[發明專利]一種以高壓氣體為約束層的激光沖擊強化方法及其裝置

無效

• 申請號: 201210001123.8
• 申請日: 2012-01-05
• 公開（公告）號: CN102560079A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 馮愛新;施芬;聶貴鋒;李彬;韓振春;盧軼;郭儒成
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00;B23K26/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及激光加工領域，具體涉及一種以高壓氣體為約束層的激光沖擊強化方法及其裝置。

背景技術

激光沖擊強化技術(Laser?Shock?Processing，簡稱LSP)是一種利用高功率(10⁹W/cm²)短脈沖(ns級)激光與材料相互作用過程中產生的高壓沖擊應力波(GPa級)的力效應來改善金屬機械性能的表面改性技術，這一技術已在機械工程、航空航天、微電子、軍事等行業中廣泛應用。

激光沖擊強化可以分為直接燒蝕模型和有約束燒蝕模型；激光直接輻照在材料表面所獲得的沖擊波峰壓只有數MPa，如果在材料表面涂上黑漆(即吸收層)并在其上覆蓋一層對激光透明的物質(即約束層)將可以提高沖擊波峰壓至10GPa，約束層的使用和選擇對激光沖擊強化效果具有很大的影響。

目前主要使用水和玻璃作為約束層，此外還有使用冰和柔性貼膜作為約束層的；如我國專利CN1308112C“以冰為約束層的激光沖擊處理方法及其裝置”和CN1404954“一種用于激光沖擊處理的柔性貼膜”；水約束層裝置復雜，操作繁雜，不能保證水約束層厚度的均勻性，對激光參數有一定要求，對沖擊效果也有一定影響，增效效果不明顯；玻璃約束層適應性差，對于微孔、彎角、和非平面區域都無法適用，且成本較高，沖擊時會產生玻璃碎片飛濺的現象，對儀器和人員存在安全隱患，而且清理也十分麻煩；冰約束層能解決玻璃約束層存在的安全隱患，清理方便，但冰易于融化，對實驗裝置具有一定的影響，而且冰約束層需現場制備，嚴重影響了沖擊連續性和沖擊效率；柔性貼膜雖然能解決上述的一些缺陷，但由于約束層為柔性，增效不如剛性的約束層明顯，且柔性貼膜的選材、制造要求較高，成本也相對較高。

發明內容

本發明的目的是針對上述約束層在應用過程中存在的問題，提出一種以高壓氣體為約束層的激光沖擊強化方法及其裝置。

一種以高壓氣體為約束層的激光沖擊強化方法，利用高壓氣體作為約束層，高壓氣體通過噴嘴噴射在工件預沖擊處理位置，其壓力值能在線實時檢測、反饋和調控；激光沖擊前，利用定位裝置調整噴嘴的位置，使光斑中心與高壓氣體噴射中心重合，同時調整工件位置，使工件預沖擊處理位置對準光斑中心；打開高壓氣體噴射裝置，通過測壓裝置在線實時檢測、反饋、調控高壓氣體的壓力，當壓力大小達到設定值并且穩定時，打開激光器，對工件進行沖擊。工件能在運動控制卡的控制下實現二維平面運動；當工件厚度發生變化時，位移傳感器檢測工件表面的垂直位移，將檢測到的位移信號傳給工控機，工控機再傳給運動控制卡，通過運動控制卡控制絲杠的旋轉，實現噴嘴位置的快速自動調節，始終確保高壓氣體噴射中心，激光光斑中心和工件預沖擊點三點重合。

以高壓氣體為約束層的激光沖擊強化裝置，包括激光器、電源、工控機、光路系統、定位裝置、支撐架、滑塊、絲杠、高壓氣體噴射裝置、測壓裝置、位移傳感器、運動控制卡和工件夾具系統。

所述定位裝置由三個均布在支撐架圓環上的定位燈組成；支撐架由水平伸縮桿、與水平伸縮桿相連的圓環、L型桿和調節裝置組成，水平伸縮桿位于L型桿的水平端內，L型桿的豎直端位于滑塊內使得L型桿能繞其豎直端中心線360°旋轉，水平伸縮桿的伸縮和L型桿的旋轉通過調節裝置調節，調節裝置由旋轉螺釘和微調螺釘組成；滑塊安裝在絲杠上，絲杠與運動控制卡相連，通過運動控制卡控制絲杠的旋轉實現滑塊上下移動；同時，圓環上還均布有三個噴嘴，噴嘴和定位燈依次相間，呈錐形分布，噴嘴和定位燈的中心軸線相交于同一點，噴嘴通過高壓氣管與高壓氣體噴射裝置相連，高壓氣體噴射裝置由工控機控制。

所述測壓裝置為壓力傳感器，位于工件夾具系統上方，通過導線與工件表面相連，用來在線實時檢測、反饋、調控高壓氣體壓力。

所述工件夾具系統由吸收層、工件、夾具、升降平臺和工作臺組成，升降平臺安裝在工作臺上，夾具安裝在升降平臺上，工件安裝在夾具上，工件表面設有吸收層，工作臺由運動控制卡控制其在二維平面內運動。

位移傳感器位于工件夾具系統上方，用來檢測工件表面到工作臺的垂直位移，當工件表面有垂直位移或者更換不同厚度的工件時，位移傳感器將檢測到的位移信號傳給工控機，工控機再傳給運動控制卡，從而控制絲杠的旋轉，實現噴嘴位置的自動調節，始終保證噴射中心，激光光斑中心和工件預沖擊點三點重合。

實施本發明的方法執行以下步驟：

1、激光沖擊前，手動調節升降平臺的高度獲得所需直徑的光斑，打開三個定位燈的開關，