的压力，但是该方法同样无法实现激光冲击波压力的成倍增长，同时因为水膜难以维持洁净、易飞溅以及更换繁琐等原因难以实现多点连续或多点搭接冲击。另外，专利号为CN201110120822的授权专利提出一种利用激光诱导的等离子体连续爆炸产生强冲击波在金属表面获得纳米涂层的方法及装置，其利用激光在耐高压玻璃导管中连续爆炸显著提高激光诱导的冲击波压力，但仍存在以下几点不足：（1）冲击波在导管中传播时压力会快速衰减，这使得等离子体连续爆炸产生的冲击波压力增幅有限，难以成倍增长；（2）多次连续爆轰产生冲击波需多次叠加，这对多次爆轰的时间要求很高，多次误差累积后必然会影响冲击波的叠加进而削减冲击波压力；（3）连续爆炸所需时间较长，降低了加工效率。
与本专利最接近的为专利号CN201210571521的授权专利，其提出一种以强磁场和电场提高激光等离子体冲击波压力进而强化处理材料表面的方法，对于提高冲击波压力有一定效果，但相比本专利有以下几点不足：（1）由于等离子体内带电粒子的浓度及电荷数不均匀，且运动状态随时间不断变化，故难以通过调整磁场与电场的大小和方向与之相匹配，不易实现冲击波压力的成倍提高；（2）在等离子体中，电子等带电粒子的质量很小且速度极高，不易通过磁场与电场实现约束，约束效果的降低致使难以实现冲击波压力的大幅增加；（3）高技术难度必然会致使装置复杂，操作繁琐，成本高昂，因此不易实现工程应用。
为了大幅提高激光冲击波压力，同时克服现有问题的不足，本专利提出使用自动诱发的光电复合能场诱导产生超高密度及超高膨胀态的等离子体，并在约束状态下成倍提高激光诱导的冲击波压力，方法简单易于实现，装置成本低廉。通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现自动诱发光电复合能场，并使用其诱导产生超高密度及超高膨胀态的等离子体，进而提高激光诱导冲击波压力的相关报道，本发明为首次提出该方法及装置。
发明内容
本发明旨在提出一种利用自动诱发复合能场大幅提高激光诱导冲击波压力的方法及装置，在解决激光冲击加工领域技术难题的同时，克服现有技术的缺点与不足，可以在相同激光能量下将激光诱导的冲击波压力提高数至数十倍，方法简单易于实现，装置成本低廉，自动化程度高。
一种提高激光诱导冲击波压力的方法，利用激光诱导铝箔产生等离子体，高压脉冲电极对离子体放电，诱发形成光电复合能场，进而诱导产生具有超高密度、超高速膨胀特征的高温等离子体，使高温等离子体在约束状态下撞击待加工表面，大幅提高激光诱导的冲击波压力，使高强材料表面强化，提高其强度、硬度、抗磨损以及抗疲劳性能，该方法可以在固定激光能量下将激光诱导的冲击波压力提高数至数十倍，解决了目前激光冲击强化技术受激光器功率所限制的技术难题，适用于高强合金材料的激光冲击强化。其方法步骤如下：1）将纳秒脉冲激光照射在贴有铝箔的工件表面上；2）铝箔吸收激光产生气化；3）在激光作用下，气化物质电离产生具有导电特性的等离子体团；4）等离子体团继续吸收激光能量而膨胀，促使等离子体团外表面迅速向外扩展；5）等离子体团外表面进入对称电极的放电间隙后，对称电极自动放电，从而自动诱发形成光电复合能场，产生数千甚至数万摄氏度的高温，该温度远高于激光自身温度以及脉冲放电温度；6）受高温作用，等离子体密度迅速增加并产生爆炸，实现了等离子体的超高速膨胀，膨胀速度远高于激光自身诱导的等离子体膨胀速度；7）在放电介质的约束下，超高速膨胀态的等离子体气体以超高压力冲击工件表面产生显著的强化效应，如高密度位错，高幅残余压应力等。
本发明所需激光脉宽为10～100ns，以保证冲击波具有充分的响应时间。为保证在空间各方向上放电的均匀性以及等离子体膨胀速度的一致性，对称电极在水平面内围绕光斑中心点对称布置，数量为2～6个。
本发明高压电源的临界电压，其中E r为放电介质击穿时的临界电场强度，D为放电介质击穿时等离子体外表面与电极之间的距离，L 1为电极放电端与铝箔表面光斑中心的距离，V为等离子体膨胀速度，t为放电介质击穿的时间，E为激光能量，τ为脉冲宽度，d为激光光斑直径，常数B可通过实验数据获得。对称电极的极间距L 2为0.8～1.0R，电极放电端与铝箔表面光斑中心的距离L1保持在0.5～0.8R，R为激光光斑直径。
激光诱导冲击波的时间分布可以通过放电介质击穿时间t 0调节，放电介质击穿时间t 0由电极放电端与铝箔表面光斑中心的距离L 1调节,具体为。冲击波压力时间分布函数为，其中A（t）为激光诱导冲击波的压力因子，平均冲击波压力，其中，α为激光吸收系数，Z为相对声阻抗，I 0为激光功率密度，复合场系数C（U）~U，U为高压电源电压。
一种利用自动诱发复合能场大幅提高激光诱导冲击波压力的装置包括激光冲击系统、脉冲放电系统以及运动平台系统；所述激光冲击系统包括激光器、控制系统、45°全反镜，所述激光器与控制系统之间使用数据线链接；脉冲放电系统包括对称电极、吊架、水平滑轨、流体泵、存贮池和高压电源，所述对称电极设于水平滑轨上，水平滑轨与吊架连接，对称电极之间的极间距L2在水平滑轨上可调，所述对称电极通过高功率电线与高压电源相连接；流体泵将放电介质从存贮池抽出，并通过放电池入口进入放电池，放电池中的放电介质通过放电池出口回流至存贮池；流体泵与存贮池间设置滤清器；所述运动平台系统包含X方向工作台、Y方向工作台以及Z方向工作台，且分别设置有X方向手动调节旋钮、Y方向手动调节旋钮、Z方向手动调节旋钮。放电介质采用矿物质油或者去离子水，电极采用电铸Cu或Cu基复合材料。其特征在于操作步骤如下：
A.调节对称电极的极间距L2至0.8～1.0R以及电极放电端与铝箔20表面光斑中心的距离L 1至0.5～0.8R，调整高压电源输出电压至临界电压，保证对称电极可被激光诱导等离子体云自动诱发放电。
B.开启流体泵，将放电介质输送至放电池，并保证放电池内放电介质的液面高度高于对称电极的放电端，随后调整流体泵流量使放电介质的液面高度保持恒定。
C.依次开启激光冲击系统、脉冲放电系统以及运动平台系统，预热5～15分钟。
D.通过外部计算机将激光器控制系统与运动平台控制系统实现协同控制，使激光器与运动平台完成光电复合能场下的激光冲击强化。
E.依次关闭激光器、运动平台以及脉冲电源，取出试样，并对整个系统进行清洁维护。
本发明专利可以实现的有益效果为：
1.本发明方法中，激光可以利用等离子体导电特性以及膨胀特性而自动诱发脉冲放电过程，形成复合能场，诱发过程无需外部控制，易于实现。
2.本发明方法通过复合能场显著增加等离子体密度，有助于冲击波压力的增加。
3.本发明方法中，光电复合能场产生的局部高温环境会促使等离子体超高速膨胀，故可以成倍的增加冲击波压力，增幅高达数至数十倍；
4.本发明方法通过调整放电介质击穿时间控制冲击波波形，改善冲击波压力的时空分布。
5.本发明方法原理简单，易于实施，加工效率高；
6.本发明装置结构简单，自动化程度高，成本低廉。
附图说明
图1为一种利用自动诱发复合能场大幅提高激光诱导冲击波压力的方法的原理图。
图2为一种提高激光诱导冲击波压力的装置图。其中，1.激光器控制系统，2.纳秒激光器，3.45°全反镜，4.高压电源，5.运动平台控制系统，6.放电池，7.Z方向运动平台，8.X方向平台手动旋钮，9.X方向运动平台，10.Y方向平台手动旋钮，11.Y方向运动平台，12.放电介质，13.放电池入口，14.流体泵，15.放电池出口，16.存贮池，17.滤清器。
图3为一种提高激光诱导冲击波压力的局部装置图。其中，18.Z方向平台手动旋钮，19.工件，20.铝箔，21.等离子体，22.对称电极，23.吊架，24.水平滑轨。
图4为一种提高激光诱导冲击波压力方法中的关键距离参数（L 1、L 2、D、d）示意图。
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
以TC4航空钛合金为例，使用一种利用自动诱发复合能场大幅提高激光诱导冲击波压力的方法进行强化。其中，激光器采用法国Thales纳秒激光器，激光脉宽20ns，吸收层采用厚度为120μm的铝箔，放电介质采用去离子水，对称电极采用电铸Cu材料，电极数目为2个，高压电源电压设置为480V。其方法步骤如下：
A.调节对称电极22的极间距L 2以及电极放电端与铝箔20表面光斑中心的距离L 1至0.5～0.8R，调整高压电源4输出电压至临界电压，保证对称电极22可被激光诱导等离子体团自动诱发放电。
B.开启流体泵14，将去离子水12输送至放电池，并保证放电池内去离子水12的液面高度高于对称电极22的放电端，随后调整流体泵14流量使去离子水12的液面高度保持恒定。
C.依次开启激光冲击系统、脉冲放电系统以及运动平台系统，预热5～15分钟。
D.通过外部计算机将激光器控制系统1与运动平台控制系统5实现协同控制，使激光器2与运动平台9、11、7完成光电复合能场下的激光冲击强化。
E.依次关闭激光器2、运动平台9、11、7以及脉冲电源4，取出TC4航空钛合金工件19，并对整个系统进行清洁维护。
结果表明，采用激光能量6J，光斑直径3mm，传统激光冲击强化技术在TC4航空钛合金表面诱导的冲击波压力约为2.57GPa；而采用对称电极极间距L 2为2.7mm（0.9R）、电极放电端与铝箔20表面光斑中心的距离L 1为1.8mm（0.6R）时，本专利所述发明方法在TC4航空钛合金表面诱导的冲击波压力高达约8.93GPa，为传统激光冲击强化技术的3.5倍，实现了冲击波压力的成倍增长。
同时研究结果发现，当对称电极极间距L 2为2.7mm（0.9R）、电极放电端与铝箔20表面光斑中心的距离L 1为3.6mm（1.2R）时，本发明方法在TC4航空钛合金表面诱导的冲击波压力约为2.52GPa，说明对称电极未完成放电，证明电极放电端与铝箔表面光斑中心的距离L 1是实现本专利的关键技术参数之一。
研究结果还发现，当对称电极极间距L 2为4.2mm（1.4R）、电极放电端与铝箔20表面光斑中心的距离L 1为1.8mm（0.6R）时，本发明方法在TC4航空钛合金表面诱导的冲击波压力约为2.43GPa，同样说明对称电极未完成放电，证明对称电极极间距L 2也是实现本专利的关键技术参数之一。
实施例二
一种提高激光诱导冲击波压力的装置包括激光冲击系统、脉冲放电系统以及运动平台系统。其中，激光冲击系统包括激光器2及其控制系统1以及45°全反镜3，激光器2与控制系统1之间使用数据线链接。脉冲放电系统中，对称电极22采用吊架23与水平滑轨24连接，保证电极间距L 2可调，对称电极22使用高功率电线与高压电源4相连接；放电介质12使用流体泵14通过放电池入口13进入放电池，流体泵14与存贮池16间设置滤清器，放电池中的放电介质12通过放电池出口15回流至存贮池16。运动平台系统包含X方向工作台9、Y方向工作台11以及Z方向工作台7，且分别设置有手动调节旋钮8、10、18，其中Z方向工作台9用来调整电极放电端与铝箔20表面光斑中心的距离L 1。
以IN718镍基合金为例，使用一种提高激光诱导冲击波压力的装置进行强化。其中，激光器采用法国Thales纳秒激光器，激光脉宽20ns，吸收层采用厚度为120μm的铝箔，放电介质12采用矿物质油，电极22采用Cu基复合材料，电极数目为2个，高压电源设置为400V。
当采用激光能量10J，光斑直径4mm，传统激光冲击强化技术在IN718镍基合金表面诱导的冲击波压力约为2.89GPa；而采用对称电极极间距L 2为3.2mm（0.8R）、电极放电端与铝箔20表面光斑中心的距离L 1为2mm（0.5R）时，本专利所述发明方法在IN718镍基合金表面诱导的冲击波压力高达约8.59GPa，为传统激光冲击强化技术的2.97倍，同样实现了冲击波压力的成倍增长。
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 (9)

1.一种提高激光诱导冲击波压力的方法，其特征在于，利用激光诱导铝箔产生等离子体，高压脉冲电极对离子体放电，诱发形成光电复合能场，进而诱导产生具有超高密度、超高速膨胀特征的高温等离子体，使高温等离子体在约束状态下撞击待加工表面，大幅提高激光诱导的冲击波压力，使高强材料表面强化，提高其强度、硬度、抗磨损以及抗疲劳性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体步骤为：
A）将工件（19）表面上贴有铝箔（20），将纳秒脉冲激光照射在铝箔（20）表面上；
B）铝箔（20）吸收激光产生气化；
C）在激光作用下，气化物质电离产生具有导电特性的等离子体团；
D）等离子体团继续吸收激光能量而膨胀，促使等离子体团外表面迅速向外扩展；E）等离子体团外表面进入对称电极（22）的放电间隙后，对称电极（22）自动放电，从而自动诱发形成光电复合能场，产生高温；
F）受高温作用，等离子体密度迅速增加并产生爆炸，实现了等离子体的超高速膨胀；
G）在放电介质的约束下，超高速膨胀态的等离子体气体以超高压力的冲击波冲击工件（19）表面产生显著的强化效应。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激光脉宽为10～100ns。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对称电极的数量为2～6个，对称电极在水平面内围绕光斑中心点对称布置。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电极（22）的高压电源的临界电压，其中E r为放电介质击穿时的临界电场强度，D为放电介质击穿时等离子体外表面与电极之间的距离，L 1为电极放电端与铝箔表面光斑中心的距离，V为等离子体膨胀速度，t 0为放电介质击穿时的时间，E为激光能量，τ为脉冲宽度，d为激光光斑直径，常数B通过实验数据获得。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对称电极的极间距L 2为0.8～1.0R，R为激光光斑直径；所述电极放电端与铝箔表面光斑中心的距离L 1保持在0.5～0.8R。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光诱导冲击波的时间分布通过放电介质击穿时间t 0调节，放电介质击穿时间t 0由电极放电端与铝箔表面光斑中心的距离L 1调节,具体为，冲击波压力时间分布函数为，其中A（t）为激光诱导冲击波的压力因子，平均冲击波压力，α为激光吸收系数，Z为相对声阻抗；I 0为激光功率密度，复合场系数C（U）~U，U为高压电源电压。
8.一种实施权利要求1所述的提高激光诱导冲击波压力的方法的装置，其特征在于，包括激光冲击系统、脉冲放电系统以及运动平台系统；所述激光冲击系统包括激光器（2）、控制系统（1）、45°全反镜（3），所述激光器（2）与控制系统（1）之间使用数据线链接；脉冲放电系统包括对称电极（22）、吊架（23）、水平滑轨（24）、流体泵（14）、存贮池（16）和高压电源（4），所述对称电极（22）设于水平滑轨（24）上，水平滑轨（24）与吊架（23）连接，对称电极（22）之间的极间距L2在水平滑轨（24）上可调，所述对称电极（22）通过高功率电线与高压电源（4）相连接；流体泵（14）将放电介质（12）从存贮池（16）抽出，并通过放电池入口（13）进入放电池，放电池中的放电介质（12）通过放电池出口（15）回流至存贮池（16）；流体泵（14）与存贮池（16）间设置滤清器；所述运动平台系统包含X方向工作台（9）、Y方向工作台（11）和Z方向工作台（7），且分别设置有X方向手动调节旋钮（8）、Y方向手动调节旋钮（10）和Z方向手动调节旋钮（18）。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述放电介质（12）采用矿物质油或者去离子水，电极（22）采用电铸Cu或Cu基复合材料。
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