[發(fā)明專利]一種具有離焦量的雙物理效應(yīng)脈沖激光沖擊方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110322286.5
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113234918B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧國鑫;季忠;王佃剛;宿慶財(cái);張國芳;杉岡幸次;趙國群
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 趙龍群

本發(fā)明涉及一種具有離焦量的雙物理效應(yīng)脈沖激光沖擊方法，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。通過提前對試樣材料進(jìn)行激光空化試驗(yàn)確定最優(yōu)激光參數(shù)和實(shí)際加工液體介質(zhì)厚度，然后采用確定的最優(yōu)激光參數(shù)和實(shí)際加工液體介質(zhì)厚度對待加工材料進(jìn)行激光沖擊處理。本發(fā)明通過改變激光沖擊工藝條件調(diào)節(jié)“空化效應(yīng)”作用強(qiáng)度，在脈沖激光誘導(dǎo)的“等離子體沖擊效應(yīng)”作用強(qiáng)度不發(fā)生明顯變化的工藝條件范圍內(nèi)，采用對“空化效應(yīng)”定量調(diào)節(jié)的方式來實(shí)現(xiàn)脈沖激光沖擊沖擊過程中“等離子體沖擊”與“空化”兩種物理效應(yīng)的協(xié)同調(diào)配，使液體約束激光沖擊單光斑范圍的殘余應(yīng)力分布水平更協(xié)調(diào)和均勻。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有離焦量的雙物理效應(yīng)脈沖激光沖擊方法，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

激光沖擊強(qiáng)化是一種新型表面強(qiáng)化技術(shù)，該技術(shù)采用短脈沖激光為介質(zhì)，利用激光誘導(dǎo)沖擊波的力學(xué)效應(yīng)，在金屬表面形成較大、較深的殘余壓應(yīng)力和組織結(jié)構(gòu)變化，從而顯著提高金屬材料抗疲勞、抗應(yīng)力腐蝕和抗微動(dòng)磨損等服役性能。在激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)和加工中，為了降低設(shè)備成本，往往采用圓光斑激光器。

激光沖擊過程中，激光光束的能量分布一般采用平頂或高斯形式，理論上，激光能量分布為平頂分布時(shí)，圓光斑輻照區(qū)域獲得相等的沖擊壓力，激光能量分布為高斯分布時(shí)，圓光斑輻照的中心區(qū)域獲得最大的沖擊壓力。然而，實(shí)際操作過程中不論激光光束的能量分布方式為上述的哪一種，光斑的中心往往并不是殘余壓應(yīng)力最大值位置，相反，光斑中心僅會(huì)形成較低的殘余壓應(yīng)力，即形成“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象。“殘余應(yīng)力洞”的出現(xiàn)影響激光沖擊處理的強(qiáng)化效果，造成殘余應(yīng)力場分布不均，影響材料抗疲勞、抗腐蝕性能，而且不利于激光能量的充分利用。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種具有離焦量的雙物理效應(yīng)脈沖激光沖擊方法，通過改變激光沖擊工藝條件調(diào)節(jié)“空化效應(yīng)”作用強(qiáng)度，在脈沖激光誘導(dǎo)的“等離子體沖擊效應(yīng)”作用強(qiáng)度不發(fā)生明顯變化的工藝條件范圍內(nèi)，采用對“空化效應(yīng)”定量調(diào)節(jié)的方式來實(shí)現(xiàn)脈沖激光沖擊沖擊過程中“等離子體沖擊”與“空化”兩種物理效應(yīng)的協(xié)同調(diào)配，使液體約束激光沖擊單光斑范圍的殘余應(yīng)力分布水平更協(xié)調(diào)和均勻。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種具有離焦量的雙物理效應(yīng)脈沖激光沖擊方法，步驟如下：

(1)搭建激光誘導(dǎo)空化試驗(yàn)裝置，激光誘導(dǎo)空化試驗(yàn)裝置包括激光沖擊實(shí)驗(yàn)平臺，激光沖擊實(shí)驗(yàn)平臺為現(xiàn)有常規(guī)使用激光沖擊實(shí)驗(yàn)平臺，激光沖擊實(shí)驗(yàn)平臺上設(shè)置試樣材料，試樣材料表面設(shè)置涂覆裝置，涂覆裝置內(nèi)設(shè)置液體介質(zhì)。

(2)啟動(dòng)激光器進(jìn)行激光空化試驗(yàn)，調(diào)整激光參數(shù)，使液體介質(zhì)內(nèi)的空化泡形成強(qiáng)度最大，空化泡形成強(qiáng)度最大時(shí)對應(yīng)的激光參數(shù)為最優(yōu)激光參數(shù)，當(dāng)空化泡形成強(qiáng)度最大時(shí)，空化效應(yīng)形成的沖擊壓力最大；

(3)激光沖擊實(shí)驗(yàn)平臺上重新設(shè)置試樣材料，采用步驟(2)中的最優(yōu)激光參數(shù)，調(diào)整不同的液體介質(zhì)厚度進(jìn)行激光空化試驗(yàn)，觀測空化泡的位置與試樣材料的相對距離，測試空化泡位置與試樣材料的相對距離在1-3mm時(shí)激光空化的試樣材料的性能變化，在1-3mm這個(gè)范圍內(nèi)，空化效應(yīng)對材料表面才能產(chǎn)生表面沖擊的效果，并且作用效果在這個(gè)范圍內(nèi)變化，性能提高最大的試樣材料對應(yīng)最優(yōu)相對距離，最優(yōu)相對距離對應(yīng)的液體介質(zhì)厚度為最優(yōu)液體介質(zhì)厚度；

(4)激光沖擊實(shí)驗(yàn)平臺上重新設(shè)置試樣材料，試樣材料表面涂覆吸收層，采用步驟(2) 中的最優(yōu)激光參數(shù)，步驟(3)中的最優(yōu)液體介質(zhì)厚度進(jìn)行激光沖擊處理，然后對獲得的試樣材料表面的單光斑區(qū)域內(nèi)的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量和判斷，判斷原則為：

獲得的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)中，當(dāng)顯示單光斑的中心區(qū)域相對于周邊區(qū)域具有相同或較低程度的殘余壓應(yīng)力分布時(shí)，則實(shí)際加工液體介質(zhì)厚度選擇目前確定的最優(yōu)液體介質(zhì)厚度，當(dāng)顯示單光斑的中心區(qū)域相對于周邊區(qū)域具有更高程度的殘余壓應(yīng)力分布時(shí)，則進(jìn)入下一步，繼續(xù)調(diào)整液體介質(zhì)厚度。