[發明專利]一種基于激光沖擊強化等離子體沖擊波約束方法

有效

• 申請號: 201711012259.8
• 申請日: 2017-10-26
• 公開（公告）號: CN109706309B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 陸瑩;喬紅超;趙吉賓;孫博宇;胡太友
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 王倩

本發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產生的等離子體(正離子、負離子)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大于激光脈沖寬度，所以利用強磁場將激光誘導產生的等離子正負離子分離形成一層約束層。本發明方法工藝簡單，可控性強、效果顯著，相比于傳統的約束層(水或者玻璃)，激光誘導產生的等離子可以對復雜曲面、凹槽、榫槽、復雜內壁面的激光沖擊強化進行約束，有效地抑制沖擊波向外擴散，提高激光沖擊強化效果。

技術領域

本發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產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

激光與材料之間的相互作用是一個非常復雜的過程，包括激光對物體的熱作用，物質對激光的吸收、反射以及激光在物質中的傳播等，激光與物質的相互作用機制非常復雜，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、材料性質、狀態參量等，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的物理現象可歸結為熱效應和力學效應，當功率密度在10³～10⁴W/cm²時，激光在材料表面主要是熱效應，功率密度大于10⁶W/cm²，脈沖持續時間大于100μs時，激光與材料的相互作用基本上是氣化構成，當功率密度大于10⁹W/cm²時，就會出現等離子體，激光沖擊強化過程屬于最后一種，當高功率密度的激光輻照材料表面時，直接使吸收保護層氣化電離，形成高溫、高壓的等離子體，等離子體是由帶點的正離子、負離子(其中包括正離子、負離子、電子、自由基和各種活性基團組成)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，才能達到等離子自持穩態的時空矢量場。

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備產生威脅，沖擊波的作用會導致玻璃破碎甚至飛濺，容易打壞其他設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、焊縫等復雜曲面進行加工，無法滿足大規模工業化生產的需要。以水作為約束層，由于水為液態流體，其厚度很難調控，強化效果會有較大波動，同時如果需要加工復雜曲面或者內部結構，水流會存在死角，無法達到指定位置。

發明內容

本發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產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大于激光脈沖寬度，所以利用強磁場將激光誘導的等離子正負離子分離，形成一層約束層的方法是可行的。

本發明的技術方案為：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)采用高能激光誘導工件表面吸收層產生等離子體沖擊波，當激光輻照工件表面時，使工件表面的吸收保護層氣化電離，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產生的等離子體分離，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產生的等離子的正、負離子分離，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，實現對激光沖擊強化的等離子體沖擊波的約束。