CN106944525A - 一种激光冲击成形防冲击波反射的装置及方法 - Google Patents

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韦乐余
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Abstract

本发明公开了一种激光冲击成形防冲击波反射的装置，包括激光发生器、对激光透明的约束层、待成型板料和紧密贴敷于待成型板料上的吸收层，还包括紧密贴敷于待成型板料非冲击面上的第一层金属箔胶带，第一层金属箔胶带远离待成型板料的表面上紧密贴敷有第二层金属箔胶带，第二层金属箔胶带远离第一层金属箔胶带的表面上紧密贴敷有第三层金属箔胶带，第一层金属箔胶带的声阻抗低于待成型板料的声阻抗，第二层金属箔胶带的声阻抗低于第一层金属箔胶带的声阻抗，第三层金属箔胶带的声阻抗低于第二层金属箔胶带的声阻抗。该方法有效地消除了激光冲击成形过程中材料背表面对冲击波的反射，从而防止了反射冲击波对板料成形效果的不利影响。

Description

一种激光冲击成形防冲击波反射的装置及方法
技术领域
本发明属于高能脉冲激光应用技术领域，具体涉及一种激光冲击成形防冲击波反射的装置及方法。
背景技术
激光冲击成形（Laser shock forming, LSP），是利用高功率短脉冲激光与物质相互作用，产生强冲击波或应力波，并利用诱导的高幅冲击波的力学效应使板料产生塑性变形的成形方法。从激光器发出的高功率密度（GW/cm2量级）、短脉冲（ns量级）的强激光束穿过透明约束层照射到涂覆在金属板料表面的能量吸收层上，或直接冲击金属表面，使其气化、电离，形成高温高压的等离子体，等离子体继续吸收能量发生爆炸并诱发高压冲击波，在约束层的作用下产生向板料内部传播的强冲击波，由于冲击波峰值压力达到109Pa量级，远远大于材料的动态屈服强度，从而使板料产生宏观塑性变形。通过选择激光脉冲能量、脉冲宽度、光斑尺寸，可控制板料变形量；通过数控系统控制激光冲击轨迹、叠加方式和作用区域的脉冲次数，可实现板料的局部或大面积成形。
根据查阅的相关文献与专利检索文件我们发现，国内江苏大学丁海峰等论文《金属板料激光冲击成形控制方法研究》主要讨论分析金属板料成形的物理过程，及影响成形效果的因素，未涉及冲击波反射的问题。江苏大学齐善东等论文《激光冲击成形控制系统的研究》主要论述了激光冲击金属板料的物理过程，激光冲击波的产生及其力学效应，探讨了板料成形过程中的涂层、约束层、激光参数、板料参数和约束边界等主要影响因素，未涉及冲击波反射的问题。
目前的激光冲击成形系统中，未考虑强冲击波向板料内部传播后，板料后表面对冲击波的界面反射从而造成对板料成形效果的不利影响。激光冲击成形过程中等离子体爆炸产生的冲击波向材料内部传播，冲击波传播到材料背表面若产生反射，反射波会对材料的成形效果产生副作用。
发明内容
为了减弱甚至消除激光冲击成形过程中界面冲击波的反射，本发明提供一种激光冲击成形过程中防冲击波反射的方法。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种激光冲击成形防冲击波反射的装置，包括激光发生器、对激光透明的约束层、待成型板料和紧密贴敷于待成型板料上的吸收层，还包括紧密贴敷于待成型板料非冲击面上的第一层金属箔胶带，第一层金属箔胶带远离待成型板料的表面上紧密贴敷有第二层金属箔胶带，第二层金属箔胶带远离第一层金属箔胶带的表面上紧密贴敷有第三层金属箔胶带，……，第N-1层金属箔胶带远离第N-2层金属箔胶带的表面上紧密贴敷有第N层金属箔胶带，第N层金属箔胶带远离第N-1层金属箔胶带的表面处设置流动水层；
第一层金属箔胶带的声阻抗低于待成型板料的声阻抗，第二层金属箔胶带的声阻抗低于第一层金属箔胶带的声阻抗，第三层金属箔胶带的声阻抗低于第二层金属箔胶带的声阻抗，……，第N层金属箔胶带的声阻抗低于第N-1层金属箔胶带的声阻抗，流动水层的声阻抗低于第N层金属箔胶带的声阻抗；
所述N≥2，且为正整数。
所述对激光透明的约束层为去离子水层、玻璃层或冰层。
所述流动水层中的水为去离子水。
所述流动水层的厚度为1-2mm。
所述第一层金属箔胶带、第二层金属箔胶带、……、第N层金属箔胶带的厚度为0.05-0.2mm。
当N=2时，所述待成型板料为钛合金板料，第一金属箔胶带为锡箔胶带，第二金属箔胶带为铝箔胶带。
利用上述的激光冲击成形防冲击波反射的装置进行激光冲击成形的方法，具体步骤如下：
1）将待成形板材放置到激光冲击成形装置中，将声阻抗低于待成型板料的第一层金属箔胶带紧密贴敷于待成型板料的非冲击面上，声阻抗低于第一层金属箔胶带的第二层金属箔胶带紧密贴敷在第一层金属箔胶带远离待成型板料的表面上，声阻抗低于第二金属箔胶带的第三层金属箔胶带紧密贴敷在第二金属箔胶带远离第一层金属箔胶带的表面上，……，声阻抗低于第N-1层金属箔胶带的第N层金属箔胶带紧密贴敷在第N-1层金属箔胶带远离第N-2层金属箔胶带的表面上，最后打开第N层金属箔胶带远离第N-1层金属箔胶带的表面处的流动水层；
2）打开激光发生器，激光发生器发射脉冲激光，当脉冲激光透过约束层照射在吸收层上时，脉冲激光与吸收层相互作用，产生等离子爆炸，在约束层的约束作用下产生向待成型板料内部传播的强冲击波的同时，在待成型板料表面及近表面诱导残余压应力，使待成型板料内部应力场重新分布，从而使待成型板料按要求的方向及曲率半径形变；当冲击波传至待成型板料与第一金属箔胶带结合面处时，由于后者声阻抗低于前者，导致冲击波完全传入第一金属箔胶带；当冲击波传至第一金属箔胶带与第二金属箔胶带结合面处时，由于后者声阻抗低于前者，导致冲击波完全传入第二金属箔胶带；……；当冲击波传至第N层金属箔胶带与流动水层结合面处时，由于后者声阻抗低于前者，导致冲击波完全传入流动去离子水至完全衰减，避免了冲击波反射对形变过程的不利影响，最终得到按要求的方向及曲率半径形变的成型材料。
本发明的实现原理可表述为：高能脉冲激光透过对激光透明的约束层照射在紧密贴覆于待成形板料的用于吸收脉冲能量的吸收层上，使其气化、电离，形成高温高压的等离子体，等离子体继续吸收能量发生爆炸并诱发高压冲击波，在约束层的约束作用下产生向板料内部传播的强冲击波，由于冲击波峰值压力远远大于材料的动态屈服强度，从而使板料产生宏观塑性变形；B）冲击波传至板料界面处，由于紧密贴覆于板料后表面的金属箔胶带声阻抗低于板料，因此冲击波穿过界面继续传播，极少一部分形成反射波；C）冲击波传至金属箔胶带后表面界面处，由于紧密贴覆于金属箔胶带后表面的金属箔胶带声阻抗低于金属箔胶带，因此冲击波穿过界面继续传播至金属箔胶带后表面界面处；D）由于附于最后表面的流动水层声阻抗远远低于金属箔胶带，冲击波被流动水层传出。从而消除了冲击波反射对板料成形效果的不利影响。
相对于现有技术，本发明提供一种激光冲击成形过程中防冲击波反射的方法，通过在材料背表面紧密粘贴声阻抗与板料相近的金属箔胶带来吸收冲击波，即令冲击波继续向前传播，减少甚至消除反射波；依次粘贴声阻抗逐渐递减的金属箔胶带，最后一级采用流动的水层，达到导出冲击波的目的。该方法有效地消除了激光冲击成形过程中材料背表面对冲击波的反射，从而防止了反射冲击波对板料成形效果的不利影响。在待成形板材后表面依次贴覆声阻抗相对于板料递减的金属金属箔胶带，并在最末级附流动水层以消除冲击波反射对板料成形效果的影响。操作简单，便于推广使用。
附图说明
图1是激光冲击成形防冲击波反射布置示意图。
图2是对比例的成型板料Ⅰ。
图3是对比例的成型板料Ⅱ。
图4是实验例的实验过程示意图。
图5是实验例的成型板料Ⅰ。
图6是实验例的成型板料Ⅱ。
其中，1是激光发生器；2是对激光透明的约束层；3是吸收层；4是待成型板料；5是第一层金属箔胶带；6是第二层金属箔胶带；7是第三层金属箔胶带；……；N+3是第N-1层金属箔胶带；N+4是第N层金属箔胶带；N+5是流动水层。
具体实施方式
如图1所示，一种激光冲击成形防冲击波反射的装置，包括激光发生器1、对激光透明的约束层2、待成型板料4和紧密贴敷于待成型板料4上的吸收层3，还包括紧密贴敷于待成型板料4非冲击面上的第一层金属箔胶带5，第一层金属箔胶带5远离待成型板料4的表面上紧密贴敷有第二层金属箔胶带6，第二层金属箔胶带6远离第一层金属箔胶带5的表面上紧密贴敷有第三层金属箔胶带7，……，第N-1层金属箔胶带N+3远离第N-2层金属箔胶带N+2的表面上紧密贴敷有第N层金属箔胶带N+4，第N层金属箔胶带N+4远离第N-1层金属箔胶带N+3的表面处设置流动水层N+5；
第一层金属箔胶带5的声阻抗低于待成型板料4的声阻抗，第二层金属箔胶带6的声阻抗低于第一层金属箔胶带5的声阻抗，第三层金属箔胶带7的声阻抗低于第二层金属箔胶带6的声阻抗，……，第N层金属箔胶带N+4的声阻抗低于第N-1层金属箔胶带N+3的声阻抗，流动水层N+5的声阻抗低于第N层金属箔胶带N+4的声阻抗；
N≥2，且为正整数。
对激光透明的约束层2为去离子水层、玻璃层或冰层。
流动水层N+5中的水为去离子水。
流动水层N+5的厚度为1-2mm。
第一层金属箔胶带5、第二层金属箔胶带6、……、第N层金属箔胶带N+4的厚度为0.05-0.2mm。
当N=2时，所述待成型板料4为钛合金板料，第一金属箔胶带5为锡箔胶带，第二金属箔胶带6为铝箔胶带。
利用上述的激光冲击成形防冲击波反射的装置进行激光冲击成形的方法，具体步骤如下：
1）将待成形板材4放置到激光冲击成形装置中，将声阻抗低于待成型板料4的第一层金属箔胶带5紧密贴敷于待成型板料4的非冲击面上，声阻抗低于第一层金属箔胶带5的第二层金属箔胶带6紧密贴敷在第一层金属箔胶带5远离待成型板料4的表面上，声阻抗低于第二金属箔胶带6的第三层金属箔胶带7紧密贴敷在第二金属箔胶带6远离第一层金属箔胶带5的表面上，……，声阻抗低于第N-1层金属箔胶带N+3的第N层金属箔胶带N+4紧密贴敷在第N-1层金属箔胶带N+3远离第N-2层金属箔胶带N+2的表面上，最后打开第N层金属箔胶带N+4远离第N-1层金属箔胶带N+3的表面处的流动水层N+5；
2）打开激光发生器1，激光发生器1发射脉冲激光，当脉冲激光1透过约束层2照射在吸收层3上时，脉冲激光1与吸收层3相互作用，产生等离子爆炸，在约束层2的约束作用下产生向待成型板料4内部传播的强冲击波的同时，在待成型板料4表面及近表面诱导残余压应力，使待成型板料4内部应力场重新分布，从而使待成型板料4按要求的方向及曲率半径形变；当冲击波传至待成型板料4与第一金属箔胶带5结合面处时，由于后者声阻抗低于前者，导致冲击波完全传入第一金属箔胶带5；当冲击波传至第一金属箔胶带5与第二金属箔胶带6结合面处时，由于后者声阻抗低于前者，导致冲击波完全传入第二金属箔胶带6；……；当冲击波传至第N层金属箔胶带N+4与流动水层N+5结合面处时，由于后者声阻抗低于前者，导致冲击波完全传入流动去离子水至完全衰减，避免了冲击波反射对形变过程的不利影响，最终得到按要求的方向及曲率半径形变的成型材料。
钛的声阻抗数值为27 gm/(cm2·s)，锡的声阻抗数值为24 gm/(cm2·s)，铝的声阻抗数值为17 gm/(cm2·s)，去离子水的声阻抗数值为1.48 gm/(cm2·s)。
对比例：
如图2-3所示，待成型板料后表面上没有贴覆金属箔胶带吸收层，板料后表面未加吸波层时产生鼓起的状态，表明产生了冲击波反射，向板料内部传播，对成形过程产生了不利影响。
实验例：
如图4-6所示，待成形板材4为钛合金板材，第一金属箔胶带5为锡箔胶带，第二金属箔胶带6为铝箔胶带，锡箔胶带和铝箔胶带的厚度均为0.1mm，流动水层的厚度为1.5mm，对激光透明的约束层2为玻璃层。
高能脉冲激光1透过对激光透明的约束层2照射在紧密贴覆于待成形钛合金板料的用于吸收脉冲能量的吸收层3上，使其气化、电离，形成高温高压的等离子体，等离子体继续吸收能量发生爆炸并诱发高压冲击波，在约束层3的约束作用下产生向钛合金板材内部传播的强冲击波，由于冲击波峰值压力远远大于材料的动态屈服强度，从而使板料产生宏观塑性变形；B）冲击波传至钛合金板材界面处，由于紧密贴覆于钛合金板材后表面的锡箔胶带5声阻抗低于钛合金板材，因此冲击波穿过界面继续传播，极少一部分形成反射波；C）冲击波传至锡箔胶带5后表面界面处，由于紧密贴覆于锡箔胶带5后表面的铝箔胶带6声阻抗低于锡箔胶带5，因此冲击波穿过界面继续传播至金属箔胶带6后表面界面处；D）由于附于后表面的流动去离子水层7声阻抗远远低于铝箔胶带6，冲击波被流动去离子水层传出。从而消除了冲击波反射对板料成形效果的不利影响。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光冲击成形防冲击波反射的装置，包括激光发生器（1）、对激光透明的约束层（2）、待成型板料（4）和紧密贴敷于待成型板料（4）上的吸收层（3），其特征在于：还包括紧密贴敷于待成型板料（4）非冲击面上的第一层金属箔胶带（5），第一层金属箔胶带（5）远离待成型板料（4）的表面上紧密贴敷有第二层金属箔胶带（6），第二层金属箔胶带（6）远离第一层金属箔胶带（5）的表面上紧密贴敷有第三层金属箔胶带（7），……，第N-1层金属箔胶带（N+3）远离第N-2层金属箔胶带（N+2）的表面上紧密贴敷有第N层金属箔胶带（N+4），第N层金属箔胶带（N+4）远离第N-1层金属箔胶带（N+3）的表面处设置流动水层（N+5）；
第一层金属箔胶带（5）的声阻抗低于待成型板料（4）的声阻抗，第二层金属箔胶带（6）的声阻抗低于第一层金属箔胶带（5）的声阻抗，第三层金属箔胶带（7）的声阻抗低于第二层金属箔胶带（6）的声阻抗，……，第N层金属箔胶带（N+4）的声阻抗低于第N-1层金属箔胶带（N+3）的声阻抗，流动水层（N+5）的声阻抗低于第N层金属箔胶带（N+4）的声阻抗；
所述N≥2，且为正整数。
2.根据权利要求1所述的激光冲击成形防冲击波反射的装置，其特征在于：所述对激光透明的约束层（2）为去离子水层、玻璃层或冰层。
3.根据权利要求1所述的激光冲击成形防冲击波反射的装置，其特征在于：所述流动水层（N+5）中的水为去离子水。
4.根据权利要求1所述的激光冲击成形防冲击波反射的装置，其特征在于：所述第一层金属箔胶带（5）、第二层金属箔胶带（6）、……、第N层金属箔胶带（N+4）的厚度为0.05-0.2mm。
5.根据权利要求1所述的激光冲击成形防冲击波反射的装置，其特征在于：所述流动水层（N+5）的厚度为1-2mm。
6.根据权利要求1所述的激光冲击成形防冲击波反射的装置，其特征在于：当N=2时，所述待成型板料（4）为钛合金板料，第一金属箔胶带（5）为锡箔胶带，第二金属箔胶带（6）为铝箔胶带。
7.利用权利要求1所述的激光冲击成形防冲击波反射的装置进行激光冲击成形的方法，其特征在于：具体步骤如下：
1）将待成形板材（4）放置到激光冲击成形装置中，将声阻抗低于待成型板料（4）的第一层金属箔胶带（5）紧密贴敷于待成型板料（4）的非冲击面上，声阻抗低于第一层金属箔胶带（5）的第二层金属箔胶带（6）紧密贴敷在第一层金属箔胶带（5）远离待成型板料（4）的表面上，声阻抗低于第二金属箔胶带（6）的第三层金属箔胶带（7）紧密贴敷在第二金属箔胶带（6）远离第一层金属箔胶带（5）的表面上，……，声阻抗低于第N-1层金属箔胶带（N+3）的第N层金属箔胶带（N+4）紧密贴敷在第N-1层金属箔胶带（N+3）远离第N-2层金属箔胶带（N+2）的表面上，最后打开第N层金属箔胶带（N+4）远离第N-1层金属箔胶带（N+3）的表面处的流动水层（N+5）；
2）打开激光发生器（1），激光发生器（1）发射脉冲激光，当脉冲激光（1）透过约束层（2）照射在吸收层（3）上时，脉冲激光（1）与吸收层（3）相互作用，产生等离子爆炸，在约束层（2）的约束作用下产生向待成型板料（4）内部传播的强冲击波的同时，在待成型板料（4）表面及近表面诱导残余压应力，使待成型板料（4）内部应力场重新分布，从而使待成型板料（4）按要求的方向及曲率半径形变；当冲击波传至待成型板料（4）与第一金属箔胶带（5）结合面处时，由于后者声阻抗低于前者，导致冲击波完全传入第一金属箔胶带（5）；当冲击波传至第一金属箔胶带（5）与第二金属箔胶带（6）结合面处时，由于后者声阻抗低于前者，导致冲击波完全传入第二金属箔胶带（6）；……；当冲击波传至第N层金属箔胶带（N+4）与流动水层（N+5）结合面处时，由于后者声阻抗低于前者，导致冲击波完全传入流动去离子水至完全衰减，避免了冲击波反射对形变过程的不利影响，最终得到按要求的方向及曲率半径形变的成型材料。
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