CN113584297A - 一种提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法 - Google Patents

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张国芳
宿庆财
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Abstract

本发明属于激光冲击表面强化与改性应用领域，涉及一种提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法，包括：在处于液体环境中待加工材料的上方设置透明真空容器，使透明真空容器下底面位于液面以下，上底面位于液面以上；采用飞秒激光光束穿过透明真空容器对待加工材料的表面进行冲击加工。可获得相对于大气环境下的飞秒激光冲击表面处理更显著的加工效果。本发明所述飞秒激光表面加工泛指具有超短脉冲宽度激光光束作为激光光源的加工过程，而所述超短脉冲激光指区别于常规ns脉冲宽度激光光束的脉冲宽度为ps或fs量级的激光光束。

Description

一种提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法
技术领域
本发明属于激光冲击表面强化与改性应用领域，具体涉及一种提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
激光冲击技术是一种基于脉冲激光力效应而实现材料表面改性或加工的方法，在常规激光冲击表面处理过程中，材料表面涂敷去离子水或K9玻璃等约束层材料，并通常接收ns(纳秒)脉冲宽度的激光光束辐照。在所述常规激光冲击过程中，材料表面承受脉冲激光诱导形成的等离子体冲击效应，GPa量级的冲击压力使得材料表面发生塑性变形并形成期望的加工效果。
近年来，技术人员在常规激光冲击技术基础上，提出水下激光冲击表面处理技术，在加工过程中，完全浸没待加工材料的水环境成为激光冲击处理的约束介质。针对水下服役的待加工材料而采用的水下激光冲击表面处理，可采用ns脉冲宽度的激光光束以及更快的ps(皮秒)或fs(飞秒)脉冲宽度的激光光束。针对超大厚度水约束层造成的激光能量在传播途径中的损失，技术人员将ns脉冲激光的激光波长进行调整，进而发展了适用于核反应堆焊缝构件表面疲劳延寿处理的水下纳秒激光冲击应用技术。
然而，采用fs等更快脉冲宽度激光光束的水下激光冲击的发展却明显迟滞。水下飞秒激光冲击的过程中，激光入射导致水介质电离，从而使得绝大部分的激光能量在水中被消耗。极大程度的能量损失使得水下飞秒激光的激光冲击强度比大气环境下的激光冲击的加工强度更低，限制了水下环境超快脉冲激光表面加工技术的发展和应用。如何解决水下飞秒激光冲击处理的激光能量损失问题是本领域技术人员的努力方向之一。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提出一种高强度液体约束的飞秒激光表面加工方法，可获得相对于大气环境下的飞秒激光冲击表面处理更显著的加工效果。本发明所述飞秒激光表面加工泛指具有超短脉冲宽度激光光束作为激光光源的加工过程，而所述超短脉冲激光指区别于常规ns脉冲宽度激光光束的脉冲宽度为ps或fs量级的激光光束。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法，包括：
在处于液体环境中待加工材料的上方设置透明真空容器，使透明真空容器下底面位于液面以下，上底面位于液面以上；
采用飞秒激光光束穿过透明真空容器对待加工材料的表面进行冲击加工。
本发明的物理原理是：对于激光冲击技术来讲，液体约束层的施加直接控制了等离子体冲击压力的传播方向，使得冲击波压力被约束层限制在待加工材料表面而不向激光入射方向的反方向传播。常规加工过程中的流动液体约束层厚度约为1mm，然而，对于水下飞秒激光冲击技术来讲，待加工材料表面的水层厚度远大于1mm，飞秒激光在超高厚度的水环境传播途径中发生能量损失，等离子体冲击效果发生极大程度削弱。本发明提出通过减少脉冲激光能量的传播损失而提高激光冲击加工强度的具体方法，即当待加工材料所处水下环境的水约束层厚度不高于某具体临界值或可定量判断的能量损失较少时，采用设置激光光束波长为532nm的方式，减少激光能量的电离损耗；当待加工材料所处水下环境的水约束层厚度低于某具体临界值或可定量判断的能量损失较多时，采用增设透明真空管的方式，将激光器与待加工材料表面之间的水深降低，减少激光能量在水中因电离击穿而造成的损耗。
在水下激光冲击表面处理过程中，由于激光光束在水中汇聚而发生空化等相关物理反应造成能量消耗，若激光光束相对于材料表面具有正离焦量，即激光光束聚焦位置位于材料表面上方，则激光光束能量在水环境传播途径中的损失程度更为严重。所述能量损失程度是相对于激光光束具有非正离焦量条件的情况而言的，当激光光束具有非正离焦量时，激光能量的损失相对更少，这是因为此情况下的激光能量损失并未因为空化等物理效应的发生而进一步加剧。因此，本发明所述方法适用于水下环境的飞秒激光冲击加工，但更适用于激光能量损失更严重的激光光束相对待加工材料表面具有正离焦量状态的加工条件。
本发明的第二个方面，提供了一种提高水下飞秒激光冲击加工强度的系统，包括：激光发生装置、聚焦透镜、透明真空容器；所述激光发生装置、聚焦透镜、透明真空容器由上到下依次排列，使激光光束先后穿过聚焦透镜、透明真空容器底面并进入透明真空容器的内部，最后从透明真空容器的另一底面穿出并作用于待加工材料表面。
本发明的第三个方面，提供了上述的系统在水下环境激光表面加工领域中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出一种高强度液体约束的飞秒激光表面加工方法，可获得相对于大气环境下的飞秒激光冲击表面处理更显著的加工效果。本发明所述飞秒激光表面加工泛指具有超短脉冲宽度激光光束作为激光光源的加工过程，而所述超短脉冲激光指区别于常规ns脉冲宽度激光光束的脉冲宽度为ps或fs量级的激光光束。
(2)本发明所述方法适用于水下环境的飞秒激光冲击加工，但更适用于激光能量损失更严重的激光光束相对待加工材料表面具有正离焦量状态的加工条件。
(3)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
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本发明所述的激光光束具有不同离焦状态的水下环境激光冲击表面处理过程的加工强度提高方法示意图：1为待加工材料，2为脉冲激光光束，3为水下环境，4为透明真空管。
图1中由左至右分别示出激光光束正离焦、无离焦、负离焦状态的水下激光冲击表面加工装置。
具体实施方式
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，本发明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。
正如背景技术所述解决水下飞秒激光冲击处理的激光能量损失问题是本领域技术人员的努力方向之一，为此，本发明提供了一种高强度液体约束的飞秒激光表面加工方法，具体包括以下内容：
1、确定水下激光冲击表面加工处理所采用的脉冲激光参数
根据待加工材料的力学性能等物理特性，选择水下激光冲击表面加工的工艺条件。水下激光冲击表面加工工艺的选择应以大气环境中的超快脉冲激光冲击处理的加工工艺为基础，即激光光束的参数条件与大气环境中的常规加工工艺所采用的参数保持一致，而常规加工工艺由技术人员根据待加工材料力学性能以及已有加工经验共同确定。
需要指出的是，除满足上述条件，本步骤要求脉冲激光光束聚焦直径小于1mm。在飞秒等超快激光加工过程中，为保证足够的激光能量密度，用于激光冲击的飞秒激光光束的聚焦直径一般为μm(微米)量级，用于本发明所述高强度水下飞秒激光加工方法的光束直径限定在1mm以下。
需要指出的是，除满足上述条件，本步骤还要求水下使用的脉冲激光光束的激光波长为532nm。波长调整为532nm后，激光光束在水中传播时的电离损耗将大幅度减少。
本发明所述飞秒激光泛指本步骤所述的超快脉冲激光，其脉冲宽度在ps或fs量级，即本发明所述方法同样适用于水下皮秒激光冲击表面处理时需减少能量损失的情况。
2、确定水下激光冲击表面加工处理的激光光束离焦状态
本步骤要求技术人员根据实际需要选择激光光束相对材料表面的离焦状态，本发明不对水下激光冲击表面加工所采用的具体离焦状态进行限定。
需要指出的是，本发明针对的正离焦状态激光冲击表面加工的正离焦量需大于1.5mm。正离焦量的设定为步骤3中透明真空管的位置设定提供基础和相关余量。
3、水中放置的透明真空管的位置确定与装配
本发明选择透明真空管来减少或抑制激光能量在水环境中的损失。所述透明真空管可为玻璃材质，其制备工艺为中空玻璃的加工方法。所述透明真空管使得激光光束穿过其上下底面，并在其内部的真空环境中直线传播。
透明真空管的采用长圆柱形结构设计，其底面面积大于穿过物镜后的激光光束面积，上下底面分别处于大气环境与水下环境，激光光束由大气环境穿过透明真空管底面并进入透明真空管的内部，最后从透明真空管的另一底面穿出并作用于待加工材料表面。
需要指出的是，透明真空管的下端，即浸没于水中的一端，其放置位置需避开激光光束聚焦位置不少于1mm直线距离。由于激光光束聚焦位置是发生激光诱导水中空化效应的位置，而空化冲击波在一定程度上对透明真空管形成MPa量级的冲击力，因此为避免透明真空管因受到空化冲击而破坏，其下端需远离激光光束聚焦位置不少于1mm。
4、激光冲击表面处理装置的搭建与激光冲击处理
本步骤要求技术人员依据步骤1、2、3所确定的激光光束参数及其离焦状态、材料表面与透明真空管的相对位置要求等条件，搭建图1所示的水下激光冲击表面加工装置。
在激光冲击材料表面处理装置搭建完成后，采用已确定的脉冲激光对水下环境的待加工材料进行激光冲击处理。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
以水下环境对K4169型铸造高温合金材料进行激光表面强化处理为例，待加工材料位于水下深度30mm处，选择脉冲激光的激光能量为1mJ、激光波长为532nm、脉冲宽度为165fs、光束聚焦直径为34μm。确定水下激光冲击表面加工处理为正离焦状态，激光光束聚焦位置处于材料表面上方3mm，即正离焦量为3mm。定制底面直径为6mm且长度为32mm的透明玻璃真空管，设定所述真空管的一端底面与材料表面保持1mm的直线距离，此时真空管远离激光光束聚焦位置约2mm，可避免激光聚焦位置处的空化效应对真空管的破坏作用。
采用上述确定的脉冲激光参数以及3mm的正离焦量，并沿激光光束传播路径重叠放置32mm长的圆柱形真空管，保证激光光束在大气环境中穿过真空管一端底面并在另一端底面射出。对水下环境放置的待加工材料进行单点激光冲击表面处理后，材料表面出现明显烧蚀痕迹，其表面残余应力状态为数值-320MPa的残余压应力。
对比例1：
以水下环境对K4169型铸造高温合金材料进行激光表面强化处理为例，待加工材料位于水下深度30mm处，选择脉冲激光的激光能量为1mJ、激光波长为532nm、脉冲宽度为165fs、光束聚焦直径为34μm。采用所述激光光束直接对水下待加工材料进行单点激光冲击表面处理，材料表面并未出现较显著的加工痕迹，其表面残余应力状态为数值20MPa的残余拉应力。
由此可见，本发明提出的高强度液体约束的飞秒激光表面加工方法，可获得相对于大气环境下的飞秒激光冲击表面处理更显著的加工效果。本发明所述方法适用于水下环境的飞秒激光冲击加工，但更适用于激光能量损失更严重的激光光束相对待加工材料表面具有正离焦量状态的加工条件。
最后应该说明的是，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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。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 (10)

1.一种提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法，其特征在于，包括：
在处于液体环境中待加工材料的上方设置透明真空容器，使透明真空容器下底面位于液面以下，上底面位于液面以上；
采用飞秒激光光束穿过透明真空容器对待加工材料的表面进行冲击加工。
2.如权利要求1所述的提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法，其特征在于，飞秒脉冲激光光束聚焦直径小于1mm。
3.如权利要求1所述的提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法，其特征在于，飞秒脉冲激光光束的激光波长为532nm。
4.如权利要求1所述的提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法，其特征在于，所述飞秒激光的脉冲宽度在ps或fs量级。
5.如权利要求1所述的提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法，其特征在于，正离焦状态激光冲击表面加工的正离焦量需大于1.5mm。
6.如权利要求1所述的提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法，其特征在于，所述透明真空容器为长圆柱形结构设计，其底面面积大于穿过物镜后的激光光束面积。
7.如权利要求1所述的提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法，其特征在于，透明真空容器下底面与激光光束聚焦位置的距离不少于1mm。
8.如权利要求1所述的提高水下飞秒激光冲击加工强度的方法，其特征在于，透明真空容器为透明真空管，优选的，透明真空管为玻璃材质，其制备工艺为中空玻璃的加工方法。
9.一种提高水下飞秒激光冲击加工强度的系统，其特征在于，包括：激光发生装置、聚焦透镜、透明真空容器；所述激光发生装置、聚焦透镜、透明真空容器由上到下依次排列，使激光光束先后穿过聚焦透镜、透明真空容器底面并进入透明真空容器的内部，最后从透明真空容器的另一底面穿出并作用于待加工材料表面。
10.权利要求9所述的系统在水下环境激光表面加工领域中的应用。
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