CN110029215B - 一种抑制激光冲击强化中薄型板材变形的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光加工技术领域，具体是一种抑制激光冲击强化中薄型板材变形的方法和装置。本发明中采用多孔的衬板和压边块来增加板材的强度抑制冲击过生中的凹陷变形，采用真空的负压力和大气的压力差来抑制冲击过程的凸起变形，能够有效的抑制中薄板材在冲击过程中的变形,提高激光冲击效率，提高激光冲击强化的效果。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体是一种抑制激光冲击强化中薄型板材变形的方法和装置，特指一种中薄型板材在激光冲击过程中抑制其变形，提高激光冲击强化效果的装置和方法。本方法适用于中薄型板材且塑性和韧性较好，抑制产生冲击变形的装置。
背景技术
激光冲击强化技术是一种新型的表面处理技术，是利用高能量密度(GW/cm2量级)，短脉冲(10ns-30ns量级)激光冲击材料表面，在材料的表面由于吸收层瞬间吸收的高能诱导产生等离子体，等离子体在其约束层的约束下会在材料表面产生冲击波并向材料的内部进行传播，使材料表面一定区域内产生塑性变形和位错结构，在材料表层形成较大的残余压应力，提高材料的疲劳强度和耐腐蚀性能。目前激光冲击强化技术广泛应用于航空航天、汽车及其它机械制造领域，来提高材料的使用寿命。
行业内一般默认将板材厚度≤8mm的板材称为中薄板。激光冲击强化过程中由于瞬间产生的巨大能量会使冲击板材时产生变形，对于塑性和韧性较好的镁、铝等合金，由于且强度较小，激光冲击中薄型板材时会产生翘曲现象。如果变形较大，在激光冲击处理后就需要机械的方式来校正处理板材，这会破坏激光冲击强化的效果，也会增加机械工序。因此在激光冲击强化板材过程中需要抑制冲击变形。
专利申请号201110448739.5的中国专利，发明名称为：一种带均热与恒压的激光冲击温成形方法与装置，该专利采用加热线圈提高型腔内液体的系统温度，使用溢流阀控制型腔内的压力值，产生持续的背压。该方法的缺点是：板材在冲击过程中只受到背压作用，只能够抑制板材在冲击过程中的凹陷变形。而当冲击中薄型板材且需要多次冲击时，板材会产生凸起变形，而此时的持续背压会加巨板材的变形，使板材变形幅度更大甚至失效。
专利申请号201310305605.1的中国专利，发明名称为：一种激光冲击强化的增压装置，该专利采用锥形挡套的作用，使等离子体的横向爆炸受到约束，延长爆炸的作用时间，增加压力持续时间，提高强化效果。该方法的缺点是：并未考虑激光冲击强化过程中增加的压力持续时间作用会增加板材的变形，并未对板材的变形加以抑制。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种抑制激光冲击强化中薄型板材变形的方法和装置。
本发明采用的具体技术方案如下：
一种抑制激光冲击强化中薄型板材变形的装置，其特征在于，所述装置包括激光发生器，反射镜，聚焦透镜，压边块，约束层，板材，多孔衬板，排气阀，抽气泵，真空腔，压力传感器，吸收层，中心控制系统，数控工作平台；所述真空腔固定在数控工作平台上，真空腔内设有压力传感器，真空腔外接抽气泵和排气阀，多孔衬板位于真空腔上，板材安装在多孔衬板上，板材上设有能量吸收层和约束层，压边块位于约束层上周边位置；中心控制系统连接激光发生器和压力传感器，激光发生器发出的激光依次经过反射镜，聚焦透镜对板材进行冲击强化。
一种抑制激光冲击强化中薄型板材变形的方法，其特征是，对板材在激光冲击过程中可能产生的凸起和凹陷变形加以抑制，采用真空腔和多孔衬板以及压边块来对板材进行冲击过程中的变形进行抑制。具体步骤如下：
A、对板材进行预处理；
B、在板材表面贴上能量吸收层；
C、将贴好吸收层的板材放置在多孔衬板上，并在板材的上方放置约束层；
D、用压边块将板材固定好；
E、在中心控制系统上设置相应的真空腔内所需的压力值，使得真空腔内外压差在104-105pa范围内，通过真空腔内的压力传感器反馈到控制系统中来控制抽气泵进行工作达到所设置的压力值；
F、根据冲击所需的参数进行调节激光发生器的参数，并编译程序控制数控工作平台的运动；
G、对板材进行冲击强化处理，完成后并进行清洗处理。
采用多孔衬板和压边块对板材的强度进行增强，抑制板材在冲击过程中的凹
陷变形，采用真空腔与外界的大气形成的压力差来抑制冲击过程中的凸起变形。
所述的步骤A中预处理，即采用金相砂纸将待处理板材进行逐级磨削处理后，并用抛光机进行抛光，然后放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍。
所述的步骤B中，能量吸收层为铝箔、黑漆或黑胶带。
所述的步骤C中，多孔衬板为辅助肋板，多孔衬板上均布有通孔，通孔直径为2mm；通孔的作用是使板材受到真空腔与大气压差的压力抑制板材的变形，同时多孔衬板的支承能够增强韧性板材的强度。约束层5为K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶或合成树脂。
所述的步骤D中，压边块的设置是为了对板材的四周进行固定，增大板材的刚性。
所述的步骤E中，真空腔是密封结构，且内部的真空度是能够进行调节的。真空腔内的压力传感器能够实时的检测腔内的压力值，通过反馈到中心控制系统13中来对抽气泵进行控制。
所述的步骤F中，激光器采用的单脉冲Nd：YAG激光器，工作参数为：波长1064nm，脉冲宽度5-10ns，单次脉冲能量1.5-10J，光斑半径1-3mm，光斑搭接率50％。
本发明中采用多孔的衬板和压边块来增加板材的强度抑制冲击过生中的凹陷变形，采用真空的负压力和大气的压力差来抑制冲击过程的凸起变形。所以本发明设备能够有效的抑制中薄板材在冲击过程中的变形,提高激光冲击效率，提高激光冲击强化的效果。
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,下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本文所述激光冲击强化装置图。
图2为多孔衬板的俯视图。
图1中，1--激光发生器，2--反射镜，3--聚焦透镜，4--压边块，5--约束层，6--板材，7--多孔衬板，8--排气阀，9--抽气泵，10--真空腔，11--压力传感器，12--吸收层，13--中心控制系统，14--数控工作平台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明的技术方案做进一步详细说明。
选取6061—T6铝合金为研究对象，将6061—T6材料切成16mm×16mm×4mm的板材试样，板材表面用砂纸从800目逐级打磨至2000目，然后对试样进行表面抛光，并将抛光后的试样放在酒精溶液中用超声波清洗仪清洗表面。
将预处理好的试样表面张贴上黑胶带为能量吸收层12，再在黑胶带上贴上K9光学玻璃为约束层5。然后将张贴好能量吸收层12和约束层5的板材试样放置在多孔衬板7上，并保证板材6与多孔衬板7之间接触面良好的密封性，接触面四周采用密封胶条密封，然后将四周压边块4压到约束层5的玻璃板上，对板材起到固定和增大强度的作用。关闭排气阀8，通过中心控制系统13设置相应的真空腔10内外压差为105pa，然后控制抽气泵9进行工作，对真空腔10内进行排气，当真空腔10内的压力值通过压力传感器11显示达到预定设置值时，会反馈到中心控制系统13中，然后控制抽气泵停止工作。通过设置中心控制系13来控制激光发生器1进行激光冲击实验。在中心控制系统13中设置相应的激光冲击参数，然后控制激光发生器1进行激光冲击实验。本实例中，激光器的参数设置为波长1064nm、脉冲宽度10ns、单次脉冲能量5J、光斑直径为3mm、搭接率为50％、冲击次数为两次。冲击完成后对板材进行清洗处理。
使用本装置在激光冲击过程中对板材冲击变形抑制的主要原因是由于压边块4与多孔衬板7增大了板材的强度，能够在板材冲击抑制板材冲击的凹陷变形。多孔衬板7和真空腔10内的负压与大气压强形成一定的压力差，使大气压强在冲击面有一定的压力作用在板材上，能够抑制激光冲击板材6的凸起变形。因此装置能够抑制板材在激光冲击过程中的变形，提高激光冲击强化的效果。
Claims (9)
1.一种抑制激光冲击强化中薄型板材变形的装置，其特征在于，所述装置包括激光发生器，反射镜，聚焦透镜，压边块，约束层，板材，多孔衬板，排气阀，抽气泵，真空腔，压力传感器，吸收层，中心控制系统，数控工作平台；所述真空腔固定在数控工作平台上，真空腔内设有压力传感器，真空腔外接抽气泵和排气阀，多孔衬板位于真空腔上，板材安装在多孔衬板上，板材上设有能量吸收层和约束层，压边块位于约束层上周边位置；中心控制系统连接激光发生器和压力传感器，激光发生器发出的激光依次经过反射镜，聚焦透镜对板材进行冲击强化。
2.使用如权利要求1所述装置抑制激光冲击强化中薄型板材变形的方法，其特征是，对板材在激光冲击过程中可能产生的凸起和凹陷变形加以抑制，采用真空腔和多孔衬板以及压边块来对板材进行冲击过程中的变形进行抑制，具体步骤如下：
A、对板材进行预处理；
B、在板材表面贴上能量吸收层；
C、将贴好吸收层的板材放置在多孔衬板上，并在板材的上方放置约束层；
D、用压边块将板材固定好；
E、在中心控制系统上设置相应的真空腔内所需的压力值，使得真空腔内外压差在104-105pa范围内，通过真空腔内的压力传感器反馈到控制系统中来控制抽气泵进行工作达到所设置的压力值；
F、根据冲击所需的参数进行调节激光发生器的参数，并编译程序控制数控工作平台的运动；
G、对板材进行冲击强化处理，完成后并进行清洗处理。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用多孔衬板和压边块对板材的强度进行增强，抑制板材在冲击过程中的凹陷变形，采用真空腔与外界的大气形成的压力差来抑制冲击过程中的凸起变形。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤A中预处理，即采用金相砂纸将待处理板材进行逐级磨削处理后，并用抛光机进行抛光，然后放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤B中，能量吸收层为铝箔、黑漆或黑胶带。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤C中，多孔衬板为辅助肋板，多孔衬板上均布有通孔，通孔直径为2mm；通孔的作用是使板材受到真空腔与大气压差的压力抑制板材的变形，同时多孔衬板的支承能够增强韧性板材的强度；约束层（5）为K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶或合成树脂。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤D中，压边块的设置是为了对板材的四周进行固定，增大板材的刚性。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤E中，真空腔是密封结构，且内部的真空度是能够进行调节的；真空腔内的压力传感器能够实时的检测腔内的压力值，通过反馈到中心控制系统（ 13） 中来对抽气泵进行控制。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤F中，激光器采用的单脉冲Nd：YAG激光器，工作参数为：波长1064nm，脉冲宽度5-10ns，单次脉冲能量1.5-10J，光斑半径1-3mm，光斑搭接率50％。
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