CN1308112C - 以冰为约束层的激光冲击处理方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种以冰为约束层的激光冲击处理技术方法及其装置，可用于大规模的工业化生产。其特征在于采用冰约束层，以及使冰约束层快速形成的制冷系统，对冰约束层进行约束的螺旋压块，用于校对光路的定位基准座；冰约束层与受冲击工件在冰层形成时紧密结合，试样的轴向和径向均受到冰层约束；可较好实行激光冲击。由于冰在约束冲击波时，不会象柔性约束层吸收冲击波的能量，因此能起到较好的增效效果；且可以对复杂表面的试件起到良好的约束作用；冲击后冰块迅速融化，对仪器和操作人员不存在安全问题，也无须清理；且可快速实现多点，多次冲击，并且成本低廉，制备方便。

Description

以冰为约束层的激光冲击处理方法及其装置
技术领域
本发明涉及激光冲击处理技术领域，特指一种以冰为约束层的激光冲击处理技术方法及其装置。
背景技术
激光冲击处理技术(LSPP)是一种具有良好前景的加工手段，其原理是高能量短脉冲激光诱导的冲击波与材料相互作用。这一技术已在机械工程、航空航天、微电子、军事等各行各业中得到了广泛应用，目前该技术主要用于材料改性，冲击成型，以及无损检测等方面。
激光冲击处理技术中的约束层是指覆盖在受冲击材料表面的一层透明(对激光波长有良好的穿透性)物质，其对激光诱导的冲击波起到了约束作用，从而有效加大了冲击波对受冲击材料的作用时间和作用力。所以约束层是激光冲击技术中最为关键的技术之一。
目前可查阅文献，专利中的激光冲击处理的约束层一般为水或玻璃，如美国专利US5744781“激光冲击处理的方法和装置”就是采用水为约束层，此外还有使用柔性贴膜作为约束层的，如我国专利CN 1404954“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”。水约束层装置复杂，操作繁杂，增效效果不明显；玻璃约束层则成本较高，冲击时会产生玻璃碎片飞溅的现象，对仪器和人员存在安全隐患，而且清理也十分麻烦，此外一些特殊曲面(如曲面等)的工件也不能起到约束作用；而柔性贴模则虽然能解决前两者的一些缺陷，但由于约束层为柔性，增效不如刚性的约束层明显，且柔性贴膜的选材、制作要求较高，因此成本也相对较高。
发明内容
本发明的目的是使用一种新材料做约束层来解决现有约束层的缺陷。
一种以冰为约束层的激光冲击处理方法，其特征在于：激光冲击之前可用定位基准座调校光路、光斑，在夹具底内部放入涂有能量吸收层的工件；旋转螺旋压块至所需位置用于控制冰层高度，向螺旋压块的中孔内注纯净水，略低于螺旋压块的底部，将注入水的夹具底座放入对准基座内；对注入水进行冷冻形成冰约束层，使得冰约束层与受冲击工件在冰层形成时紧密结合，试样的轴向和径向均受到冰层约束；再次旋上螺旋压块直至冰约束层表面，使之紧密结合，实行激光冲击。
所述的一种以冰为约束层的激光冲击处理方法，其特征在于冰约束层是使用高压氮气制冷系统对注入水迅速制冷得到的。
以冰为约束层的激光冲击装置，包括产生激光束的外光路系统、工件，其特征在于采用冰约束层，以及使冰约束层快速形成的制冷系统、对冰约束层进行约束的螺旋压块，用于校对光路的定位基准座；其中，螺旋压块位于冰约束层上方，底部与冰层紧密贴合；冰约束层与工件紧密结合为一体，位与夹具底座的上方；夹具底座与定位基准座同心，并位于定位基准座上方；制冷系统经氮气管路与冰约束层相连。
夹具、工件、和冰约束层在制备冰时形成一体。且冰层厚度＜10mm，冰层温度-7℃左右。
由于冰层厚度，冰层的温度，冰层的制备时间等参数，对冰晶体的均匀性，致密性，以及对激光能量的吸收均有重要的影响，是影响冲击效果的重要参数。实验表明，一般冰层厚度控制在10mm以下，冰的温度控制在-7℃左右，在能量密度为GW/cm2级，脉冲时间为ns级的激光冲击中可以得到良好的冲击效果。
实施过程为将定位基准座放在激光光路系统中，调校好光路、光斑，在夹具底内部放入涂有能量吸收层的工件；旋转螺旋压块至所需位置用于控制冰约束层高度，一般控制在10mm以内，向螺旋压块的中孔内注纯净水，略低于螺旋压块的底部。将注入水的夹具底座放入定位基准座内，旋开螺旋压块然后用制冷装置向工件吹入高压氮气，可快速地在工件表面形成所需厚度的冰层。再次旋上螺旋压块直至冰约束层表面，使之紧密结合。由于夹具与定位基准座同心，因此上述工作做好后即可实行冲击。冲击一次后，按照与第一次冲击相同的方法可快速施行多次，多点激光冲击。
本发明的优点如下：
(1)取材简单，只需使用普通的纯净水制备冰约束层；
(2)由于水与试件在冰约束层制备完毕后与试件结合紧密，可以起到良好的约束作用；
(3)冰由于是刚性材料，在约束冲击波时，不会象柔性约束层吸收冲击波的能量，因此能起到较好的增效效果；
(4)可以对复杂表面的试件起到良好的约束作用；
(5)冲击后冰块迅速融化，对仪器和操作人员不存在安全问题，也无须清理；
(6)由于可快速实现多点，多次冲击，并且成本低廉，制备方便，可用于大规模的工业化生产。
附图说明
图1：本发明装置结构示意图
图2：图1俯视图
图3：冰约束层冲击效果图(冲击前)
图4：冰约束层冲击效果图(冲击后)
①激光光路系统    ②制冷系统    ③螺旋压块    ④冰约束层    ⑤受冲击工件⑥夹具底座    ⑦定位基准座    ⑧激光束    ⑨能量吸收涂层
具体实施方式
如图1所示，将定位基准座7放在激光光路系统1中，调校好光路。在夹具底座6内部放入涂有能量吸收层9的受冲击工件5，旋转螺旋压块3至所需位置，用于控制冰层高度，向螺旋压块3的中孔内注纯净水，略低于螺旋压块3的底部。将注入水的夹具底座6放入定位基准座7内，旋开螺旋压块3然后用制冷系统2向受冲击工件5吹入高压氮气，可快速地在工件表面形成所需厚度的冰约束层4，一般冰约束层4厚度控制在10mm以内，冰的温度控制在-7℃左右。夹具底座6、受冲击工件5和冰约束层4在制备冰时形成一体。再次旋上螺旋压块3直至冰约束层4表面，使之紧密结合。由于夹具底座6与定位基准座7同心，因此上述工作做好后即可实行冲击。冲击一次后，按照与第一次冲击相同的方法可快速施行多次，多点激光冲击。
如图2、3、4所示，高能，短脉冲激光束穿透冰层，能量吸收涂层吸收激光能量，形成等离子体，迅速膨胀，在冰约束层的约束下，对工件产生强大的冲击波，从而达到冲击效果。

Claims (5)

1.一种以冰为约束层的激光冲击处理方法，其特征在于：激光冲击之前可用定位基准座(7)调校光路、光斑，在夹具底座(6)内部放入涂有能量吸收层(9)的工件；旋转螺旋压块(3)至所需位置用于控制冰约束层(4)高度，向螺旋压块(3)的中孔内注纯净水，略低于螺旋压块(3)的底部，将注入水的夹具底座(6)放入定位基准座(7)内：对注入水进行冷冻形成冰约束层(3)，使得冰约束层(4)与受冲击工件(5)在冰层形成时紧密结合，试样的轴向和径向均受到冰约束层(4)约束；再次旋上螺旋压块(3)直至冰约束层(4)表面，使之紧密结合，实行激光冲击。
2.根据权利要求1所述的以冰为约束层的激光冲击方法，其特征在于冰约束层(3)是使用高压氮气制冷系统(2)对注入水迅速制冷得到的。
3.以冰为约束层的激光冲击装置，包括产生激光束的激光光路系统(1)、受冲击工件(5)，其特征在于采用冰约束层(4)，以及快速制备冰约束层的制冷系统(2)、对冰约束层进行约束的螺旋压块(3)，用于校对光路的定位基准座(7)；其中，螺旋压块(3)位于冰约束层(4)上方，底部与冰层紧密贴合；冰约束层(4)与受冲击工件(5)紧密结合为一体，位与夹具底座(6)的上方；夹具底座(6)与定位基准座(7)同心，并位于定位基准座(7)上方，制冷系统(2)经氮气管路与冰约束层(4)相连。
4.根据权利要求3所述的以冰为约束层的激光冲击装置，其特征在于夹具底座(6)、受冲击工件(5)和冰约束层(4)在制备冰时形成一体。
5.根据权利要求3所述的以冰为约束层的激光冲击装置，其特征在于冰层厚度＜10mm，冰层温度-7℃左右。
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