[發(fā)明專利]一種激光沖擊強化的增壓裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310305606.1
• 申請日: 2013-07-19
• 公開（公告）號: CN103361469A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 戴峰澤;于璐;溫德平;張永康
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: C21D1/09
• 分類號: C21D1/09
• 代理公司: 南京正聯(lián)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32243
• 代理人: 盧霞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光沖擊強化技術(shù)。

背景技術(shù)

激光沖擊強化是一種新型的材料表面強化技術(shù)，可以在金屬制件表面獲得高幅殘余壓應(yīng)力層，大大提高制件的疲勞壽命，與常規(guī)噴丸技術(shù)相比，其殘余壓應(yīng)力層更深；激光沖擊的原理是利用脈沖激光在約束狀態(tài)下跟吸收層產(chǎn)生等離子爆炸，可產(chǎn)生強度高達幾個吉帕斯卡的壓力，該壓力通過吸收層傳播至工件，可對工件表層產(chǎn)生高幅殘余壓應(yīng)力，由于吸收層的保護作用，工件表面不會受到熱灼燒，激光沖擊中脈沖激光的能量一般為1～100J，脈寬為10～30ns，約束層材料一般為水膜或玻璃，吸收層材料為鋁箔或其他對激光有良好吸收作用的材料。21世紀初，美國將激光沖擊技術(shù)應(yīng)用到F101、F119和F414發(fā)動機葉片的強化和再制造上。

激光沖擊強化中常用的約束層有水膜和光學(xué)玻璃，高能激光穿過透明的約束層時，將會導(dǎo)致透明約束層擊穿，從而形成等離子屏蔽，從而使后續(xù)激光能量無法到達吸收層，因此在一定條件下，采用特定的約束層，其產(chǎn)生的峰值壓力和作用時間是一定的。例如采用脈寬為10納秒的激光器，水約束，吸收層材料為鋁，無論其功率密度多大，其產(chǎn)生的峰值壓力約為5.5吉帕斯卡，持續(xù)時間約為30納秒。由于光學(xué)玻璃在激光沖擊強化中很容易被強沖擊波打碎且無法作為表面為曲面的工件，通常只用來作為實驗研究材料，在實際生產(chǎn)中，通常用水膜作為約束層，這是因為水膜可以連續(xù)形成，而且不受待處理工件表面形狀的影響，因此，在使用水膜作為約束層的情況下，通過特定方法提高激光沖擊強化過程中的峰值壓力和作用時間，對提高激光沖擊效果和效率都有很重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種激光沖擊強化的增壓裝置，以提高激光沖擊強化過程中的峰值壓力和作用時間，提高激光沖擊強化效果和效率。

為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明在工件的水約束層的周圍增加一錐形擋套，用來約束等離子體的橫向爆炸，從而延長等離子爆炸產(chǎn)生的壓力的作用時間，具體技術(shù)方案如下：

一種激光沖擊強化的增壓裝置，包括：激光器（1）、聚焦透鏡（2）、水膜（3）、吸收層（5）和工件（6）；激光器（1）發(fā)射的平行激光束對準聚焦透鏡（2），聚焦后的激光束透過水膜（3）輻照到吸收層（5）上；吸收層（5）覆蓋在工件（6）待處理表面；吸收層（5）距離聚焦透鏡的焦點前后距離小于等于2mm；其特征在于：還包括錐形擋套（4）；激光束的軸心和聚焦透鏡（2）、錐形擋套（4）的軸心重合，錐形擋套（4）的直徑較小端壓緊在吸收層（5）上表面，聚焦在吸收層（5）上的激光光斑被錐形擋套（4）包圍在內(nèi)部，錐形擋套（4）內(nèi)灌注有水膜（3）；錐形擋套（4）的內(nèi)表面跟聚焦后的激光束的邊緣形成的夾角為1～2度；錐形擋套（4）的材質(zhì)為高分子材料。

錐形擋套（4）形狀為錐形，用來與聚焦后的激光束的形狀相匹配。

所述的高分子材料為橡膠或軟質(zhì)PVC，以保證其直徑較小端可以緊密貼合在吸收層（5）表面。

錐形擋套（4）沿激光束軸心方向的高度為1～2mm，用來獲得厚度精確的水膜。

本發(fā)明裝置的工作原理如下：聚焦后的功率密度達到幾個吉瓦/平方厘米的激光光斑穿過水膜輻照到吸收層后，產(chǎn)生等離子爆炸，其爆炸壓力達到數(shù)個吉帕斯卡，這個壓力將在工件表層材料形成沖擊波，引起材料的塑性變形，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而強化工件表層，水膜的作用是約束等離子體爆炸，從而延長壓力的作用時間。由于受到錐形擋套的作用，等離子體的橫向爆炸受到約束，進一步延長了等離子體爆炸的作用時間，從而使延長了作用在工件表層的壓力持續(xù)時間，提高強化效果。

本發(fā)明具有有益效果。本發(fā)明中，由于錐形擋套的約束作用，等離子體爆炸后產(chǎn)生的壓力持續(xù)時間得到了延長，提高了強化效果；錐形擋套的形狀為錐形，用來與聚焦后的激光束的形狀相匹配，從而更好的約束爆炸后的等離子體；錐形擋套的材質(zhì)為高分子材料，其下端可以緊密貼合在吸收層表面，從而使該增壓裝置可以適用于任何表面輪廓的工件；由于水膜灌注在錐形擋套內(nèi)部，可以通過改變錐形擋套的高度來精確控制水膜的厚度，可以獲得穩(wěn)定的強化效果。

附圖說明

圖1是激光沖擊強化的增壓裝置的示意圖。

圖中：1激光器、2聚焦透鏡、3水膜、4錐形擋套、5吸收層、6工件。

具體實施方式

為更好的闡述本發(fā)明的實施細節(jié)，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種激光沖擊強化的增壓裝置進行詳細說明。