CN110205477A - 采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法 - Google Patents

采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法 Download PDF

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Abstract

采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，属于激光加工领域，本发明为解决现有激光冲击强化系统普遍存在激光能量利用不充分，影响冲击波强度的问题。本发明方法为：激光脉冲A、B以相对延迟方式先后辐照冲击工件表面同一位置。具体过程为：脉冲A先辐照冲击工件表面形成初始等离体，当该初始等离体的电子密度降低至形成等离子体屏蔽效应临界密度以下时，延迟到达的脉冲B辐照冲击靶区，脉冲B的一部分激光能量到达吸收层表面，继续对工件的材料进行气化和电离；脉冲B的另一部分激光能量被脉冲A形成的初始等离子体逆韧致吸收。在不扩增激光装置输出能力，且不改变光斑辐照面积的条件下，提升冲击波强度的目的。

Description

采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强 化方法
技术领域
本发明属于激光加工领域，涉及金属、陶瓷等材料表面的激光冲击强化技术，具体涉及一种在不扩增激光装置输出能力(激光脉冲能量)，且不改变工件表面辐照光斑大小的情况下，通过构造时序双激光脉冲先后辐照冲击工件的方式，来提升冲击波强度的技术方法。
背景技术
激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术，其原理是：采用短脉冲(几纳秒～几十纳秒)、高峰值功率密度(大于GW/cm2)的激光束辐照金属或陶瓷工件表面，使工件表面涂覆的吸收保护层吸收激光能量并发生爆炸性气化蒸发，产生高温(大于107K)、高压(大于1GPa)等离子体；该等离子体受到约束层的约束，形成高压冲击波(GPa量级)并向工件材料内部传播，利用冲击波的力学效应在材料表层产生塑性形变，使表层材料微观组织发生变化，并在较深的厚度上残留压应力，从而显著提高材料的抗疲劳、耐磨损和防应力腐蚀等性能。从本质上讲，激光冲击强化是利用冲击波的力学效应对材料表面进行改性，其原理类似于机械喷丸技术，因此也被称作“激光喷丸”，然而其冲击能力和效果却是传统机械喷丸的数倍。激光冲击强化已被部分的应用到航空发动机涡轮叶片、大载荷齿轮及核燃料容器焊缝强化处理等领域，具有广阔的应用前景。
目前，人们已在激光冲击强化诸多技术环节上开展了研究并取得进步，包括吸收层、约束层材料的改进；涂装和去除工艺的优化；光斑搭接率、聚焦方向、冲击次数等操作方法的探索提高；以及加工过程中监测与控制技术的革新等等。但是，对于一套成形的激光冲击强化系统来说，所采用的激光器一旦确定，其激光脉冲能量的输出能力也随之确定。若想获取更高强度的激光诱导冲击波，只能靠缩小辐照光斑面积，提升激光功率密度的方法来实现。然而，激光冲击强化总是期望大光斑和冲击面域均匀性，光斑太小必然带来应力分布均匀性变差和加工效率降低等一系列问题。
另一方面，从激光诱导等离子体冲击波的作用机制分析，可以发现目前激光冲击强化系统普遍存在激光能量利用不充分的问题。主要在于，高功率激光脉冲到达工件表面，点燃等离子体，会在工件表面形成稠密的等离子体层，该过程一般在纳秒量级的时间内完成。其将从两方面影响激光脉冲后半部分能量的吸收利用：(1)等离子体密度过高造成“屏蔽效应”，使后续激光能量难以穿越等离子体层，无法继续到达并激发剩余吸收层材料；(2)致密的等离子体层对后续激光形成强烈的反射，无法充分吸收激光能量。整体效果上，实际只有激光脉冲的前沿部分起到真正的诱导等离子体冲击波的作用，而后半部分激光能量都浪费掉了。
发明内容
本发明目的是为了解决现有激光冲击强化系统普遍存在激光能量利用不充分，影响冲击波强度的问题，提供了一种采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法。
本发明所述采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，该方法为：激光脉冲A和激光脉冲B以相对延迟方式先后辐照冲击工件表面同一位置。
优选地，激光脉冲A和激光脉冲B以相对延迟方式先后辐照冲击工件表面同一位置的具体过程为：
激光脉冲A先辐照冲击工件表面形成初始等离体，当该初始等离体的电子密度降低至形成等离子体屏蔽效应临界密度以下时，延迟到达的激光脉冲B辐照冲击靶区，激光脉冲B的一部分激光能量到达吸收层表面，继续对工件的材料进行气化和电离；激光脉冲B的另一部分激光能量被激光脉冲A形成的初始等离子体逆韧致吸收。
优选地，激光脉冲A和激光脉冲B的能量分配比例为1：0.3～3。
优选地，激光脉冲A和激光脉冲B的能量分配比例为1：1。此比例时效果最优，能使诱导冲击波峰值最大化。
优选地，激光脉冲A和激光脉冲B由原始单个激光脉冲拆分而成，具体过程为：采用单台激光器输出单个激光脉冲作为原始单个激光脉冲，然后将原始单个激光脉冲通过部分反射镜分光或偏振分光的方式拆分成两个独立的激光脉冲：激光脉冲A、激光脉冲B。
优选地，激光脉冲A和激光脉冲B相对延迟的实现方法为：通过光路延时的方式将两个独立的激光脉冲构建为时序双激光脉冲，以先后到达工件表面。
优选地，激光脉冲A和激光脉冲B由两个独立激光器输出，具体过程为：采用两个独立激光器在延时触发器的控制下输出相对延迟的两个独立激光脉冲：激光脉冲A、激光脉冲B。
优选地，延时触发器采用数字信号发生器实现。
优选地，激光脉冲B相比激光脉冲A延迟10ns以上到达工件。
本发明的有益效果：本发明根据激光诱导等离子体爆轰波原理，利用等离子体在点燃和扩散过程中对激光吸收特性的变化规律，提出“拆分单一激光脉冲，构造时序双脉冲”对工件进行先后冲击的方式，达到在不扩增激光装置输出能力(主要指不增加激光能量的提供能力)，且不改变光斑辐照面积的条件下，提升冲击波强度的目的。本发明能够在基本不增添装置成本的前提下，获得冲击波强度成倍的提升，对于激光冲击强化技术的应用和发展具有重要的实际意义。
基于本发明的时序双激光脉冲诱导冲击波的方法，能够使激光器输出的激光能量充分用于等离子体爆轰波的产生和加强。在激光器输出能力不变，工件的激光辐照光斑面积不变的情况下，通过简单的脉冲拆分和延迟处理，即可获得冲击波强度的大幅提升，这无疑将提高激光冲击强化的生产效率和现有激光冲击强化装置的产能。
附图说明
图1是激光器输出的原始单个激光脉冲波形及光斑图，其中图1(a)为激光器输出的原始单个激光脉冲波形图，图1(b)为对应的原始光斑图；
图2和图3为时序双激光脉冲和单脉冲诱导铝靶形成的冲击波压力波形对比图；
图4是单激光脉冲诱导铜靶形成的冲击波压电波形图；
图5是时序双激光脉冲诱导铜靶形成的冲击波压电波形图；
图6是实施例一对应方案原理图；
图7是实施例二对应方案原理图；
图8是实施例三对应方案原理图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例一：激光脉冲A和激光脉冲B由原始单个激光脉冲拆分而成，实现装置参见图6所示。图1(a)、(b)是支撑本发明的验证实验采用激光器的原始单个激光脉冲时间波形和激光光斑。激光波长1064nm，脉冲半高宽12ns，原始光斑口径12mm，总脉冲能量680±10mJ，经透镜汇聚，辐照到工件表面的激光光斑1.2mm，激光功率密度约5GW/cm2。
本发明根据激光诱导等离子体爆轰波原理，利用等离子体在点燃和扩散过程中对激光吸收特性的变化规律，提出“拆分单一激光脉冲，构造时序双脉冲”对工件进行先后冲击的方式，达到在不扩增激光装置输出能力(主要指不增加激光能量的提供能力)，且不改变光斑辐照面积的条件下，提升冲击波强度的目的。本发明能够在基本不增添装置成本的前提下，获得冲击波强度成倍的提升。
本发明阐述的时序双激光脉冲冲击强化方法，作为一种通用的提升激光诱导冲击波强度的方法，其技术核心在于对原单一激光脉冲的拆分，延迟，以及时序冲击等环节。在本发明内容的描述中，关于其他方面的技术和工艺条件，如工件材料及其夹持、吸收层及其涂覆、约束层及其覆盖方式，以及激光聚焦、扫描方式等，均按常规的激光冲击强化方案考虑，无特殊的设计要求。在以下发明内容的描述中，均以冲击强化惯用的GW/cm2量级激光光强、10～30ns调Q激光脉冲宽度为例。对于其他参数的激光装置，仅需对双脉冲能量分配比例和相对延迟时间做出适当调整即可，时序双激光脉冲冲击的基本思路不变。
本实施例采用的检测冲击波的压电薄膜传感器(PVDF)参数参见表1。
表1
具体实施方案参见图6，将用于冲击强化的原始单个激光脉冲，通过部分反射镜分光或偏振分光的方式拆分成两个独立的激光脉冲，分别命名为“激光脉冲A”和“激光脉冲B”(在发明人的验证实验中，脉冲A、B能量分配比例为1:1时效果最佳，其他比例分配下也能获得冲击波加强的效果。本发明方法实施过程中，可依据具体的激光器总脉冲能量调节双脉冲最佳能量配比)。使激光脉冲B经过一延迟光路传输之后，形成相对于激光脉冲A约十数纳秒以上的延迟(该延迟时间可根据实际激光器条件和冲击效果来调整，发明人实验中采用脉宽为12ns的激光脉冲，双脉冲延迟30ns时获得提升冲击波强度的最佳效果)。两个激光脉冲A、B以该相对延迟先后辐照冲击工件表面同一位置，即可产生大于原来未拆解的单激光脉冲(激光能量为脉冲A、B的能量之和)诱导冲击波的强度。
本发明的技术原理：由激光脉冲A先作用于工件表面的吸收层，气化、电离一部分吸收层材料形成初始等离子体。对于激光冲击强化领域常用的GW/cm2量级的激光光强，即使在无约束层的条件下，也能在纳秒级的时间内形成高于1018/cm3的电子密度；存在约束层的情况下，等离子体电子密度会更高，更容易超过允许激光传输的临界密度，形成对后续激光的强烈反射。本发明将所述的激光后续能量以激光脉冲B的形式经过一定的延时再入射到靶区。在延时时间内，激光脉冲A产生的等离子体得到了一定扩散，电子密度降低到形成“等离子体屏蔽效应”的临界密度之下，从而使脉冲B的激光能量可以一部分到达吸收层表面，继续对材料气化和电离，形成持续时间相对更长的等离子体羽；脉冲B的另一部分激光能量被先前的等离子体逆韧致吸收，实现温度和压强骤增，使爆轰波强度得到提升。A、B脉冲之间的延迟时间在10ns以上，为数十纳秒甚至达微秒，具体优化数据需要根据激光脉冲能量和光斑大小来进行试验设定。原则是：延迟时间既不能太短——要避免脉冲A等离子体浓度太高导致对脉冲B形成屏蔽效应；延迟时间也不能太长——要避免等离子体浓度太低而减弱对脉冲B激光能量的吸收。从整体效果上讲，时序双激光脉冲驱动产生的总的冲击波峰值强度会高于单脉冲驱动；在参数获得优化后，拆解为双激光脉冲驱动形成的冲击波强度，相对于原来的单激光脉冲，可以获得成倍的增长。
图2和图3给出A、B脉冲不同能量分配比对应的冲击波波形图，双激光脉冲间隔30ns时，实验测得的两组激光诱导冲击波波形图(由PVDF压电传感膜测量，对示波器采集的原始电流波形第一个周期进行积分所得。其中，靶材：铝，吸收层：黑色电工胶带，约束层：石英玻璃)。图中标注的双脉冲分配比例为激光脉冲A和激光脉冲B的能量分配比，图2给出的A、B脉冲能量分配比为1:1、1.2:1、3:1的冲击波对比，图3给出的A、B脉冲能量分配比为1:1、1:1.3、1:2.5的冲击波对比；图2、3中也给出单脉冲(能量为脉冲A+脉冲B)诱导的冲击波波形作为对比。可见，单激光脉冲诱导冲击波峰值压强接近0.1Gpa，而拆分为双脉冲后诱导冲击波峰值压强显著提高，其中在双脉冲1:1能量配比下，冲击波峰值达到0.185Gpa，效果最佳。在双脉冲其他间隔时间下的实验结果也表明，拆分后的双脉冲冲击压强均高于原始单脉冲冲击压强。
图4和图5分别是实验中由示波器直接采集到的原始单激光脉冲(图4，能量为脉冲A+脉冲B)和间隔30ns双脉冲(图5)诱导的压电波形，以及各自冲击方式下对应的激光脉冲波形。实验靶材：铜，吸收层：黑色电工胶带，约束层：石英玻璃。可见，采用时序双脉冲之后，冲击波得到大大增强。
实施例二：参见图7所示，激光脉冲A和激光脉冲B由两个独立激光器输出，具体过程为：采用两个独立激光器在延时触发器的控制下输出相对延迟的两个独立激光脉冲：激光脉冲A、激光脉冲B。延时触发器采用数字信号发生器实现，设定好延时量，先后触发两台独立的脉冲激光器，获得时序先后的两个激光脉冲。
其它与实施例一相同。
实施例三：参见图8所示，由本发明的基本思想和原理延伸而来的激光脉冲串冲击强化方案，如图8所示，根据实际工艺的需要，构造多于两个脉冲的时序激光脉冲串，依次辐照冲击工件表面，可以实现延长冲击波持续时间，增大冲量，增加工件残余压应力深度的作用。这对激光冲击强化工程和工艺来说，具有重要意义。具体实施过程中，可依照本发明所述的等离子体电子密度的把控原则，来设定其子脉冲激光能量大小和子脉冲间的时间间隔，达到提高激光能量利用率，延长冲击波持续作用时间的效果。
拆分的单脉冲数量根据实际需设定，以期达到相同能量输入激光能输出更大强度诱导激光的目的。
多个单脉冲依次延迟到达靶区，延迟的原则：延迟时间既不能太短——要避免前次脉冲形成的等离子体浓度太高导致对本次脉冲形成屏蔽效应；延迟时间也不能太长——要避免前次脉冲形成的等离子体浓度太低而减弱对本次脉冲激光能量的吸收。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，其特征在于，该方法为：激光脉冲A和激光脉冲B以相对延迟方式先后辐照冲击工件表面同一位置。
2.根据权利要求1所述采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，其特征在于，激光脉冲A和激光脉冲B以相对延迟方式先后辐照冲击工件表面同一位置的具体过程为：
激光脉冲A先辐照冲击工件表面形成初始等离体，当该初始等离体的电子密度降低至形成等离子体屏蔽效应临界密度以下时，延迟到达的激光脉冲B辐照冲击靶区，激光脉冲B的一部分激光能量到达吸收层表面，继续对工件的材料进行气化和电离；激光脉冲B的另一部分激光能量被激光脉冲A形成的初始等离子体逆韧致吸收。
3.根据权利要求2所述采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，其特征在于，激光脉冲A和激光脉冲B的能量分配比例为1：0.3～3。
4.根据权利要求2所述采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，其特征在于，激光脉冲A和激光脉冲B的能量分配比例为1：1。
5.根据权利要求1所述采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，其特征在于，激光脉冲A和激光脉冲B由原始单个激光脉冲拆分而成，具体过程为：采用单台激光器输出单个激光脉冲作为原始单个激光脉冲，然后将原始单个激光脉冲通过部分反射镜分光或偏振分光的方式拆分成两个独立的激光脉冲：激光脉冲A、激光脉冲B。
6.根据权利要求5所述采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，其特征在于，激光脉冲A和激光脉冲B相对延迟的实现方法为：通过光路延时的方式将两个独立的激光脉冲构建为时序双激光脉冲，以先后到达工件表面。
7.根据权利要求1所述采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，其特征在于，激光脉冲A和激光脉冲B由两个独立激光器输出，具体过程为：采用两个独立激光器在延时触发器的控制下输出相对延迟的两个独立激光脉冲：激光脉冲A、激光脉冲B。
8.根据权利要求7所述采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，其特征在于，延时触发器采用数字信号发生器实现。
9.根据权利要求1至7任一所述采用时序双激光脉冲提升激光诱导冲击波强度的激光冲击强化方法，其特征在于，激光脉冲B相比激光脉冲A延迟10ns以上到达工件。
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