[發明專利]一種激光沖擊方法及其裝置

無效

• 申請號: 201110440419.5
• 申請日: 2011-12-23
• 公開（公告）號: CN102489877A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 張凌峰;熊毅;高軻;趙培峰;萇清華;周合玉
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: B23K26/18
• 分類號: B23K26/18;B23K26/42
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙) 11391
• 代理人: 郭海彬;張群峰

技術領域

本發明涉及機械制造與激光沖擊強化技術領域，特別是涉及一種激光沖擊方法及其裝置。

背景技術

激光沖擊強化技術是利用強激光束產生的等離子沖擊波，提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術。它具有非接觸、無熱影響區、可控性強以及強化效果顯著等突出優點。

圖1為現有的激光沖擊強化示意圖，如圖1所示，高功率密度(GW/cm²量級)、短脈沖(10～30ns量級)的激光束101通過透明的約束層103作用于金屬工件106表面所涂覆的能量吸收涂層104時，涂層104吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時形成大量稠密的高溫(＞10K)、高壓(＞1GPa)等離子體102。該等離子體102繼續吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強度的沖擊波105作用于金屬工件106表面。當沖擊波的峰值壓力超過材料的動態屈服強度時，材料發生塑性變形并在表層產生平行于材料表面的拉應力。激光作用結束后，由于沖擊區域周圍材料的反作用，其力學效應表現為金屬工件106表面獲得較高的殘余壓應力。殘余壓應力會降低交變載荷中的拉應力水平，使平均應力水平下降，從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時殘余壓應力的存在，可引起裂紋的閉合效應，從而有效降低疲勞裂紋擴展的驅動力，延長疲勞裂紋擴展壽命。其中，涂層104的作用主要是保護金屬工件106不被激光灼傷并增強對激光能量的吸收，目前常用的涂層材料有黑漆和鋁箔等。約束層103除了能約束等離子體的膨脹從而提高沖擊波的峰值壓力外，還能通過對沖擊波的反射延長其作用時間，目前常用的約束層為流水、K9玻璃。

實現金屬板料激光沖擊強化或成形的前提是：等離子沖擊波壓力必須大于板料動態變形的強度閾值。為此，必須盡可能地提高等離子沖擊波的壓力。

提高等離子沖擊波的壓力最直接的辦法莫過于提高激光脈沖的能量，但根據已有的研究，等離子沖擊波的峰值壓力與激光脈沖的功率密度成正比，故在一定范圍內提高激光能量，是增大等離子沖擊波壓力的有效方法。但是，由于高功率固體激光器工作介質的激光損傷閾值約在10⁹W/cm²左右，若要獲得更高功率的激光脈沖強度，就必須采用大口徑工作介質及多級放大光路裝置等手段，這樣會導致激光裝置的龐大復雜以及脈沖重復頻率的降低。

所以，在激光功率密度相同的前提下，目前普遍采用的是約束層技術以實現增壓。約束層可使向外噴濺的等離子體受到約束，阻礙等離子體的膨脹，從而產生更高的沖擊波壓力。已有激光沖擊強化的研究結果表明，采用約束層技術可使沖擊波壓力比沒有約束層時提高近一個數量級，沖擊波的脈寬增大到激光脈寬的2～3倍。為了實現激光沖擊裝置的小型化和實用化，在進行激光沖擊試驗中采用的激光脈沖的功率密度為GW/cm²量級，因而對于合理選擇和優化約束層，就顯得尤為重要，這對于激光沖擊技術的工程應用具有十分積極的意義。

在激光沖擊強化技術研究中，目前國內外普遍采用或在研的約束層有：石英玻璃(或光學玻璃)、流水、柔性貼膜等。

最早人們以使用透明石英為主，這是由于大家普遍認為石英具有較高的聲阻抗和較好的剛性，在一定的功率密度下能獲得更高的峰壓。但對透明容凝石英和純凈蒸餾水進行的對比試驗表明，在激光功率密度為6×10⁴～6×10⁹W/cm²范圍內，約束層材料的聲阻抗對沖擊波峰壓的影響不像預計的那樣大，當激光功率密度大于4×10⁹W/cm²時，兩者的差別將消失。

按照上述理論，國外開始采用水作為約束層，水具有柔性約束的優點，可一定程度上增加沖擊波峰壓，對彎曲表面有自適應性。但水作為約束層時，由于等離子體對水的擊穿電離效應，壓力持續時間被大幅度減小，另外水對激光也有較強的吸收，會一定程度上影響沖擊效果。水約束還需要大量的輔助裝置，以保證水層的厚度和流速穩定，使用起來并不簡單。另外由于吸收層大多使用黑漆涂層，黑漆受熱汽化后，會進入流水中，對環境造成一定的污染。

目前國內激光沖擊技術尚處于實驗室研究階段，大多仍然使用光學玻璃約束層來保證沖擊效果。但玻璃約束層作為剛性材料，對約束平面的適應性極差，特別對激光沖擊優勢所在，如微孔、彎角等局部區域、非平面區域均無法應用；而且操作困難，每沖擊一次即需要更換一次約束層，同時成本也非常高昂，只能適用于實驗室研究階段。另外玻璃作為一種脆性材料，在受到等離子沖擊波作用后發生爆裂濺射，對操作人員和激光器均有一定程度的危險。