[發明專利]一種用磁場代替實體約束層的激光沖擊強化裝置及方法

無效

• 申請號: 201410258258.1
• 申請日: 2014-06-11
• 公開（公告）號: CN104004900A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發明（設計）人: 馮愛新;薛偉;何葉;李峰平;盧軼;曹宇鵬;曹宇;瞿建武;朱德華;許炎;周儉
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 北京中北知識產權代理有限公司 11253
• 代理人: 李雪芳

技術領域

本發明涉及激光加工領域，具體涉及一種用磁場代替實體約束層的激光沖擊強化方法及裝置。

背景技術

激光沖擊強化(Laser?shock?processing，簡稱LSP)技術是一種新型表面強化技術，是利用高功率密度(大于10⁹W/cm²)、短脈沖(ns級)的激光束透過約束層輻照到金屬材料表面，使金屬表面吸收層充分吸收激光能量，在極短時間內汽化、電離形成等離子體，膨脹的等離子體受約束層限制產生沖擊金屬靶材表面并向金屬內部傳播的高強度(GPa級)沖擊波，使材料產生屈服和塑性變形，同時在沖擊區域產生殘余壓應力，提高材料的強度、硬度、耐磨性和耐應力腐蝕性能，尤其能有效改善材料的抗疲勞斷裂性能。

約束層是增強激光沖擊強化效果的有效手段，無約束層的激光沖擊只能產生MPa級的沖擊力，而施加約束層后卻能將沖擊力增至GPa級，顯著提高激光沖擊強化效果。然而，采用施加約束層增強沖擊力的方法降低了一般激光加工技術均具備的柔性化特點，使激光沖擊強化工藝變得復雜且應用范圍變窄。例如：利用玻璃作為約束層時必須要求被沖擊表面為平面，且玻璃極易破碎，沖擊后常需要更換，且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；利用冰作為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；利用柔性貼膜作為約束層雖然能解決上述的一些缺陷，但由于約束層為柔性，對沖擊力的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；利用水作為約束層時雖能解除對加工表面形狀的限制，但用水作為約束層的激光沖擊強化裝置復雜、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；其他如利用高壓氣體作為約束層的一些方法也具有類似的缺點。

可見，現有的激光沖擊強化方法所采用的約束層均存在一定的局限性，主要是由于所采用的是實體約束層，從而導致存在飛濺安全隱患、效率低下、沖擊力增效受局限、均勻性不足、裝置復雜、操作繁雜。因此，若能不使用實體約束層也能實現增強激光沖擊力無疑是對激光沖擊強化方法的一次巨大提升。

發明內容

本發明針對現有激光沖擊強化方法必須采用實體約束層所帶來的不足，提出一種用磁場代替實體約束層的激光沖擊強化裝置，具有安全環保、加工效率高、沖擊力增效調控方便、均勻性好、適應性強、結構簡單、操作方便、成本低的優點。本發明還同時提供了一種用磁場代替實體約束層的激光沖擊強化方法。

本發明采用的技術方案如下：

一種用磁場代替實體約束層的激光沖擊強化裝置，包括工控機、激光器、光纖、激光加工頭、工件、上電磁線圈、上磁極夾具、下電磁線圈和下磁極夾具；

激光器通過光纖與激光加工頭相連，使得激光器輸出的激光束通過光纖的傳導進入激光加工頭，然后經過激光加工頭出口處的聚焦透鏡，會聚輻照在工件上需要進行沖擊強化的區域表面；

上電磁線圈安裝在上磁極夾具上，下電磁線圈安裝在下磁極夾具上；

上磁極夾具與下磁極夾具通過上電磁線圈與下電磁線圈的磁力固定在工件表面；所述上電磁線圈與下電磁線圈均為中空結構，使得激光束正好可從中穿過；

上電磁線圈、下電磁線圈和激光器均與工控機相連，工控機控制上電磁線圈、下電磁線圈中的電流大小，并控制激光器的脈沖輸出。

本發明還同時提供了一種用磁場代替實體約束層的激光沖擊強化方法，包括如下步驟：

第一步：在工件需要進行沖擊強化的區域噴涂吸收層；

第二步：安裝工件，使得工件與激光加工頭的空間方位滿足：激光束通過光纖傳導進入激光加工頭，然后經過激光加工頭出口處的聚焦透鏡，垂直輻照在第一步中工件需要進行沖擊強化的區域，并使聚焦焦點位于區域表面；

第三步：調節上磁極夾具與下磁極夾具，使其與工件的空間方位滿足：上磁極夾具與下磁極夾具通過上電磁線圈與下電磁線圈的磁力固定在工件的表面，其中上電磁線圈及下電磁線圈為中空結構，使得激光束可以正好從中穿過；

第四步：通過工控機控制上電磁線圈、下電磁線圈中的電流大小，將上磁極夾具及下磁極夾具分別吸附于工件預沖擊區域的正反面，并保證磁感線方向與激光入射方向一致；