[發(fā)明專利]一種基于激光沖擊強化等離子體沖擊波約束方法

有效

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• 申請日: 2017-10-26
• 公開（公告）號: CN109706309B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陸瑩;喬紅超;趙吉賓;孫博宇;胡太友
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 王倩

本發(fā)明公開了一種激光沖擊強化等離子體沖擊波約束方法。利用強磁場的約束使激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體(正離子、負(fù)離子)分離，使正離子附著在犧牲層(鋁箔或者黑膠帶)表面，形成一種透明帶電的等離子體約束層，主要作用是約束產(chǎn)生的等離子體沖擊波，增強沖擊波對靶材的作用效果。由于等離子體存在的時間尺度要遠(yuǎn)大于激光脈沖寬度，所以利用強磁場將激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子正負(fù)離子分離形成一層約束層。本發(fā)明方法工藝簡單，可控性強、效果顯著，相比于傳統(tǒng)的約束層(水或者玻璃)，激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子可以對復(fù)雜曲面、凹槽、榫槽、復(fù)雜內(nèi)壁面的激光沖擊強化進(jìn)行約束，有效地抑制沖擊波向外擴(kuò)散，提高激光沖擊強化效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種激光沖擊強化等離子體沖擊波約束方法，利用強磁場約束激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體附著在犧牲層表面，形成一種帶電的等離子體約束層。

背景技術(shù)

激光與材料之間的相互作用是一個非常復(fù)雜的過程，包括激光對物體的熱作用，物質(zhì)對激光的吸收、反射以及激光在物質(zhì)中的傳播等，激光與物質(zhì)的相互作用機制非常復(fù)雜，主要包括韌致吸收、光電離、多光子吸收、空穴吸收以及雜志吸收等多種類型，影響這些作用的因素主要包括波長、功率密度、能量密度、脈沖寬度等激光參數(shù)、材料性質(zhì)、狀態(tài)參量等，高功率激光束作用在固體靶材表面時，靶表面吸收大量激光能量引發(fā)的物理現(xiàn)象可歸結(jié)為熱效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)，當(dāng)功率密度在10³～10⁴W/cm²時，激光在材料表面主要是熱效應(yīng)，功率密度大于10⁶W/cm²，脈沖持續(xù)時間大于100μs時，激光與材料的相互作用基本上是氣化構(gòu)成，當(dāng)功率密度大于10⁹W/cm²時，就會出現(xiàn)等離子體，激光沖擊強化過程屬于最后一種，當(dāng)高功率密度的激光輻照材料表面時，直接使吸收保護(hù)層氣化電離，形成高溫、高壓的等離子體，等離子體是由帶點的正離子、負(fù)離子(其中包括正離子、負(fù)離子、電子、自由基和各種活性基團(tuán)組成)宏觀成電中性，形成的等離子體是沖擊波能量載體。等離子的存在要滿足一定的空間和時間矢量條件的，才能達(dá)到等離子自持穩(wěn)態(tài)的時空矢量場。

等離子體中粒子的運動與電磁場(外場及粒子產(chǎn)生的自洽場)的運動緊密耦合，不可分割。

目前常用的激光沖擊強化約束層主要是K9光學(xué)玻璃和水，起到限制沖擊波向外傳播，增加金屬表面沖擊波壓力的作用。但是使用這兩種材料作為約束層存在諸多缺陷：玻璃作為約束層可能對人員和設(shè)備產(chǎn)生威脅，沖擊波的作用會導(dǎo)致玻璃破碎甚至飛濺，容易打壞其他設(shè)備甚至對人造成傷害，而且約束層無法迅速更換，大大降低了強化效率，而且只能用來加工平面，不能對榫槽、焊縫等復(fù)雜曲面進(jìn)行加工，無法滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需要。以水作為約束層，由于水為液態(tài)流體，其厚度很難調(diào)控，強化效果會有較大波動，同時如果需要加工復(fù)雜曲面或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)，水流會存在死角，無法達(dá)到指定位置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種新的激光沖擊強化沖擊波約束方法，即利用強磁場約束激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體附著在犧牲層表面，形成一種帶電的等離子體約束層，由于等離子體存在的時間尺度要遠(yuǎn)大于激光脈沖寬度，所以利用強磁場將激光誘導(dǎo)的等離子正負(fù)離子分離，形成一層約束層的方法是可行的。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于激光沖擊強化等離子體沖擊波約束方法，包括以下步驟：

(1)采用高能激光誘導(dǎo)工件表面吸收層產(chǎn)生等離子體沖擊波，當(dāng)激光輻照工件表面時，使工件表面的吸收保護(hù)層氣化電離，形成的等離子體作為沖擊波能量載體；

(2)利用永磁體形成強磁場約束激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體分離，使正離子附著在犧牲層表面，形成一種帶電的等離子體約束層；

(3)利用強磁場將激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子的正、負(fù)離子分離，形成一層帶電的約束層；

(4)利用機器人夾持永磁體，使磁場線方向與工件表面一致，等離子體中的正離子作為約束層吸附在犧牲層表面，電子則在磁場的作用下移動工件另一側(cè)，實現(xiàn)對激光沖擊強化的等離子體沖擊波的約束。