一種針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置制造方法

一種針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供了一種針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置。該裝置中包括諧振腔，選用流體作為約束層，并且該約束層被限制在諧振腔內(nèi)。利用該裝置進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理時(shí)，由于諧振腔的存在，使原本向外散失的沖擊波得到利用，通過(guò)諧振腔的反射和聚波作用形成復(fù)合沖擊波，兩次或更多次地作用于工件表面，實(shí)現(xiàn)一個(gè)脈沖多次沖擊的效果，大大提高了能量利用率；同時(shí)，由于流體約束層被限制在諧振腔內(nèi)，形狀固定，從而有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中流體約束層厚度難以控制，穩(wěn)定性差的問(wèn)題。因此，該裝置能提高激光沖擊強(qiáng)化的效果和可靠性具有良好的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是一種將強(qiáng)激光產(chǎn)生的超高壓沖擊波用于工件表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理的技術(shù)。目前，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)在航空、船舶、機(jī)械工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的抗疲勞處理。
[0003]現(xiàn)有的針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置包括激光發(fā)生單元，位于工件表面的吸收保護(hù)層，以及位于吸收保護(hù)層表面的約束層。約束層的功能是讓激光能量穿過(guò)并作用于吸收保護(hù)層，同時(shí)還要盡可能多地提供等離子體膨脹時(shí)的反作用力，提高沖擊波耦合效率。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用光學(xué)玻璃等固體材料作為約束層，或者采用厚度約為0.5-lmm的水膜等柔性材料作為透明約束層。吸收保護(hù)層的功能是吸收激光，產(chǎn)生等離子體，同時(shí)具有阻擋能力，避免激光及等離子體對(duì)工件的損傷。目前普遍使用油漆、柔性膠帶或一定厚度的金屬箔片等作為吸收保護(hù)層。
[0004]該激光沖擊強(qiáng)化處理過(guò)程如圖1所示:利用短脈沖(一般在50納秒以?xún)?nèi))、高功率密度(GW/cm2)的激光24通過(guò)透明約束層25，作用于金屬等工件4表面所涂覆或帖附的吸收保護(hù)層上6 ;吸收保護(hù)層6吸收激光能量后迅速氣化，形成稠密的高溫、高壓等離子體，該等離子體繼續(xù)吸收激光能量后急劇升溫膨脹，形成沖擊波，沖擊波強(qiáng)度可達(dá)數(shù)個(gè)GPa(IO9Pa)量級(jí)，遠(yuǎn)高于許多工件材料的屈服強(qiáng)度；該沖擊波穿過(guò)吸收保護(hù)層6，作用于工件表面并向其內(nèi)部傳播，使工件表面產(chǎn)生塑性變形和殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致表層材料的塑形變形，位錯(cuò)密度增加，導(dǎo)致晶粒細(xì)化，壓應(yīng)力和硬度升高，從而顯著提高材料的抗疲勞、抗磨損和抗腐蝕性能。
[0005]例如，美國(guó)專(zhuān)利US5744781 “激光沖擊處理的方法和裝置”、中國(guó)專(zhuān)利CN102212655B “一種激光沖擊方法”、CN1102962C “采用低能激光的激光沖擊處理”和CN101831529B “曲軸圓角激光沖擊處理強(qiáng)化方法”等都是采用該激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程。但是，從圖1中可以明顯地看出施加在工件表面的吸收保護(hù)層6吸收激光能量后形成的等離子體沖擊波只有大約一半作用于工件表面，而其余一半則向外散失。也就是說(shuō)，現(xiàn)有的激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中將近50%的能量損失了，其能量利用率很低。因此，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的處理效果，只好提高激光能量，目前激光沖擊強(qiáng)化中的激光普遍傾向于使用脈沖能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一焦耳的納秒脈沖。但是，這樣的激光器售價(jià)昂貴，同時(shí)，由于激光系統(tǒng)工作于極限狀態(tài)而可靠性偏低。因此，有必要提高激光沖擊強(qiáng)化的能量利用效率，以降低對(duì)激光系統(tǒng)的能量要求，從而在保證激光可靠性的前提下提高處理效果。
[0006]另外，對(duì)于約束層而言，水膜因其成本低、柔性好、可循環(huán)使用和對(duì)復(fù)雜曲面的適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用；但是，水膜作為約束層卻存在如下問(wèn)題:(I)約為0.5-lmm的水膜厚度在實(shí)際的操作過(guò)程中很難穩(wěn)定控制，例如，目前一般采用噴嘴從側(cè)面施加水膜，但水膜的厚度卻容易隨著工件形狀、位置的變化而發(fā)生變化，另外，加工過(guò)程中的沖擊波容易造成水膜的破裂、濺射，從而影響加工的一致性和光路器件的可靠性；(2)相對(duì)于固體約束，水膜的約束剛性不足，因此對(duì)沖擊波的約束效果不佳，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定約束等狀況，最終導(dǎo)致激光沖擊強(qiáng)化效果的削弱。
[0007]相對(duì)于水膜，玻璃等固體類(lèi)約束層對(duì)激光沖擊波的約束效果較好。但是，其加工適應(yīng)性差，無(wú)法滿(mǎn)足形狀比較復(fù)雜的局部沖擊區(qū)域；另外，玻璃在等離子體和沖擊波的作用下會(huì)發(fā)生碎裂，因此一般僅適應(yīng)于單次沖擊，很難重復(fù)使用。
[0008]專(zhuān)利號(hào)為ZL02138338.3的發(fā)明專(zhuān)利“一種用于激光沖擊處理的柔性貼膜”是利用兩種不同組分的有機(jī)硅膠和添加劑，按一定的比例配比調(diào)和固化后形成約束層，再在其上噴涂86-1型黑漆的能量吸收保護(hù)層，形成集能量吸收保護(hù)層和約束層一體的柔性貼膜。該柔性貼膜雖然能形成集能量吸收保護(hù)層和約束層一體的柔性貼膜，但是其約束剛度達(dá)不到玻璃那樣的約束強(qiáng)度，并且存在氣泡等潛在質(zhì)量隱患，同時(shí)柔性貼膜制作過(guò)程復(fù)雜、繁瑣，不利于其在本領(lǐng)域的推廣使用。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0009]本實(shí)用新型的技術(shù)目的是針對(duì)上述現(xiàn)有激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)中存在的不足，提供一種針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置，利用該裝置對(duì)工件表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，提高激光沖擊強(qiáng)化的效率及可靠性。
[0010]本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為:一種針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置，包括激光發(fā)生單元，位于工件表面的吸收保護(hù)層，以及位于吸收保護(hù)層表面的約束層，激光發(fā)生單元所產(chǎn)生的激光通過(guò)約束層后作用于吸收保護(hù)層，吸收保護(hù)層形成等離子體沖擊波作用于工件表面；其特征是:
[0011]還包括一端開(kāi)口的諧振腔，所述的諧振腔設(shè)置激光入口，用于將激光發(fā)生單元所產(chǎn)生的激光輸入諧振腔；所述的諧振腔還設(shè)置流體入口，所述的約束層是通過(guò)該流體入口注入的流體；
[0012]所述的諧振腔的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層相接觸，使所述的約束層被限制在諧振腔內(nèi)。
[0013]所述的工件指應(yīng)用于工業(yè)【技術(shù)領(lǐng)域】的制件，包括任何可以在激光沖擊波作用下產(chǎn)生塑性變形和殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的制件，如金屬制件等。
[0014]所述的諧振腔體材料不限，一般選用具備較高沖擊波耐受度和反射度的材料，包括但不限于金屬，如SS304不銹鋼，高密度的鎢合金等，以及陶瓷材料等。
[0015]所述的諧振腔體內(nèi)表面的具體形狀不限，按照可以產(chǎn)生高效率沖擊波諧振聚集的形狀加工而成，包括橢球形和拋物面形等。
[0016]所述的諧振腔的開(kāi)口端形狀不限，可以是圓形、正方形、長(zhǎng)方形等。
[0017]所述的流體包括任何適合于光能傳輸?shù)臍怏w和液體。氣體包括但不限于空氣、氮?dú)獾?。流體包括但不限于水及其溶液。
[0018]所述的吸收保護(hù)層材料不限，包括金屬箔片、黑漆和膠帶等。
[0019]所述激光發(fā)生單元產(chǎn)生的激光的波長(zhǎng)不限，只要能用于在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生所需的沖擊波就可以使用，包括10640/1064/800/532/517/355納米等。[0020]綜上所述，本實(shí)用新型提供的針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置中包括諧振腔，選用流體作為約束層，并且該約束層被完全或者部分限制在諧振腔內(nèi)。利用該裝置進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理時(shí)，其處理過(guò)程如圖2所示。即，工作狀態(tài)時(shí)，來(lái)自激光發(fā)生單元的激光穿過(guò)諧振腔內(nèi)的流體作用于吸收保護(hù)層，吸收保護(hù)層吸收激光能量后氣化產(chǎn)生等離子體，該等離子體繼續(xù)吸收激光能量后膨脹形成高強(qiáng)度的球面沖擊波，該球面沖擊波的具體傳播過(guò)程A如下:
[0021]傳播過(guò)程A:—部分球面沖擊波作用于工件并向其內(nèi)部傳播，另一部分球面沖擊波29傳向諧振腔內(nèi)表面；
[0022]傳向諧振腔內(nèi)表面的球面沖擊波經(jīng)過(guò)該諧振腔內(nèi)表面反射后再次形成球面沖擊波28，重復(fù)上述傳播過(guò)程A ；
[0023]如此重復(fù)多次傳播過(guò)程A。S卩，由于諧振腔的存在，使原本向外散失的沖擊波得到利用，在諧振腔的反射和聚波作用下，使一個(gè)激光脈沖誘發(fā)的沖擊波可以形成復(fù)合沖擊波，兩次或更多次地作用于工件表面，實(shí)現(xiàn)一個(gè)脈沖多次沖擊的效果，大大提高了能量利用率。
[0024]圖3是現(xiàn)有的激光沖擊強(qiáng)化裝置中激光脈沖誘發(fā)的沖擊波形與本實(shí)用新型的帶諧振腔的激光沖擊強(qiáng)化裝置中激光脈沖誘發(fā)的波形對(duì)比示意圖。即，現(xiàn)有的激光沖擊強(qiáng)化裝置中由于沒(méi)有諧振腔，一個(gè)脈沖只產(chǎn)生一個(gè)有效的沖擊峰，隨后衰減，沖擊波的持續(xù)時(shí)間較短，約為激光脈沖寬度的1-3倍，其波形如圖3A所示。而本實(shí)用新型的激光沖擊強(qiáng)化裝置中包括諧振腔，波形如圖3B所示，直接傳向工件的沖擊波形成第一個(gè)波峰，遠(yuǎn)離工件的沖擊波經(jīng)諧振腔反射、匯聚后形成第二個(gè)波峰，如此重復(fù)反射，形成兩個(gè)或多于兩個(gè)的有效沖擊波，大大提高了能量利用率，從而提高了激光沖擊強(qiáng)化效果。
[0025]另一方面，本實(shí)用新型的激光沖擊強(qiáng)化裝置中選用流體作為約束層，并且該約束層被限制在諧振腔內(nèi)，從而使流體約束層形狀固定，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中流體約束層厚度難以控制，穩(wěn)定性差的問(wèn)題。
[0026]為了進(jìn)一步對(duì)上述激光沖擊強(qiáng)化裝置進(jìn)行優(yōu)化，本實(shí)用新型還提出了以下優(yōu)化措施。
[0027]考慮到在沖擊波經(jīng)諧振腔內(nèi)發(fā)射聚焦再次形成沖擊波的過(guò)程中可能形成氣泡而影響再次沖擊強(qiáng)化的效果。作為優(yōu)選，所述的諧振腔還設(shè)置流體出口，所述的流體通過(guò)流體入口注入，通過(guò)流體出口流出，形成流動(dòng)狀態(tài)。該優(yōu)化的措施具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0028](I)使所述的流體真正流動(dòng)起來(lái),一方面利用流體的流動(dòng)減少再次形成沖擊波的過(guò)程中形成氣泡，另一方面即使該過(guò)程中形成少量的氣泡，該流體的流動(dòng)也能迅速將氣泡帶出諧振腔，保持激光光路的穩(wěn)定性，有利于降低該氣泡對(duì)沖擊強(qiáng)化效果的負(fù)面影響；
[0029](2)由于設(shè)置了流體出口，能夠引導(dǎo)和調(diào)整諧振腔內(nèi)壓力，從而能夠控制諧振腔體與工件之間的間距。
[0030]為了減少諧振腔內(nèi)的流體在吸收保護(hù)層與諧振腔的連接處溢出，作為優(yōu)選，諧振腔與吸收保護(hù)層的連接處設(shè)置密封墊圈。
[0031]本實(shí)用新型中，諧振腔的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層相接觸，所述的接觸包括密閉接觸與非密閉接觸。由于本實(shí)用新型中約束層是流體，當(dāng)諧振腔的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層為密閉接觸時(shí)，流體被完全限制在諧振腔內(nèi)，無(wú)溢出。但是在實(shí)際應(yīng)用中，控制諧振腔的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層為密閉接觸的難度較大。當(dāng)諧振腔的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層并非密閉接觸時(shí)，將有少量流體會(huì)在該處溢出。但是，該溢出并不妨礙本實(shí)用新型的有效性，相反，少量流體的溢出有助于減少諧振腔體對(duì)吸收保護(hù)層的摩擦力。
[0032]為了便于激光通過(guò)激光入口高效進(jìn)入諧振腔，作為優(yōu)選，在激光產(chǎn)生單元與激光入口之間設(shè)置導(dǎo)光單元，以使激光產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的激光高效通過(guò)激光入口進(jìn)入諧振腔。該導(dǎo)光單元可以是由反射鏡片組成的柔性光管系統(tǒng)，也可以是光纖等。
[0033]為了避免工作狀態(tài)時(shí)等離子體沖擊波以及流體在激光入口處的散失，作為優(yōu)選，激光入口處設(shè)置墊片A、耐高壓透明窗口片和墊片B。耐高壓透明窗口片位于墊片A與墊片B之間，其材料包括但不限于石英片、透鏡片等。
[0034]利用本實(shí)用新型激光沖擊強(qiáng)化裝置對(duì)工件進(jìn)行強(qiáng)化處理的處理方法如下:
[0035]步驟1、工件進(jìn)行清洗處理后在表面施加吸收保護(hù)層；
[0036]步驟2、將諧振腔的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層表面相接觸，通過(guò)流體入口向諧振腔內(nèi)注入流體；
[0037]步驟3、激光發(fā)生單元所產(chǎn)生的激光經(jīng)激光入口進(jìn)入諧振腔，通過(guò)流體作用于吸收保護(hù)層，形成沖擊波，該沖擊波的傳播過(guò)程A如下:
[0038]一部分沖擊波直接作用于工件對(duì)工件進(jìn)行強(qiáng)化，另一部分沖擊波傳向諧振腔內(nèi)表面，經(jīng)諧振腔內(nèi)表面反射、聚波后再次形成沖擊波，重復(fù)所述的傳播過(guò)程A ；
[0039]如此重復(fù)多次后，關(guān)閉激光發(fā)生單元；
[0040]步驟4、取下工件，清洗表面殘余吸收保護(hù)層。
[0041]所述的步驟I中，在工件表面施加吸收保護(hù)層的方法包括但不限于油漆，膠帶和金屬箔片。
[0042]為了對(duì)工件表面不同區(qū)域進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，作為優(yōu)選，在處理過(guò)程中，對(duì)諧振腔開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層表面的接觸位置進(jìn)行調(diào)整，即，所述的步驟3之后進(jìn)行一次或多次如下步驟3’，然后進(jìn)行步驟4:
[0043]步驟3’:改變諧振腔的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層表面的相接觸位置，重復(fù)步驟3 ；
[0044]其中，步驟3’中，改變諧振腔的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層表面的相接觸位置的方式不限。例如，可以通過(guò)采用運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使工件和激光沖擊強(qiáng)化裝置產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括僅工件移動(dòng)、僅激光沖擊強(qiáng)化裝置移動(dòng)，或者兩者均移動(dòng)的形式，以適應(yīng)各種尺寸的工件處理要求。
[0045]為了進(jìn)一步加強(qiáng)工件的激光沖擊強(qiáng)化效率，作為優(yōu)選，采用兩組裝置對(duì)工件的上下兩面同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)化處理的方法，具體處理過(guò)程如下:
[0046]步驟1、工件進(jìn)行清洗處理后在上、下表面分別施加吸收保護(hù)層；
[0047]步驟2、將兩組激光沖擊強(qiáng)化裝置中的兩個(gè)諧振腔的開(kāi)口端面分別與吸收保護(hù)層上、下表面相接觸，然后分別通過(guò)流體入口向諧振腔內(nèi)注入流體；
[0048]步驟3、將兩組激光沖擊強(qiáng)化裝置中的激光發(fā)生單元所產(chǎn)生的激光分別經(jīng)兩個(gè)激光入口進(jìn)入諧振腔，通過(guò)流體作用于吸收保護(hù)層，吸收保護(hù)層形成沖擊波，該沖擊波的傳播過(guò)程A如下:
[0049]一部分沖擊波直接作用于工件對(duì)工件進(jìn)行強(qiáng)化，另一部分沖擊波傳向諧振腔內(nèi)表面，經(jīng)諧振腔內(nèi)表面反射、聚波后再次形成沖擊波，重復(fù)所述的傳播過(guò)程A ；
[0050]如此重復(fù)多次后，關(guān)閉激光發(fā)生單元；[0051]步驟4、取下工件，清洗表面殘余吸收保護(hù)層。
[0052]上述兩種處理方法中，考慮到?jīng)_擊波經(jīng)諧振腔內(nèi)發(fā)射聚焦再次形成沖擊波的過(guò)程中可能形成氣泡而影響再次沖擊強(qiáng)化的效果，作為優(yōu)選，諧振腔還設(shè)置流體出口，在所述的步驟2中，所述的流體通過(guò)流體入口注入，通過(guò)流體出口流出，形成流動(dòng)狀態(tài)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0053]圖1是現(xiàn)有的激光沖擊強(qiáng)化處理過(guò)程示意圖；
[0054]圖2是利用本實(shí)用新型的激光沖擊強(qiáng)化裝置進(jìn)行的激光沖擊強(qiáng)化處理過(guò)程示意圖；
[0055]圖3是現(xiàn)有的激光沖擊強(qiáng)化裝置與本實(shí)用新型的激光沖擊強(qiáng)化裝置中激光脈沖誘發(fā)的沖擊波形對(duì)比圖；
[0056]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例1中以水為約束介質(zhì)的激光沖擊強(qiáng)化裝置示意圖；
[0057]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例1中采用光學(xué)器件搭建的導(dǎo)光單元；
[0058]圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例1中采用多關(guān)節(jié)導(dǎo)光臂的導(dǎo)光單元；
[0059]圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例1中采用特種光纖的導(dǎo)光單元；
[0060]圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例1中沖擊加工中的三種運(yùn)動(dòng)模式；
[0061]圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例1中諧振腔的出口端面的不同形狀示意圖；
[0062]圖10是具有圖9所示端面形狀的諧振腔的沖擊區(qū)域的疊加軌跡；
[0063]圖11是本實(shí)用新型實(shí)施例1中采用的雙向沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)示意圖；
[0064]圖12是本實(shí)用新型實(shí)施例2中以空氣為約束介質(zhì)的激光沖擊強(qiáng)化裝置示意圖。
[0065]附圖中的標(biāo)號(hào)為:1.流量調(diào)節(jié)閥；2.水箱；3.微型水泵；4.工件；5.流體出口 ；
6.吸收保護(hù)層；7.第二連接端口 ；8.管道；9.計(jì)算機(jī)；10.激光發(fā)生單元；11.光傳輸單元；12.光傳輸單元接頭；13.激光入口 ；14.平凸準(zhǔn)直鏡；15.平凸聚焦鏡；16.墊片A ; 17.耐高壓玻璃；18.墊片B ; 19.諧振腔；20.去離子水；21.第一連接端口 ；22.流體入口 ；23.密封墊圈；24.激光束；25.約束層；28.反射沖擊波；29.入射沖擊波；30.反射鏡；31.凹透鏡；32.聚焦透鏡；33.密閉腔；34.關(guān)節(jié)導(dǎo)光臂；35.特種光纖；36.夾具；37.工作臺(tái)；38.工業(yè)機(jī)器人。
【具體實(shí)施方式】
[0066]下面結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述，需要指出的是，以下所述實(shí)施例旨在便于對(duì)本實(shí)用新型的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
[0067]實(shí)施例1:
[0068]本實(shí)施例中，激光沖擊強(qiáng)化裝置如圖4所示，包括激光發(fā)生單元10，一端開(kāi)口的諧振腔19，該諧振腔19的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層6的表面相密閉接觸，形成“倒扣”結(jié)構(gòu)。該諧振腔19還設(shè)置激光入口 13、流體入口 22以及流體出口 5。
[0069]待處理工件4表面為吸收保護(hù)層6，本實(shí)施例中，工件4為金屬工件，吸收保護(hù)層6為鋁箔。吸收保護(hù)層6表面為約束層20。該約束層20處于諧振腔19內(nèi)，是通過(guò)流體入口22注入的去離子水。該去離子水是微型水泵3將外部水箱2中的去離子水通過(guò)管道8經(jīng)流體入口 22泵入諧振腔19內(nèi)，經(jīng)流體出口 5泵出諧振腔19，形成循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)。管道8與流體入口 22的連接端口為第一連接端口 21，管道8與流體出口 5的連接端口為第二連接端口
7。還設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥檢測(cè)流體流量。
[0070]為了便于激光通過(guò)激光入口 13高效、穩(wěn)定地進(jìn)入諧振腔19，在激光發(fā)生單元10與激光入口 13之間設(shè)置導(dǎo)光單元，以使激光產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的激光高效通過(guò)激光入口進(jìn)入諧振腔。該導(dǎo)光單元由光傳輸單元11、光傳輸單元接頭12、平凸準(zhǔn)直鏡14與平凸聚焦鏡組成。在實(shí)際應(yīng)用中，該導(dǎo)光單元還可以采用其他形式，如圖5所示是采用光學(xué)器件搭建的導(dǎo)光單元，圖6所示是采用多關(guān)節(jié)導(dǎo)光臂34的導(dǎo)光單元；如圖7所示是采用特種光纖35的導(dǎo)光單元。
[0071]為了避免工作狀態(tài)時(shí)等離子體沖擊波在激光入口 13處的散失，在激光入口 13處設(shè)置第一墊片16、耐高壓玻璃17和第二墊片18。耐高壓玻璃17位于第一墊片16與第二墊片18之間，其材料可以是石英片或者透鏡片。
[0072]為了加強(qiáng)諧振腔19與吸收保護(hù)層6相接觸面的密閉性，在諧振腔19與吸收保護(hù)層6相接觸的面設(shè)置了密封墊圈23。
[0073]計(jì)算機(jī)9用于控制激光發(fā)生10與微型水泵3。
[0074]利用該激光沖擊強(qiáng)化裝置對(duì)工件進(jìn)行強(qiáng)化處理的處理方法如下:
[0075]步驟(I)、用丙酮、酒精等液體對(duì)工件進(jìn)行清洗、晾干，然后在將鋁箔吸收保護(hù)層6涂覆在金屬工件4表面；
[0076]步驟(2)、將諧振腔19的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層6表面通過(guò)密封墊圈23相密閉接觸，然后啟動(dòng)水泵3經(jīng)流體入口 22讓諧振腔19內(nèi)充滿(mǎn)去離子水20，并通過(guò)流體出口 5使離子水20流動(dòng)起來(lái)，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥I使去離子水20的流速為0.2ml/s左右；
[0077]步驟(3)、計(jì)算機(jī)9控制激光發(fā)生單元10開(kāi)啟，該激光發(fā)生單元10為532納米波長(zhǎng)、25納秒脈寬、1-10焦耳脈沖能量的Nd =YAG固體脈沖激光發(fā)生單元，調(diào)節(jié)脈沖激光裝置10參數(shù)，使參數(shù)滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求；激光束13從激光發(fā)生單元10發(fā)出，經(jīng)過(guò)光傳輸單元11傳送到光傳輸單元接頭12，調(diào)節(jié)接頭12里的平凸聚焦鏡15上下距離使激光13通過(guò)去離子水作用在吸收保護(hù)層6上；吸收保護(hù)層6吸收激光能量迅速氣化并迅速形成致密的高溫高壓等離子體，該等離子體繼續(xù)吸收激光能量后膨脹形成高強(qiáng)度的球面沖擊波，面向工件4的部分球面沖擊波直接作用于工件4對(duì)工件4進(jìn)行強(qiáng)化，其它部分球面沖擊波作為入射波經(jīng)諧振腔19內(nèi)表面反射后在激光13的焦點(diǎn)附近形成聚焦反射波，再次成為沖擊波重復(fù)前述過(guò)程，從而形成復(fù)合沖擊波，兩次或更多次地沖擊強(qiáng)化工件4 ；
[0078]步驟(4):待激光沖擊完后，在計(jì)算機(jī)9的控制下依次關(guān)閉激光發(fā)生單元10與水泵3，取下工件4，最后，去除工件4表面殘余的吸收保護(hù)層6。
[0079]為了使工件4表面不同區(qū)域進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，本實(shí)施例采用運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使工件4和激光沖擊強(qiáng)化裝置產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。具體可以采用移動(dòng)工作臺(tái)使工件移動(dòng)(如圖8A所示)，或者采用工業(yè)機(jī)器人使激光沖擊強(qiáng)化裝置移動(dòng)(如圖SB所示)，或者兩者均移動(dòng)(如圖SC所示)的形式，以適應(yīng)各種尺寸的工件處理要求。
[0080]具體處理方法為:在上述處理過(guò)程中，對(duì)諧振腔19開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層6表面的接觸位置進(jìn)行調(diào)整，即，上述步驟(3)之后進(jìn)行一次或多次如下步驟(3’)，然后進(jìn)行步驟
(4):
[0081]步驟(3’):在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的作用下，改變諧振腔19的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層6表面的相接觸位置，重復(fù)步驟(3)。
[0082]在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的作用下，工件表面的沖擊區(qū)域形成疊加的軌跡。如圖9與10所示，當(dāng)諧振腔19的出口端面為圖9所示不同形狀(圓形、正方形或者矩形)時(shí)，所形成的沖擊區(qū)域的疊加軌跡如圖10所示。
[0083]為了進(jìn)一步加強(qiáng)工件4的激光沖擊強(qiáng)化效率，還可以采用本實(shí)施中的兩組激光沖擊強(qiáng)化裝置對(duì)該工件4的上下表面同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)化處理的方法，如圖11所示，具體處理過(guò)程如下:
[0084]步驟(I)、用丙酮、酒精等液體對(duì)工件4進(jìn)行清洗、晾干，然后在將鋁箔吸收層涂覆在金屬工件4表面；
[0085]步驟(2)、將兩組激光沖擊強(qiáng)化裝置中的兩個(gè)諧振腔的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層表面通過(guò)密封墊圈相密閉接觸，然后分別啟動(dòng)水泵經(jīng)各自流體入口讓每個(gè)諧振腔內(nèi)充滿(mǎn)去離子水，并通過(guò)流體出口使離子水循環(huán)流動(dòng)起來(lái)，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)去離子水的流速；
[0086]步驟3、計(jì)算機(jī)控制該兩組裝置中的激光發(fā)生單元開(kāi)啟，分別調(diào)節(jié)激光單元參數(shù)，使其滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求；激光從激光發(fā)生單元發(fā)出經(jīng)過(guò)導(dǎo)光單元進(jìn)入諧振腔，通過(guò)去離子水后作用在吸收保護(hù)層上；吸收保護(hù)層吸收激光能量迅速氣化并迅速形成致密的高溫高壓等離子體，該等離子體繼續(xù)吸收激光能量后膨脹形成高強(qiáng)度的球面沖擊波，面向工件4的部分球面沖擊波直接作用于工件4對(duì)工件4進(jìn)行強(qiáng)化，其它部分球面沖擊波作為入射波經(jīng)諧振腔內(nèi)表面反射后在激光的焦點(diǎn)附近形成聚焦反射波，再次成為沖擊波重復(fù)前述過(guò)程，從而使工件上下表面均形成復(fù)合沖擊波，兩次或更多次地沖擊強(qiáng)化工件4 ；
[0087]步驟(4):待激光沖擊完后，在計(jì)算機(jī)的控制下依次關(guān)閉兩激光發(fā)生單元與水泵，取下工件4，最后，去除工件4上下表面殘余的吸收保護(hù)層。
[0088]實(shí)施例2:
[0089]本實(shí)施例中，激光沖擊強(qiáng)化裝置如圖12所示，包括激光發(fā)生單元，一端開(kāi)口的諧振腔，該諧振腔的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層的表面非密閉接觸，形成“倒扣”結(jié)構(gòu)。該諧振腔還設(shè)置激光入口、流體入口以及流體出口。
[0090]待處理工件表面為吸收保護(hù)層，本實(shí)施例中，工件為金屬工件，吸收保護(hù)層為鋁箔。吸收保護(hù)層表面為約束層。該約束層處于諧振腔內(nèi)，是通過(guò)流體入口注入的氣體，例如空氣、氮?dú)獾?。該氣體是氣體泵將外部氣體罐中的氣體經(jīng)流體入口泵入諧振腔內(nèi)，經(jīng)流體出口泵出諧振腔，使氣體形成流動(dòng)狀態(tài)。
[0091]為了提高激光通過(guò)激光入口高效進(jìn)入諧振腔，在激光發(fā)生單元與激光入口之間設(shè)置導(dǎo)光單元，以使激光產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的激光高效通過(guò)激光入口進(jìn)入諧振腔。該導(dǎo)光單元由光傳輸單元、光傳輸單元接頭、平凸準(zhǔn)直鏡與平凸聚焦鏡組成。在實(shí)際應(yīng)用中，該導(dǎo)光單元還可以采用其他形式。
[0092]為了避免工作狀態(tài)時(shí)等離子體沖擊波在激光入口處的散失，在激光入口處設(shè)置第一墊片、耐高壓玻璃和第二墊片。耐高壓玻璃位于第一墊片與第二墊片之間，其材料可以是石英片或者透鏡片。
[0093]諧振腔與吸收保護(hù)層相接觸面是非密閉的，因此在該處將產(chǎn)生少量氣體溢出，但是，該溢出并不妨礙本實(shí)施例的有效性，相反，少量溢出有助于減少諧振腔體對(duì)吸收保護(hù)層的摩擦力。
[0094]利用該激光沖擊強(qiáng)化裝置對(duì)工件進(jìn)行強(qiáng)化處理的處理方法類(lèi)似實(shí)施例1中的處理方法，在此不再贅述。
[0095]以上所述的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充或類(lèi)似方式替代等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置，包括激光發(fā)生單元，位于工件表面的吸收保護(hù)層，以及位于吸收保護(hù)層表面的約束層，激光發(fā)生單元所產(chǎn)生的激光通過(guò)約束層后作用于吸收保護(hù)層，吸收保護(hù)層形成等離子體沖擊波作用于工件表面；其特征是:還包括一端開(kāi)口的諧振腔，所述的諧振腔設(shè)置激光入口，用于將激光發(fā)生單元所產(chǎn)生的激光輸入諧振腔；所述的諧振腔還設(shè)置流體入口，所述的約束層是通過(guò)該流體入口注入的流體；所述的諧振腔的開(kāi)口端面與吸收保護(hù)層表面相接觸，使所述的約束層被限制在諧振腔內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置，其特征是:所述的流體為氣體或者液體。
3.如權(quán)利要求1所述的針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置，其特征是:所述的諧振腔的開(kāi)口端是圓形、正方形或者長(zhǎng)方形。
4.如權(quán)利要求1所述的針對(duì)工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置，其特征是:所述的諧振腔還設(shè)置流體出口，所述的流體通過(guò)流體入口注入，通過(guò)流體出口流出，形成流動(dòng)狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】C21D10/00GK203700450SQ201320684506
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2013年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月31日
【發(fā)明者】張文武 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所