CN105648200A - 一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备及方法 - Google Patents

一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备及方法 Download PDF

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张东哲
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Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备及方法，包括两个对称设置的腔体，两个腔体上均设有若干用于设置激光器的激光入射口，且两个腔体上的激光入射口关于两个腔体的对称轴对称设置；两个腔体上相对的位置对称设有激光出射口，且两个腔体上的激光出射口通过腔体连接板连通，腔体连接板上固定有用于夹持工件的夹紧装置，两个腔体上的激光出射口处均设有能够打开或关闭的挡板，腔体、腔体连接板以及挡板的内侧均设有光子晶体结构材料。本发明对工件整体进行冲击强化，因而效率更高，且不易造成工件宏观变形，并可作用于复杂型面。

Description

一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备及方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备及方法。
背景技术
喷丸是一种提高金属材料特性的工艺。传统喷丸，通常是用机械的方法，例如锤击或者射击，使得金属表面产生塑性变形，因此在工件的表面产生残余压应力。但机械喷丸会引起工件表面变得粗糙，使得工件抗疲劳、抗腐蚀性能不能得到良好的提高。然而用激光脉冲替代弹珠作为喷丸工具，能更好在金属表面起到冲击强化作用。通常在激光冲击强化中，在工件的表面黏贴上一种不透明的涂层如，黑漆或者铝箔贴在金属表面上，用来吸收激光能量从而产生等离子体，并在吸收层上面添加一层透明的约束层，一般是水流或者玻璃，用来提高冲击波峰值压力，延长等离子爆炸时间。激光冲击强化技术因具有高效、清洁、灵活、非接触等特点而被广泛用于航空航天、核电站等工业中。
国内外现有的双面激光冲击强化技术有较大的局限性，当冲击件两面受到的激光冲击不对称时，由于激光冲击强化处理产生的残余压应力也不对称，从而导致冲击件的宏观变形；同时，由于受到整体叶盘相邻叶片空间尺寸的限制，激光冲击强化采用双面对称斜入射方式在相邻叶片尺寸较小的情况下是不可行的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备及方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明对工件整体进行冲击强化，因而效率更高，且不易造成工件宏观变形，并可作用于复杂型面。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备，包括两个对称设置的腔体，两个腔体上均设有若干用于设置激光器的激光入射口，且两个腔体上的激光入射口关于两个腔体的对称轴对称设置；两个腔体上相对的位置对称设有激光出射口，且两个腔体上的激光出射口通过腔体连接板连通，腔体连接板上固定有用于夹持工件的夹紧装置，两个腔体上的激光出射口处均设有能够打开或关闭的挡板，腔体、腔体连接板以及挡板的内侧均设有光子晶体结构材料。
进一步地，工件的表面贴有柔性贴膜，柔性贴膜的厚度为1～2mm。
进一步地，光子晶体结构材料由GaAs与Al2O3周期排列组成，且光子晶体结构材料的底层为GaAs，表层为Al2O3。
进一步地，GaAs的厚度为149nm，Al2O3的厚度为80nm，且光子晶体结构材料的结构周期为17。
进一步地，腔体为球形腔体。
进一步地，腔体的半径为1000mm，激光入射口的半径为2.5mm，激光出射口尺寸为20mm×20mm。
进一步地，两个腔体上各设有三个激光入射口和一个激光出射口，其中一个腔体上三个激光入射口的方位为：天顶角60度，方位角0度；天顶角120度，方位角120度；天顶角90度，方位角240度；激光出射口的方位为：天顶角90度，方位角180度。
一种基于光子晶体混强场的激光冲击方法，采用上述激光冲击设备，包括以下步骤：
步骤一：根据待加工工件的尺寸，确定激光出射口处的挡板的尺寸，挡板的尺寸大于工件待加工面的尺寸；
步骤二：在工件的待加工面贴上柔性贴膜；
步骤三：用夹紧装置将待加工面贴有柔性贴膜的工件固定在激光冲击设备中；
步骤四：根据待加工工件材料特性确定激光器的参数；
步骤五：关闭挡板，打开所有激光器；
步骤六：经过充能时间t1后，打开挡板，对工件进行双面整体激光冲击。
进一步地，激光器的参数包括：波长1064nm，脉宽10～30ns，激光脉冲能量5～25J，光斑直径5mm。
进一步地，充能时间t1为80～100s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提出通过激光在腔体内往复反射来形成强度均匀分布的激光场，这样无论零部件的结构简单还是复杂，零部件的不同位置都可以在激光混强场中受到均匀激光束的激光冲击，达到激光冲击强化的效果，很好地解决了现有激光冲击强化技术易导致冲击件宏观变形、效率较低、难以对复杂型面冲击等问题。本发明利用激光混强场设备产生激光混强场，实现对工件两侧整个表面整体激光冲击强化，在工件表面形成均匀的残余压应力层，能显著提高工件的强度、抗磨损、抗腐蚀和抗疲劳性能，不仅可以高效地对工件进行整体冲击强化，不易造成工件宏观变形，而且具有更好的强化效果，且适合于复杂曲面的工件的冲击强化。
进一步地，本发明选用柔性贴膜作为激光冲击的约束层与吸收层，这种柔性贴膜作为吸收层和约束层，能达到均匀的冲击效果。
进一步地，采用本发明的光子晶体结构材料，对于以任意方向入射到该光子晶体结构材料的波长为1064nm的激光，该光子晶体结构材料具有99.96％以上的反射率。
进一步地，通过本发明中激光出射口和激光入射口的位置设置，可以避免某个激光入射口中的激光器直射到其余激光入射口或者激光出射口。
本发明方法利用激光混强场设备产生激光混强场，然后依据待加工工件材料特性、尺寸来确定对工件进行整体冲击的激光器参数，实现对工件两侧整个表面整体激光冲击强化，在工件表面形成均匀的残余压应力层，能显著提高工件的强度、抗磨损、抗腐蚀和抗疲劳性能，不仅可以高效地对工件进行整体冲击强化，不易造成工件宏观变形，而且具有更好的强化效果，且适合于复杂曲面的工件的冲击强化。
附图说明
图1是本发明的激光冲击设备结构示意图；
图2是图1中腔体连接处放大图；
图3是光子晶体结构材料的示意图。
其中，1、腔体；2、光子晶体结构材料；3、激光器；4、工件；5、夹紧装置；6、柔性贴膜；7、挡板；8、腔体连接板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1至图3，一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备，包括两个对称设置的腔体1，腔体1为球形、椭球形、正方体等多种形状，当为球形时，腔体1的半径为1000mm，两个腔体1上均设有三个用于设置激光器3的激光入射口，激光入射口的半径为2.5mm，且两个腔体1上的激光入射口关于两个腔体1的对称轴对称设置；两个腔体1上相对的位置各设有一个激光出射口，激光出射口尺寸为20mm×20mm，且两个腔体1上的激光出射口关于两个腔体1的对称轴对称设置，两个腔体1上的激光出射口通过腔体连接板8连通，腔体连接板8上固定有用于夹持工件4的夹紧装置5，且工件4的表面设有柔性贴膜6，柔性贴膜6的厚度为1～2mm，柔性贴膜6采用两组不同组分的GN-521有机硅凝胶液以及添加剂按一定配方混合，固化后形成对激光透明的约束层，再在其上喷涂86-1型黑漆的能量吸收层，两个腔体1上的激光出射口处均设有能够打开或关闭的挡板7，腔体1、腔体连接板8以及挡板7的内侧均设有光子晶体结构材料2，光子晶体结构材料2由GaAs与Al2O3周期排列组成，且光子晶体结构材料2的底层为GaAs，表层为Al2O3，且GaAs的厚度为149nm，Al2O3的厚度为80nm，光子晶体结构材料2的结构周期为17，对于以任意方向入射到该光子晶体结构材料2的波长为1064nm的激光，该光子晶体结构材料2具有99.96％以上的反射率。
腔体1上的激光入射口需要避免使激光器直射到其余激光入射口或者激光出射口，其中一个腔体1上三个激光入射口的方位为：天顶角60度，方位角0度；天顶角120度，方位角120度；天顶角90度，方位角240度；激光出射口的方位为：天顶角90度，方位角180度；另一个腔体1上的激光入射口和激光出射口位置关于两个腔体的对称轴对称设置。
一种基于光子晶体混强场的激光冲击方法，采用上述激光冲击设备，包括以下步骤：
步骤一：根据待加工工件4的尺寸，确定激光出射口处的挡板7的尺寸，挡板7的尺寸大于工件4待加工面的尺寸；
步骤二：在工件4的待加工面贴上柔性贴膜6；
步骤三：用夹紧装置5将待加工面贴有柔性贴膜6的工件4固定在激光冲击设备中；
步骤四：根据待加工工件4材料特性确定激光器3的参数：激光器3的参数包括：波长1064nm，脉宽10～30ns，激光脉冲能量5～25J，光斑直径5mm；
步骤五：关闭挡板7，打开所有激光器3；
步骤六：经过充能时间t1＝80～100s后，打开挡板7，对工件4进行双面整体激光冲击。
下面对本发明的实施过程作进一步详细说明：
本实施例工件是尺寸为16mm×16mm×10mm的TC17钛合金工件，本发明装置包含：腔体1，脉冲激光器3，柔性贴膜6，工件4。夹紧装置10用于夹紧工件4，确保工件在受冲击时不发生运动。夹紧装置10被固定在腔体连接板8上，柔性贴膜6为集能量吸收层和约束层与一体的具有一定柔性的贴膜，其厚度为1.5mm，尺寸为16mm×16mm，粘贴于工件4表面上。光子晶体结构材料2附着于腔体1内壁、挡板7朝腔体一侧以及腔体连接板8内侧。激光冲击强化时，将工件固定于激光冲击设备中。首先关闭挡板7并打开所有的脉冲激光器3，经过时间t1后打开挡板7，经1s后对工件4两侧同时进行整体激光冲击强化完成，挡板7可以通过外部控制设备进行打开或关闭。
单个腔体半径为1000mm，入射口的半径为2.5mm，出射口尺寸为20mm×20mm。其中一个腔体上激光器三个入射口方位分别为：天顶角60度，方位角0度；天顶角120度，方位角120度；天顶角90度，方位角240度，出射口方位为天顶角90度，方位角180度。两个腔体在激光出射口处对接起来，两腔体上的激光器对称于腔体连接处排列。
本实施例选用Nd：YAG脉冲激光器，其参数为：激光能量20J，重复频率5Hz，光斑直径为5mm，脉宽20ns，波长1064nm，充能时间通常取80～100s，此处取t1＝100s。
对尺寸为16mm×16mm×10mm的TC17钛合金工件分别进行整体冲击强化与传统蛇形冲击强化同一工件效果对比如表1所示。
表1均匀冲击与蛇形点状冲击效果对比
整体冲击 蛇形点状冲击
沿X轴最大压应力 320MPa 230MPa
沿X轴压应力深度 2mm 1mm
沿Y轴最大压应力 320MPa 230MPa
沿Y轴压应力深度 2mm 1mm
从上表可以看出，与传统的蛇形点状冲击相比，利用激光混强场对工件进行强化可以使工件具有更大的残余压应力及深度，故而激光混强场对工件强化效果更好，同时，由于是对工件整体进行冲击强化，因而效率更高，且不易造成工件宏观变形，并可作用于复杂型面。

Claims (10)

1.一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备，其特征在于，包括两个对称设置的腔体(1)，两个腔体(1)上均设有若干用于设置激光器(3)的激光入射口，且两个腔体(1)上的激光入射口关于两个腔体(1)的对称轴对称设置；两个腔体(1)上相对的位置对称设有激光出射口，且两个腔体(1)上的激光出射口通过腔体连接板(8)连通，腔体连接板(8)上固定有用于夹持工件(4)的夹紧装置(5)，两个腔体(1)上的激光出射口处均设有能够打开或关闭的挡板(7)，腔体(1)、腔体连接板(8)以及挡板(7)的内侧均设有光子晶体结构材料(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备，其特征在于，工件(4)的表面贴有柔性贴膜(6)，柔性贴膜(6)的厚度为1～2mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备，其特征在于，光子晶体结构材料(2)由GaAs与Al2O3周期排列组成，且光子晶体结构材料(2)的底层为GaAs，表层为Al2O3。
4.根据权利要求3所述的一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备，其特征在于，GaAs的厚度为149nm，Al2O3的厚度为80nm，且光子晶体结构材料(2)的结构周期为17。
5.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备，其特征在于，腔体(1)为球形腔体。
6.根据权利要求5所述的一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备，其特征在于，腔体(1)的半径为1000mm，激光入射口的半径为2.5mm，激光出射口尺寸为20mm×20mm。
7.根据权利要求5所述的一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备，其特征在于，两个腔体(1)上各设有三个激光入射口和一个激光出射口，其中一个腔体(1)上三个激光入射口的方位为：天顶角60度，方位角0度；天顶角120度，方位角120度；天顶角90度，方位角240度；激光出射口的方位为：天顶角90度，方位角180度。
8.一种基于光子晶体混强场的激光冲击方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备，包括以下步骤：
步骤一：根据待加工工件(4)的尺寸，确定激光出射口处的挡板(7)的尺寸，挡板(7)的尺寸大于工件(4)待加工面的尺寸；
步骤二：在工件(4)的待加工面贴上柔性贴膜(6)；
步骤三：用夹紧装置(5)将待加工面贴有柔性贴膜(6)的工件(4)固定在激光冲击设备中；
步骤四：根据待加工工件(4)材料特性确定激光器(3)的参数；
步骤五：关闭挡板(7)，打开所有激光器(3)；
步骤六：经过充能时间t1后，打开挡板(7)，对工件(4)进行双面整体激光冲击。
9.根据权利要求8所述的一种基于光子晶体混强场的激光冲击方法，其特征在于，激光器(3)的参数包括：波长1064nm，脉宽10～30ns，激光脉冲能量5～25J，光斑直径5mm。
10.根据权利要求8所述的一种基于光子晶体混强场的激光冲击方法，其特征在于，充能时间t1为80～100s。
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