[发明专利]一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置。

背景技术

激光冲击强化技术(Laser Shock Processing，简称LSP)是一种利用高功率(10⁹W/cm²)短脉冲(ns级)激光与材料相互作用过程中产生的高压冲击应力波(GPa级)的力效应来改善金属机械性能的表面改性技术，这一技术已在机械工程、航空航天、微电子、军事等行业中广泛应用。

激光冲击强化可以分为直接烧蚀模型和有约束烧蚀模型；激光直接辐照在材料表面所获得的冲击波峰压只有数MPa，如果在材料表面涂上黑漆(即吸收层)并在其上覆盖一层对激光透明的物质(即约束层)将可以提高冲击波峰压至10GPa，约束层的使用和选择对激光冲击强化效果具有很大的影响。

目前主要使用水和玻璃作为约束层，此外还有使用冰和柔性贴膜作为约束层的；如我国专利CN1308112C“以冰为约束层的激光冲击处理方法及其装置”和CN1404954“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，不能保证水约束层厚度的均匀性，对激光参数有一定要求，对冲击效果也有一定影响，增效效果不明显；玻璃约束层适应性差，对于微孔、弯角、和非平面区域都无法适用，且成本较高，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；冰约束层能解决玻璃约束层存在的安全隐患，清理方便，但冰易于融化，对实验装置具有一定的影响，而且冰约束层需现场制备，严重影响了冲击连续性和冲击效率；柔性贴膜虽然能解决上述的一些缺陷，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、制造要求较高，成本也相对较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述约束层在应用过程中存在的问题，提出一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置。

一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法，利用高压气体作为约束层，高压气体通过喷嘴喷射在工件预冲击处理位置，其压力值能在线实时检测、反馈和调控；激光冲击前，利用定位装置调整喷嘴的位置，使光斑中心与高压气体喷射中心重合，同时调整工件位置，使工件预冲击处理位置对准光斑中心；打开高压气体喷射装置，通过测压装置在线实时检测、反馈、调控高压气体的压力，当压力大小达到设定值并且稳定时，打开激光器，对工件进行冲击。工件能在运动控制卡的控制下实现二维平面运动；当工件厚度发生变化时，位移传感器检测工件表面的垂直位移，将检测到的位移信号传给工控机，工控机再传给运动控制卡，通过运动控制卡控制丝杠的旋转，实现喷嘴位置的快速自动调节，始终确保高压气体喷射中心，激光光斑中心和工件预冲击点三点重合。

以高压气体为约束层的激光冲击强化装置，包括激光器、电源、工控机、光路系统、定位装置、支撑架、滑块、丝杠、高压气体喷射装置、测压装置、位移传感器、运动控制卡和工件夹具系统。

所述定位装置由三个均布在支撑架圆环上的定位灯组成；支撑架由水平伸缩杆、与水平伸缩杆相连的圆环、L型杆和调节装置组成，水平伸缩杆位于L型杆的水平端内，L型杆的竖直端位于滑块内使得L型杆能绕其竖直端中心线360°旋转，水平伸缩杆的伸缩和L型杆的旋转通过调节装置调节，调节装置由旋转螺钉和微调螺钉组成；滑块安装在丝杠上，丝杠与运动控制卡相连，通过运动控制卡控制丝杠的旋转实现滑块上下移动；同时，圆环上还均布有三个喷嘴，喷嘴和定位灯依次相间，呈锥形分布，喷嘴和定位灯的中心轴线相交于同一点，喷嘴通过高压气管与高压气体喷射装置相连，高压气体喷射装置由工控机控制。

所述测压装置为压力传感器，位于工件夹具系统上方，通过导线与工件表面相连，用来在线实时检测、反馈、调控高压气体压力。

所述工件夹具系统由吸收层、工件、夹具、升降平台和工作台组成，升降平台安装在工作台上，夹具安装在升降平台上，工件安装在夹具上，工件表面设有吸收层，工作台由运动控制卡控制其在二维平面内运动。

位移传感器位于工件夹具系统上方，用来检测工件表面到工作台的垂直位移，当工件表面有垂直位移或者更换不同厚度的工件时，位移传感器将检测到的位移信号传给工控机，工控机再传给运动控制卡，从而控制丝杠的旋转，实现喷嘴位置的自动调节，始终保证喷射中心，激光光斑中心和工件预冲击点三点重合。

实施本发明的方法执行以下步骤：

1、激光冲击前，手动调节升降平台的高度获得所需直径的光斑，打开三个定位灯的开关，