CN107436488B - 激光冲击强化系统及其聚焦约束装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种激光冲击强化系统的聚焦约束装置，其特征在于所述聚焦约束装置包括聚焦部件、夹具部件以及约束介质，其中所述聚焦部件与所述夹具部件构成一端开口的腔体，所述约束介质容纳于所述腔体内形成约束层；所述聚焦部件将平行激光光线聚焦于所述腔体开口处，待加工工件可置于所述腔体开口处。上述激光冲击强化系统及其聚焦约束装置，相比于约束层直接接触空气和谐振腔类激光冲击强化系统，将约束层与聚焦部件整合到一起，约束层被约束到装置内部，从而约束层将冲击波约束在装置内部，减少了冲击波的损失，增加了冲击波的反射利用率。

Description

激光冲击强化系统及其聚焦约束装置
技术领域
本发明涉及激光冲击强化技术领域，特别涉及一种激光冲击强化系统及其的聚焦约束装置。
背景技术
激光冲击强化技术是利用高功率脉冲激光在工件表面产生超高压冲击波作用于材料内部，使得其残余应力、硬度、耐腐蚀性、抗疲劳性等提升。目前，激光冲击强化技术广泛应用于航空、船舶、机械工程等领域。
现有的激光冲击强化技术利用高功率脉冲激光器产生平行激光，经透镜聚焦到工件表面，形成高压强的等离子体爆轰波，利用透明的约束层限制该等离子体爆轰波的向外扩散与传播，向下在工件内部形成高压强的冲击波，该冲击波作用于工件上可以提升其位错密度，细化晶粒大小，从而使得工件的表面残余应力及硬度提升，进而使得其抗疲劳性、耐腐蚀性等的改变。
激光冲击强化的处理过程是利用断脉冲(已满在50纳秒以内)高功率密度(GW/cm2)的激光通过透明约束层，作用于金属等工件表面所涂覆或贴附的吸收保护层上；吸收保护层吸收激光能量后迅速气化，形成稠密的高温、高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量后急剧升温膨胀，形成冲击波，冲击波强度可达数个GPa(109Pa)量级，远高于许多工件材料的屈服强度；该冲击波穿过吸收保护层，作用于工件表面并向其内部传播，使工件表面产生塑性变形和残余压应力场，导致表层材料的塑性变形，位错密度增加，引起晶粒细化，压应力和硬度升高，从而显著提高材料的抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能
现有的激光冲击波强化技术中的约束层或采用不同的约束层材料，或改变光斑的重叠方式，或设置谐振腔容纳液体作为约束层。
例如，中国专利申请CN104232879A公开了一种柔性激光冲击装置及其冲击工件的方法、中国专利申请CN203878168U公开了一种激光冲击强化装置、中国专利申请CN103614541A公开了针对工件表面的激光冲击强化装置及激光冲击强化处理方法、中国专利申请CN104357648A公开了一种激光冲击强化方法及装置以及美国专利申请US5744781公开了一种激光冲击处理的方法和装置等都是采用约束层透镜分离的激光冲击强化结构。请参见图1和图2所示，激光冲击强化处理过程中，短脉冲的激光经聚焦透镜聚焦到工件表面，形成高强度等离子爆轰波，在约束层的限制下向下传播形成高压冲击波。受限于聚焦部件与约束层之间的分离原因，约束层会接触空气或者用玻璃石英等带窗口的腔体约束在密闭空间内。前者由于约束层接触空气，事实上会损失约一半的冲击波能量；后者由于需要利用装置隔离约束层与聚焦透镜，使得需要额外设计密封系统及选用激光损毁阈值高的石英玻璃，并且密封系统使得该石英玻璃无法做得较小，约束了腔式结构的大小，同时损毁阈值高的石英玻璃因为接近激光聚焦的工件表面，使得比较容易被损坏从而导致系统的稳定性不高。
发明内容
基于此，有必要针对透镜与约束层之间分离导致能量损失或系统稳定性不高的问题，提供一种激光冲击强化系统及其聚焦约束装置。
本发明提供一种激光冲击强化系统的聚焦约束装置，其中所述聚焦约束装置包括聚焦部件、夹具部件以及约束介质，其中所述聚焦部件与所述夹具部件构成一端开口的腔体，所述约束介质容纳于所述腔体内形成约束层；所述聚焦部件将平行激光光线聚焦于所述腔体开口处，待加工工件可置于所述腔体开口处。
在其中一个实施例中，所述聚焦部件包括透明固体，所述透明固体的入射光线端为平面，所述透明固体的出射光线端包含曲面。
在其中一个实施例中，所述透明固体与所述约束介质的折射率比大于2:1。
在其中一个实施例中，所述透明固体的抗压强度大于30Mpa。
在其中一个实施例中，所述聚焦约束装置包括固定部件(170)，所述固定部件(170)将所述聚焦部件(110)固定在所述夹具部件(120)上，或所述固定部件(170)能够使所述聚焦部件(110)相对于所述夹具部件(120)移动并将其固定在停留位置处。
在其中一个实施例中，所述夹具部件包括第一筒状结构体，所述聚焦部件可沿所述第一筒状结构体径向移动。
在其中一个实施例中，所述夹具部件包括第二筒状结构体，所述第二筒状结构体的内表面和所述第一筒状结构体的外表面设置有匹配的螺纹，或所述第二筒状结构体的外表面和所述第一筒状结构体的内表面设置有匹配的螺纹。
在其中一个实施例中，所述聚焦约束装置包括介质出入口，所述介质出入口供包括约束介质在内的介质出入所述腔体内外。
在其中一个实施例中，所述聚焦约束装置包括密封部件，所述密封部件设置于所述聚焦部件与所述夹具部件之间，和/或设置于所述夹具部件与待加工工件接触的端面处，和/或设置于所述固定部件与所述聚焦部件之间。
本发明还提出一种激光冲击强化系统，其中包括激光发生装置及如上所述的聚焦约束装置。
上述激光冲击强化系统及其聚焦约束装置，相比于约束层直接接触空气和谐振腔类激光冲击强化系统，将约束层与聚焦部件整合到一起，约束层被约束到装置内部，从而约束层将冲击波约束在装置内部，减少了冲击波的损失，增加了冲击波的反射利用率；
上述激光冲击强化系统及其聚焦约束装置，相比于约束层直接接触空气和谐振腔类激光冲击强化系统，激光离开聚焦部件后才开始聚焦，消除了强激光对聚焦部件损坏作用，提高系统的可重复性、耐受性与稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的激光冲击强化处理过程示意图；
图2为激光冲击强化系统聚焦部件与约束层分离的一种现有结构示意图；
图3为本发明一种聚焦约束装置一优选实施例结构示意图；
图4为本发明一种聚焦约束装置另一优选实施例结构示意图；
其中：
100-聚焦约束装置；
110-聚焦部件；
111-入射光线端面；
112-出射光线端面；
120-夹具部件；
121-第一筒状结构体；
122-第二筒状结构体；
130-约束层；
140-介质出入口；
141-约束介质入口；
142-约束介质出口；
160-密封部件；
170-固定部件；
300-工件；
310-工件本体；
320-吸收保护层；
Q1-腔体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的激光冲击强化系统及其聚焦约束装置进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图3所示，为本发明一种聚焦约束装置一优选实施例结构示意图，包括聚焦部件110、夹具部件120、密封部件160、固定部件170以及约束介质；
其中，聚焦部件110包括由石英玻璃制备的透明固体，该透明固体呈圆柱体结构，其入射光线端面111呈圆形平面、出射光线端面112局部为凹向入射光线端面111的半球面；夹具部件120包括由不锈钢制备的第一筒状结构体121，该第一筒状结构体121为内部中空的圆柱体，其内径稍大于透明固体的外径以使透明固体可置于其内并径向移动；该第一筒状结构体121的外表面上还设置有螺纹，该螺纹与固定部件170匹配；固定部件170为类似螺母的圆环结构，该固定部件170的一端固定透明固体，另一端内表面设置有与第一筒状结构体121外表面匹配的螺纹，固定部件170可通过匹配的螺纹在第一筒状结构体121上旋转，从而带动透明固体沿第一筒状结构体121径向移动。
上述透明固体和第一筒状结构体121构成一端开口的腔体Q1，该腔体Q1的开口端可放置待加工工件300，为了使腔体Q1密闭，同时也为了保护透明固体，在透明固体与第一筒状结构体121之间、透明固体与固定部件170之间、第一筒状结构体121与待加工工件300接触端面设置有橡胶片作为密封部件160；该腔体Q1内充满约束介质作为约束层130，平行的激光束在透明固体与约束介质的接触面，也就是上述出射光线端面112发生折射，平行光线聚焦于焦点上，可通过旋转固定部件170调整焦点位置以使焦点处于置于腔体Q1的开口端的待加工工件300上；
参见图4所示，为本发明一种聚焦约束装置另一优选实施例结构示意图，包括聚焦部件110、夹具部件120、密封部件160、固定部件170以及约束介质；其中，聚焦部件110包括由玻璃制备的透明固体，该透明固体呈圆柱体结构，其入射光线端面111呈圆形平面、出射光线端面112局部为凹向入射光线端面111的部分椭球面；夹具部件120包括由铝合金制备的第一筒状结构体121和第二筒状结构体122；该第一筒状结构体121为内部中空的圆柱体，其内径稍大于透明固体的外径以使透明固体可置于其内，第一筒状结构体121的一端设有3个螺孔，通过穿过螺孔的螺栓将透明固体固定在第一筒状结构体121上；第二筒状结构体122为内部中空的圆柱体，在第二筒状结构体122的一端内表面上设置有螺纹，与设置在第一筒状结构体121外表面的螺纹匹配，通过旋转第一筒状结构体121调整透明固体与第二筒状结构体122的相对位置；介质出入口为连通腔体Q1内外的开口或管道，第二筒状结构体122上还设置有两个介质出入口140，其中一个设置第二筒状结构体122靠近第一桶状结构体121的一端，作为约束介质入口141，另一个设置在第二筒状结构体122靠近待加工工件300的一端，作为约束介质出口142。
优选的，在第一筒状结构体121外表面上还设置有刻度，以供调节聚焦装置110位置时参考。
上述透明固体与第一筒状结构体121以及第二筒状结构体122构成一端开口的腔体Q1，该腔体Q1的开口端可放置待加工工件300；为了使腔体Q1密闭，同时也为了保护透明固体，在透明固体与第一筒状结构体121之间、透明固体与固定部件170之间、第二筒状结构体122与待加工工件300接触端面设置有橡胶片作为密封部件160；腔体Q1内充满约束介质作为约束层130，平行的激光束在透明固体与约束介质的接触面，也就是上述出射光线断面发生折射，平行光线聚焦于焦点上，可通过旋转固定部件170调整焦点以使焦点处于置于腔体Q1的开口端的待加工工件300上。
本发明激光冲击强化系统至少包括上述实施例中的聚焦约束装置100以及激光发生装置，当激光冲击强化系统工作时，激光发生装置产生的平行激光束入射到透明固体的入射光线端面111，在透明固体与约束介质接触的界面-出射光线端面112发射折射，将平行激光束聚焦于置于聚焦约束装置100腔体Q1开口端的待加工工件300上，待加工工件300表面涂覆有吸收保护层310，吸收保护层310吸收激光能量后气化产生等离子体，该等离子体继续吸收激光能量后膨胀形成高强度的冲击波，该冲击波作用在待加工工件300内部，由于约束层130受限于聚焦部件110和夹具部件120，非面向于工件300的冲击波在约束层130的约束下经聚焦部件110和夹具部件120反射，继续作用于工件300上，进一步强化了冲击波的冲击效果。
在其他实施例中聚焦部件110可以为抗压强度大于30MPa的透明固体材质，例如可以是玻璃、钢化玻璃、石英玻璃、树脂、有机玻璃中的一种；出射光线端面112的一部分或全部凹向入射光线端面111的曲面，该曲面可以是球面或非球面，非球面可以是椭球面、抛物线曲面，与一定的约束介质接触时，根据费马原理以及斯涅耳定律，所述曲面能使平行光线聚焦于一点上；所述约束介质可以是本领域常用的介质，例如水、糖类饱和水溶液或盐类饱和水溶液中的一种，优选的包括去离子水、蔗糖饱和水溶液、葡萄糖饱和水溶液、氯化钠饱和水溶液、硫酸镁饱和水溶液等。
在不同的实施例中，应当理解为本领域技术人员可以根据费马原理以及斯涅耳定律，限定出射光线端面112的曲面以及与之匹配的约束介质，以使平行光线可以聚焦于一点上。
在其他实施例中夹具部件120可以为抗压强度大于100MPa的金属部件，例如可以是不锈钢、铝合金，夹具部件120的结构可以夹住聚焦部件110从而共同形成容纳约束介质的腔体Q1。优选的，夹具部件120包含至少一个筒状结构体。
在其他实施例中，固定部件170可以为设置在夹具部件120上的螺丝，通过设置在夹具部件120上的螺孔将聚焦部件110固定在夹具部件120内。可以通过调松作为固定部件170的螺丝以使聚焦部件110可在夹具部件120内移动从而调整聚焦部件110与夹具部件120的相对位置。
在其他实施例中，密封部件160可以是任意的软质垫片，例如可以是海绵、硅胶片、尼龙片、塑料片等。
在其他实施例中，介质出入口140可以是设置在夹具部件120上的不同材质的管道，也可以是夹具部件120一体的管口，该介质出入口140优选包括约束介质入口141、约束介质出口142，以供约束介质流入或流出聚焦约束装置100的腔体Q1；更优选的，还包括介质出入口140还包括一气孔，以使约束介质流入聚焦约束装置100的腔体Q1内时排空腔体Q1内的气体。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光冲击强化系统的聚焦约束装置，其特征在于所述聚焦约束装置包括聚焦部件(110)、夹具部件(120)以及约束介质，其中所述聚焦部件(110)与所述夹具部件(120)构成一端开口的腔体(Q1)，所述约束介质充满所述腔体(Q1)并形成约束层(130)；所述聚焦部件(110)将平行激光光线聚焦于所述腔体(Q1)开口处，待加工工件(300)可置于所述腔体(Q1)开口处；
所述聚焦部件(110)包括透明固体，所述透明固体的入射光线端面(111)为圆形平面，所述透明固体的出射光线端面(112)的局部为凹向所述入射光线端面(111)的半球面或部分椭球面。
2.根据权利要求1所述的聚焦约束装置，其特征在于所述透明固体呈圆柱体结构。
3.根据权利要求2所述的聚焦约束装置，其特征在于所述透明固体与所述约束介质的折射率比大于2:1。
4.根据权利要求2所述的聚焦约束装置，其特征在于所述透明固体的抗压强度大于30Mpa。
5.根据权利要求1所述的聚焦约束装置，其特征在于所述聚焦约束装置包括固定部件(170)，所述固定部件(170)将所述聚焦部件(110)固定在所述夹具部件(120)上，或所述固定部件(170)能够使所述聚焦部件(110)相对于所述夹具部件(120)移动并将其固定在停留位置处。
6.根据权利要求1所述的聚焦约束装置，其特征在于所述夹具部件(120)包括第一筒状结构体(121)，所述聚焦部件(110)可沿所述第一筒状结构体(121)径向移动。
7.根据权利要求6所述的聚焦约束装置，其特征在于所述夹具部件(121)包括第二筒状结构体(122)，所述第二筒状结构体(122)的内表面和所述第一筒状结构体(121)的外表面设置有匹配的螺纹，或所述第二筒状结构体(122)的外表面和所述第一筒状结构体(121)的内表面设置有匹配的螺纹。
8.根据权利要求1至7任一项所述的聚焦约束装置，其特征在于所述聚焦约束装置包括介质出入口(140)，所述介质出入口(140)供包括约束介质在内的介质出入所述腔体(Q1)内外。
9.根据权利要求1至7任一项所述的聚焦约束装置，其特征在于所述聚焦约束装置包括密封部件(160)，所述密封部件(160)设置于所述聚焦部件(110)与所述夹具部件(120)之间，和/或设置于所述夹具部件(120)与待加工工件(300)接触的端面处，和/或设置于所述固定部件(170)与所述聚焦部件(110)之间。
10.一种激光冲击强化系统，其特征在于包括激光发生装置及如权利要求1至9任一项所述的聚焦约束装置(100)。
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