[發(fā)明專利]以可流動(dòng)液體為能量吸收層的激光沖擊處理裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310080141.4
• 申請(qǐng)日: 2013-03-14
• 公開（公告）號(hào): CN103143836A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葉云霞;張朝陽;馮亞云;孫亮;高明光
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K26/00
• 分類號(hào): B23K26/00;B23K26/18;C21D1/68;C21D1/09
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 韓奎國(guó)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，特指一種以可流動(dòng)液體作為能量吸收層的激光沖擊處理方法及裝置。

背景技術(shù)

激光沖擊加工的典型工藝為：待加工工件表面依次覆蓋吸收層和約束層，激光透過約束層，垂直照射工件，被吸收層吸收，吸收層氣化、電離、爆炸、膨脹，在工件表面誘導(dǎo)高壓機(jī)械沖擊波，超高壓機(jī)械沖擊波作用于工件表面，在工件表面誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力，上述力學(xué)效應(yīng)可用于強(qiáng)化金屬工件或者引起工件發(fā)生塑性變形。其中，約束層作用：通過限制等離子體擴(kuò)張，增加沖擊波幅值和延長(zhǎng)沖擊波作用時(shí)間，吸收層作用：吸收激光能量，并保護(hù)工件表面。目前，約束層一般為K9玻璃或者水，吸收層為鋁箔或者固化黑漆。就工藝步驟而言，當(dāng)前激光沖擊加工，吸收層必須要在激光沖擊加工前預(yù)先噴涂或者預(yù)先貼覆，一個(gè)激光脈沖作用于吸收層后，吸收層被燒蝕、氣化、電離，其厚度一般都會(huì)變薄或者完全被破壞。若需要同點(diǎn)多次連續(xù)激光沖擊，或者單位面積上高密度連續(xù)激光沖擊，吸收層若不重涂或者更換，則后續(xù)激光脈沖的沖擊處理效果難以保證，同時(shí)無吸收層保護(hù)的工件表面也會(huì)被激光燒蝕破壞。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)吸收層變薄或者損壞后，為了避免工件表面被燒蝕破壞或者為保證沖擊效果，通常采用厚度大一點(diǎn)的吸收層，或者離線再次噴涂或貼覆吸收層。可操作性差，效率低，非常影響激光沖擊加工技術(shù)的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，本發(fā)明提出了以可流動(dòng)液體作為能量吸收層的激光沖擊裝置，該裝置適用于同點(diǎn)多次連續(xù)激光沖擊或者高密度連續(xù)激光沖擊加工。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：以可流動(dòng)液體為吸收層的激光沖擊處理裝置，包括控制系統(tǒng)、約束層泵、吸收層泵、雙通道管路、約束層、吸收層、工件，所述的雙通道管路具有兩個(gè)相互隔離的約束層通道和吸收層通道，所述約束層泵經(jīng)管道與約束層通道連接，所述吸收層泵經(jīng)管道與吸收層通道連接；所述雙通道管路置于工件待沖擊表面的一側(cè)，所述吸收層通道緊貼工件待沖擊表面；所述控制系統(tǒng)分別與約束層泵和吸收層泵連接，所述控制系統(tǒng)用于控制約束層泵和吸收層泵輸出液體的流量，所述吸收層泵輸出吸收層液體經(jīng)吸收層通道注射到工件的待沖擊表面形成吸收層，所述約束層泵輸出約束層液體經(jīng)約束層通道注射到所述吸收層上形成約束層；所述激光束依次經(jīng)過約束層和吸收層沖擊到工件的待沖擊表面；所述約束層液體與吸收層液體流速相同且等于層流v。

所述層流v滿足：v<min(v1,v2)；其中v1為所述吸收層的層流臨界速度，v2為約束層的層流臨界速度。

所述的約束層液體為對(duì)入射激光高透過率的液體；所述吸收層液體為對(duì)入射激光有強(qiáng)吸收的液體。

所述約束層液體為水，所述吸收層液體為黑漆或稀釋的黑漆。

所述雙通道管路的吸收層通道和約束層通道的橫截面形狀都為矩形。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果：以可流動(dòng)的液體作為吸收層，激光沖擊過程中，吸收層始終處于流動(dòng)狀態(tài)，不存在吸收層破壞問題，可以保證每個(gè)激光脈沖能量吸收效率一致，沖擊效果穩(wěn)定，尤其適用于同點(diǎn)多次連續(xù)激光沖擊以及高密度連續(xù)激光沖擊過程。作為一種非常便利的吸收層在線重涂方法，有利于激光沖擊加工技術(shù)的工業(yè)化推廣應(yīng)用。

附圖說明

圖1?以可流動(dòng)液體為吸收層的激光沖擊處理裝置示意圖；

圖2?雙通道管路4橫截面示意圖；

其中：1.控制系統(tǒng)，2.約束層泵，3.吸收層泵，4.雙通道管路，5.約束層，6.吸收層，7.工件，8.激光束，9.約束層通道，10.吸收層通道。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，以同點(diǎn)多次連續(xù)激光沖擊為例，激光沖擊能量源為Nd³⁺:YAG輸出的1064nm的激光，其脈沖寬度為納秒量級(jí)。可流動(dòng)約束層液體可以為任何對(duì)入射激光高透過率的液體，本實(shí)施例中選擇水為約束層液體；吸收層液體可以為任意對(duì)入射激光有強(qiáng)吸收的液體，本實(shí)施例中選擇液體黑漆作為可流動(dòng)吸收層液體，也可以通過稀釋劑稀釋黑漆可以調(diào)節(jié)吸收層液體中黑漆比例，獲得不同的吸光效率。

如圖2所示，雙通道管路4的兩個(gè)通道的橫截面形狀均為矩形，約束層通道9橫截面矩形的長(zhǎng)為a，寬為b，吸收層通道10橫截面矩形的長(zhǎng)為a,寬為c；水的運(yùn)動(dòng)粘度為μ1，黑漆的運(yùn)動(dòng)粘度為μ2。根據(jù)吸收層和約束層的運(yùn)動(dòng)粘度及約束層通道9和吸收層通道10的界面的幾何尺寸，并結(jié)合臨界雷諾數(shù)Re，可得層流流速v。如圖1所示，控制系統(tǒng)1控制約束層泵2和吸收層泵3內(nèi)液體的流量，使得約束層和吸收層流速均為v,就可以實(shí)現(xiàn)在工件表面形成了層次分明、狀態(tài)穩(wěn)定的吸收層和約束層結(jié)構(gòu)。

????層流流速v的具體確定過程如下。液體在矩形通道中流動(dòng)時(shí)，液體流動(dòng)的實(shí)際雷諾數(shù)計(jì)算公式為Re=v×D/μ，v為液體的流速，μ為液體運(yùn)動(dòng)粘度，D為矩形通道當(dāng)量直徑，D=2×長(zhǎng)×寬／（長(zhǎng)＋寬）。為了保證液體處于層流，必須使Re小于臨界雷諾數(shù)，工程應(yīng)用中，一般認(rèn)為雷諾數(shù)Re<2000，則液體處于層流狀態(tài)，因此，臨界雷諾數(shù)取為2000。對(duì)于本實(shí)施例，已知約束層和吸收層的運(yùn)動(dòng)粘度，以及通道的幾何尺寸，根據(jù)上述公式，可以分別計(jì)算得到約束層液體（水）的層流臨界速度v1=2000×μ1/D1,約束層當(dāng)量直徑D1=2ab/(a+b)；吸收層液體（黑漆）的層流臨界速度?v2=2000×μ2/D2,吸收層的當(dāng)量直徑D2=2ac/(a+c)。激光沖擊過程中，約束層泵2和吸收層泵3在控制系統(tǒng)的控制下，控制注入約束層通道9和吸收層通道10的液體流量，以保證二者流速相同，且約束層5和吸收層6的實(shí)際流速v必須低于v1和v2中的較小值，即v<min(v1,v2)，由此在工件表面形成了層次分明、狀態(tài)穩(wěn)定的吸收層和約束層結(jié)構(gòu)。通過這種方式，在同點(diǎn)多次連續(xù)激光沖擊過程中，前一激光脈沖結(jié)束后，被破壞的吸收層6已經(jīng)流走，由于液體是流動(dòng)的，新的吸收層6已經(jīng)建立，保證了每次激光沖擊的能量吸收效率一致，沖擊效果穩(wěn)定。此外，激光沖擊過程中，由于液體流速遠(yuǎn)小于激光誘導(dǎo)的等離子體的膨脹速度和沖擊波傳輸速度，因此，吸收層6和約束層5的流動(dòng)不會(huì)對(duì)激光誘導(dǎo)沖擊波過程產(chǎn)生影響，液體流動(dòng)不會(huì)影響激光沖擊效果。