CN113547203B - 基于导水管和约束机构联动的材料加工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于导水管和约束机构联动的材料加工装置及方法，包括位于待加工材料上方空间的激光发射器，激光发射器发出脉冲激光光束，激光发射器下方空间设有约束机构，脉冲激光光束的聚焦位置位于约束机构的内部，导水管末端朝向约束机构的内部；约束机构为空心圆锥台型，约束机构顶面直径不小于底面直径，约束机构的圆锥角不小于激光光束的汇聚角，约束机构底面与待加工材料之间具有间隙。材料表面承受更高强度的冲击波作用，从而引入更大的残余压应力场强度；空化效应的存在使得大气环境下的激光冲击处理最大程度避免残余应力洞的形成或降低残余应力洞的发生强度；实现等离子体冲击与空化的双效应的直接作用。

Description

基于导水管和约束机构联动的材料加工装置及方法
技术领域
本发明涉及材料加工领域，具体为基于导水管和约束机构联动的材料加工装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
激光冲击技术是将激光作为能量来源，利用激光冲击实现材料表面的加工。例如，通过脉冲激光诱导的等离子体冲击效应，实现金属等结构材料的表面强化或加工；这一类加工过程中，待加工材料表面具有使激光光束聚焦于材料表面的吸收层和约束层；一些水下激光冲击处理的过程中，待加工材料表面无吸收层，利用水下环境替代发挥约束层的作用。
在这类材料表面加工的过程中，激光光束使得位于水下的待加工材料表层发生烧蚀，形成高温高压等离子体，进而诱发高强冲击波实现材料表面的加工。类似的，还有利用激光诱导空化效应进行材料表面处理的技术，该技术的实施条件与水下激光冲击处理类似，区别在于激光空化处理所采用的激光光束的聚焦位置处于材料表面上方，即待加工材料表面具有正离焦量。
以上加工技术中，通过改变待加工材料表面离焦量和液体约束层厚度等参量，来获得所需的材料表面结构，然而在实际的加工过程中，材料所需的表面结构由脉冲激光诱导的等离子体冲击与空化效应共同耦合得到，而空化效应的实际冲击波强度并不能得到充分利用，使得材料表面所承受的实际冲击波强度不高，难以获得理想的加工效果。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供基于导水管和约束机构联动的材料加工装置及方法，采用特定结构的约束机构将去液体约束层限制在每一处激光光斑的辐照区域，被限制的液体约束层随光斑辐照位置移动，逐点移动和冲击以实现待加工区域的表面加工，从而利用脉冲激光诱导材料表面实现等离子体冲击与空化的双效应直接作用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供基于导水管和约束机构联动的材料加工装置，包括位于待加工材料上方空间的激光发射器，激光发射器发出脉冲激光光束，激光发射器下方空间设有约束机构，脉冲激光光束的聚焦位置位于约束机构的内部，导水管末端朝向约束机构的内部；
约束机构为空心圆锥台型，约束机构顶面直径不小于底面直径，约束机构的圆锥角不小于激光光束的汇聚角，约束机构底面与待加工材料之间具有间隙，该间隙不大于0.5mm。
约束机构容纳通过导水管输入的液体约束材料形成液体约束层，液体约束层的垂直厚度不小于正离焦量距离的2倍。
导水管末端朝向约束机构顶面，将液体约束材料导入约束机构的内部。
约束机构和导水管均通过连接件与激光发射器固定连接。
脉冲激光光束的聚焦位置为一具有截面面积的聚焦区域。
脉冲激光光束的聚焦位置与约束机构轴线重合，聚焦位置与待加工材料表面的距离不大于聚焦位置与约束机构内壁的距离。
聚焦位置与待加工材料表面的距离不大于聚焦位置与液体约束层上表面的距离。
本发明的第二个方面提供基于导水管和约束机构联动的材料加工方法，包括：
设定激光发射器的激光能量、脉冲宽度和光束聚焦面积；
待加工材料表面涂敷吸收层材料，吸收层材料的厚度不大于0.5mm；
脉冲激光光束、约束机构和导水管保持静止，待加工材料运动，以相对运动的方式完成材料表面的逐点加工。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、能够使材料表面承受更高强度的冲击波作用，从而引入材料表面层更大的残余压应力场强度。
2、空化效应的存在使得大气环境下的激光冲击处理最大程度避免残余应力洞的形成或降低残余应力洞的发生强度。
3、将水下激光冲击处理的作用效果引入至大气环境下的激光冲击方式，利用脉冲激光诱导材料表面实现等离子体冲击与空化的双效应直接作用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的约束机构的结构示意图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的导水管与约束结构联动实现材料加工的示意图；
图3是本发明一个或多个实施例提供的脉冲激光光束的入射位置与液体约束层厚度示意图；
图中：1-待加工材料；2-脉冲激光光束；3-脉冲激光光束的聚焦位置；4-导水管；5-液体约束层的液面；6-圆锥台式约束机构。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
常规激光冲击表面加工中的约束层均是通过预置的方式来实现，例如，在待加工材料的待加工表面区域涂敷K9玻璃或者喷涂无约束去离子水层。
以下实施例提出了约束型约束层的方式，采用特定结构的约束机构将去离子水约束层限制在每一激光光斑的辐照区域，被限制的去离子水约束层随光斑辐照位置移动，逐点移动和冲击以实现待加工区域的表面加工。
在以下实施例所提出的约束型约束层的作用下，正离焦量激光光束在待加工材料表面上方产生空化效应，空化泡的形成和溃灭过程被限制在机械结构的约束机构内，在趋壁效应的影响下，空化泡爆轰波在材料表面形成最大冲击力。空化泡向材料表面的移动，以及机械约束机构壁面的空化泡向材料表面的脉动，共同使得水约束条件激光冲击过程中的空化效应得以发挥最大效果。
实施例一：
本实施例的目的是提供基于导水管和约束机构联动的材料加工装置，包括位于待加工材料1上方的激光发射器，激光发射器发出脉冲激光光束2，激光发射器下方空间设有约束机构6，脉冲激光光束的聚焦位置位于约束机构6的内部，导水管末端朝向约束机构6的内部；
约束机构具有空心圆锥台型的外壳，外壳顶面直径不小于底面直径，外壳的圆锥角不小于激光光束的汇聚角，外壳底面与待加工材料1之间具有间隙，该间隙不大于0.5mm。
约束机构容纳通过导水管输入的液体约束材料形成液体约束层，液体约束层的垂直厚度不小于正离焦量距离的2倍。
导水管末端朝向约束机构顶面，将液体约束材料导入约束机构6的内部。
约束机构和导水管均通过连接件与激光发射器固定连接。
脉冲激光光束的聚焦位置与约束机构轴线重合，聚焦位置与待加工材料表面的距离不大于聚焦位置与约束机构内壁的距离；聚焦位置与待加工材料表面的距离不大于聚焦位置与液体约束层上表面的距离。
脉冲激光光束的聚焦位置为一具有截面面积的聚焦区域。
具体过程如下：
(1)激光冲击所采用脉冲激光参数的选择与确定
本实施例所提出激光冲击方法采用圆形激光光束。根据待加工金属材料的材料性能，确定拟采用的脉冲激光光束的激光能量、脉冲宽度、光束面积。
激光参数依据实际的制造经验选择，可依据材料硬度选择对应的激光功率密度，进而由
Figure BDA0003207266020000061
(I0-激光功率密度；E-激光能量；r＝光束半径；τ＝脉冲宽度)确定所采用激光光束的光束半径r以及其他指标。
激光冲击材料表面处理技术所采用的激光光束为汇聚光束，在加工过程中，聚焦光束在焦点位置与待加工材料表面发生相互作用，从而产生表面处理效果。本步骤还需要判断激光光束的聚焦特点，确定激光光束的汇聚角。具体确定方法可采用：激光光束由平行状态穿过物镜后发生汇聚和聚焦，分别测量激光光束开始汇聚时的光束初始半径R0以及物镜与聚焦位置的距离D，在已获得激光聚焦位置光束半径r的前提下，激光光束的汇聚角α可确定为
Figure BDA0003207266020000071
为达到空化效应发生的物理条件，本实施例要求激光冲击所采用脉冲激光光束的聚焦半径小于2mm。
(2)圆锥台式机械约束机构的设计与制备
约束机构具有如图1所示的圆锥角β，且要求圆锥角β不小于激光光束的汇聚角α。锥状约束机构的两底面均镂空，其中，锥状约束机构的面积较小的底面的边缘与材料表面保持小于0.5mm的距离。
约束机构的材料可采用普通塑料等不透水材料制备，其制备方式不做具体限定，根据实际加工条件自行选择。
依据激光诱导空化效应的物理条件，即通常激光光束相对材料表面的正离焦量大约为1～4mm，圆锥台的具有较小面积的底面的直径限定为0～8mm。又基于激光光束作用区域的面积的实际需求，圆锥台的具有较小面积的底面的直径的最小值可限定为1mm。因此，本实施例的圆锥台具有较小面积的底面的直径限定为1～8mm。
本实施例还限定所设计的圆锥台式约束机构的有效垂直高度为2～8mm。在所限定的垂直高度条件下，激光光束可保持与材料表面具有1～4mm的正离焦量。
有效垂直高度是指可满足激光光束离焦量要求的锥状约束机构的理论垂直高度。由于液体约束材料在锥状约束机构内具有流动性，故锥状约束机构的实际垂直高度应大于有效垂直高度数值，设计原则为可实现具有有效垂直高度的液体约束材料充盈在锥状约束机构内。(3)导水管与锥状约束机构联动的液体约束层施加装置的搭建
为形成对等离子体冲击效应与空化效应的充分约束，本实施例要求所施加约束层的垂直厚度不小于正离焦量距离的2倍。与步骤2所设计的锥状约束机构的有效垂直高度相对应，当激光光束入射到液体约束层内，并保持1～4mm的正离焦量时，圆锥台式的锥状约束机构内的液体约束层垂直高度应为2～8mm。
如图2所示，导水管4与锥状约束机构6通过机械固定的方式进行装配，组合而成导水管与锥状约束机构的联动装置。在激光冲击过程中，脉冲激光光束2的聚焦位置3(或称为汇聚位置)位于待加工材料1的表面上方，导水管4向锥状约束机构6内输入的液体约束层的表面5与待加工材料1的表面的垂直距离大于脉冲激光光束聚焦位置3与待加工材料1的表面的垂直距离的2倍。
需要注意的是，约束机构具有较小面积的底面与材料表面保持存在间隙的接触，具有较大面积的底面为导水管输出端连接的区域。所述导水管输出端为液体水约束材料的流出端。
如图3所示，脉冲激光光束聚焦位置处于锥状约束机构轴线处，其中，脉冲激光光束聚焦位置与材料表面的距离d1不大于脉冲激光光束聚焦位置与锥状约束机构内壁的距离d3，也不大于脉冲激光光束聚焦位置与液体约束层表面的距离d2。
需要说明的是，激光焦点实际为一具有截面面积的聚焦区域，图3中不同距离的范围应如下确定：本实施例的离焦量d1的范围是指材料表面与激光光束聚焦位置的距离，而激光聚焦位置与锥状约束机构内壁距离d3的范围是指材料表面与激光光束聚焦位置中心的距离。
(4)待加工材料表面的吸收层材料的涂敷
在待加工材料表面涂敷厚度0.5mm以下的吸收层材料，可以涂敷厚度小于0.5mm的黑胶带或者喷涂厚度小于0.5mm的黑漆。
(5)待加工材料的激光冲击表面加工
脉冲激光光束、锥状约束机构、导水管保持固定的位置关系，待加工材料表面与保持固定位置关系的激光光束和物理机构以相对运动的方式完成材料表面的逐点加工。
需要注意的是，为提高材料加工的便捷性，本实施例采取激光光束和约束层机构固定，而待加工材料移动的方式来实现材料表面每点的激光冲击表面加工。在材料表面加工过程中，激光光束与约束层机构与材料表面的相对移动方向与速度保持一致。另外，在激光冲击表面加工过程中，约束层机构与材料表面需保持0.1mm～0.4mm的间隙。
举例如下：
实施组：待加工材料为镍基高温合金材料，根据实际加工经验，所选择脉冲激光光束的激光能量为5J、脉冲宽度为18ns、激光光束聚焦面积为1mm。在脉冲激光表面加工的平台中，聚焦物镜处激光光束的直径为10mm，聚焦物镜与激光光束聚焦位置的直线距离为1000mm，上述参数下的激光光束汇聚角约为0.26°；
圆锥台式机械约束机构采用聚乙烯塑料通过注塑工艺制备。圆锥台式机械约束机构的较小面积底面直径为2mm、较大面积底面直径为4mm，约束层机构的有效垂直高度为3mm，上述参数下的约束机构圆锥角约为18.26°；
将激光光束聚焦位置设定为材料表面上方1.2mm，即待加工镍基高温合金材料激光表面冲击过程中的激光光束具有1.2mm的正离焦量。在该条件下，液体约束层充满机械约束机构时，液体约束层厚度大于激光光束聚焦位置与材料表面距离的2倍，保证液体约束层对等离子体冲击与空化效应的充分约束；
在待加工材料表面喷涂0.2mm的黑漆吸收层；
约束层机械机构具有较小面积的底面与材料表面保持0.3mm的间隙；
激光光束与机械约束机构保持固定的相对位置，激光光束聚焦位置位于机械约束机构圆锥台结构的轴线，具体位置参数满足前述相关参数设定。在材料加工过程中，激光光束与机械约束机构的位置保持固定，待加工材料逐点移动时，脉冲激光完成对待加工材料的逐点冲击。
激光冲击处理后，材料表面冲击区域的残余应力均值达到-300MPa以上，且激光光束辐照中心区域与边缘区域未见显著的残余应力差值。
对比组：待加工材料为镍基高温合金材料，根据实际加工经验，所选择脉冲激光光束的激光能量为5J、脉冲宽度为18ns、激光光束聚焦面积为1mm。采用常规激光冲击加工方法进行材料表面加工处理：材料表面喷涂0.2mm的黑漆吸收层，在激光冲击过程中，材料表面采用导水管直接喷涂1mm的液体约束层；脉冲激光光束与材料表面保持相对移动使得材料表面接收脉冲激光的逐点冲击。
激光冲击处理后，材料表面冲击区域的残余应力均值仅为约-200MPa，激光光束辐照中心区域与边缘区域的残余压应力差值超过50MPa，出现明显的残余应力洞现象。
上述加工过程是材料表面承受更高强度的冲击波作用，从而引入材料表面层更大的残余压应力场强度；空化效应的存在使得大气环境下的激光冲击处理最大程度避免残余应力洞的形成或降低残余应力洞的发生强度；将水下激光冲击处理的作用效果引入至大气环境下的激光冲击技术，脉冲激光诱导材料表面实现等离子体冲击与空化的双效应的直接作用。
实施例二：
本实施例的目的是提供实施例一中的装置实现材料加工方法，包括以下步骤：
设定激光发射器的激光能量、脉冲宽度和光束聚焦面积；
待加工材料表面涂敷吸收层材料；
脉冲激光光束、约束机构和导水管保持静止，待加工材料运动，以相对运动的方式完成材料表面的逐点加工。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于导水管和约束机构联动的材料加工装置，其特征在于：包括位于待加工材料上方空间的激光发射器，激光发射器发出脉冲激光光束，激光发射器下方空间设有约束机构，脉冲激光光束的聚焦位置位于约束机构的内部，导水管末端朝向约束机构的内部；
约束机构为空心圆锥台型，约束机构顶面直径不小于底面直径，约束机构的圆锥角不小于激光光束的汇聚角，约束机构底面与待加工材料之间具有间隙；
所述约束机构容纳通过导水管输入的液体约束材料形成液体约束层，液体约束层的垂直厚度不小于正离焦量距离的2倍；约束机构底面与待加工材料之间具有间隙，该间隙不大于0.5mm；
所述脉冲激光光束的聚焦位置与约束机构轴线重合，聚焦位置与待加工材料表面的距离不大于聚焦位置与约束机构内壁的距离，聚焦位置与待加工材料表面的距离不大于脉冲激光光束的聚焦位置与液体约束层上表面的距离。
2.如权利要求1所述的基于导水管和约束机构联动的材料加工装置，其特征在于：所述导水管末端朝向约束机构顶面，将液体约束材料导入约束机构的内部。
3.如权利要求1所述的基于导水管和约束机构联动的材料加工装置，其特征在于：所述约束机构和导水管均通过连接件与激光发射器固定连接。
4.如权利要求1所述的基于导水管和约束机构联动的材料加工装置，其特征在于：所述脉冲激光光束的聚焦位置为一具有截面面积的聚焦区域。
5.基于权利要求1-4任一项所述装置实现材料加工的方法，其特征在于：包括以下步骤：
设定激光发射器的激光能量、脉冲宽度和光束聚焦面积；
待加工材料表面涂敷吸收层材料；
脉冲激光光束、约束机构和导水管保持静止，待加工材料运动，以相对运动的方式完成材料表面的逐点加工。
6.如权利要求5所述的加工方法，其特征在于：所述吸收层材料的厚度不大于0.5mm。
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