一種用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層的激光沖擊強(qiáng)化裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層的激光沖擊強(qiáng)化裝置，包括工控機(jī)、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(dǎo)進(jìn)入激光加工頭；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；工控機(jī)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。其具有安全環(huán)保、加工效率高、沖擊力增效調(diào)控方便、均勻性好、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明還同時(shí)提供了一種用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層的激光沖擊強(qiáng)化方法。
【專利說明】一種用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層的激光沖擊強(qiáng)化裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，具體涉及一種用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層的激光沖擊強(qiáng)化方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]激光沖擊強(qiáng)化(Laser shock processing,簡稱LSP)技術(shù)是一種新型表面強(qiáng)化技術(shù)，是利用高功率密度(大于109W/cm2)、短脈沖(ns級(jí))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(shí)間內(nèi)汽化、電離形成等離子體，膨脹的等離子體受約束層限制產(chǎn)生沖擊金屬靶材表面并向金屬內(nèi)部傳播的高強(qiáng)度(GPa級(jí))沖擊波，使材料產(chǎn)生屈服和塑性變形，同時(shí)在沖擊區(qū)域產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提高材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐應(yīng)力腐蝕性能，尤其能有效改善材料的抗疲勞斷裂性能。
[0003]約束層是增強(qiáng)激光沖擊強(qiáng)化效果的有效手段，無約束層的激光沖擊只能產(chǎn)生MPa級(jí)的沖擊力，而施加約束層后卻能將沖擊力增至GPa級(jí)，顯著提高激光沖擊強(qiáng)化效果。然而，采用施加約束層增強(qiáng)沖擊力的方法降低了一般激光加工技術(shù)均具備的柔性化特點(diǎn)，使激光沖擊強(qiáng)化工藝變得復(fù)雜且應(yīng)用范圍變窄。例如:利用玻璃作為約束層時(shí)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(shí)會(huì)產(chǎn)生玻璃碎片飛濺的現(xiàn)象，對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)裝置具有一定的影響，而且冰約束層需現(xiàn)場(chǎng)制備，嚴(yán)重影響了沖擊連續(xù)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(duì)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(duì)較高；利用水作為約束層時(shí)雖能解除對(duì)加工表面形狀的限制，但用水作為約束層的激光沖擊強(qiáng)化裝置復(fù)雜、操作繁雜，不能保證水約束層厚度的均勻性，對(duì)激光參數(shù)有一定要求，對(duì)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(diǎn)。
[0004]可見，現(xiàn)有的激光沖擊強(qiáng)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(shí)體約束層，從而導(dǎo)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(fù)雜、操作繁雜。因此，若能不使用實(shí)體約束層也能實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)激光沖擊力無疑是對(duì)激光沖擊強(qiáng)化方法的一次巨大提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有激光沖擊強(qiáng)化方法必須采用實(shí)體約束層所帶來的不足，提出一種用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層的激光沖擊強(qiáng)化裝置，具有安全環(huán)保、加工效率高、沖擊力增效調(diào)控方便、均勻性好、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明還同時(shí)提供了一種用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層的激光沖擊強(qiáng)化方法。
[0006]本發(fā)明采用的 技術(shù)方案如下:
[0007]—種用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層的激光沖擊強(qiáng)化裝置，包括工控機(jī)、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；
[0008]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(dǎo)進(jìn)入激光加工頭，然后經(jīng)過激光加工頭出口處的聚焦透鏡，會(huì)聚輻照在工件上需要進(jìn)行沖擊強(qiáng)化的區(qū)域表面；
[0009]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；
[0010]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(jié)構(gòu)，使得激光束正好可從中穿過；
[0011 ] 上電磁線圈、下電磁線圈和激光器均與工控機(jī)相連，工控機(jī)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。
[0012]本發(fā)明還同時(shí)提供了一種用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層的激光沖擊強(qiáng)化方法，包括如下步驟: [0013]第一步:在工件需要進(jìn)行沖擊強(qiáng)化的區(qū)域噴涂吸收層；
[0014]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(dǎo)進(jìn)入激光加工頭，然后經(jīng)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(jìn)行沖擊強(qiáng)化的區(qū)域，并使聚焦焦點(diǎn)位于區(qū)域表面；
[0015]第三步:調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)，使得激光束可以正好從中穿過；
[0016]第四步:通過工控機(jī)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(yù)沖擊區(qū)域的正反面，并保證磁感線方向與激光入射方向一致；
[0017]第五步:工控機(jī)控制激光器產(chǎn)生脈沖的激光束，激光束通過光纖傳輸后，經(jīng)由激光加工頭的聚焦透鏡射出，激光束穿過電磁線圈作用于工件上噴涂有吸收層的需要進(jìn)行沖擊強(qiáng)化的區(qū)域，通過磁場(chǎng)對(duì)激光誘導(dǎo)等離子體的縱向約束，壓縮等離子體，限制其擴(kuò)散，產(chǎn)生激光沖擊強(qiáng)化效應(yīng)；
[0018]第六步:按第五步所述方法重復(fù)多次激光沖擊強(qiáng)化處理后，工控機(jī)控制激光器停止輸出激光束；
[0019]第七步:取下工件，清洗表面殘余吸收層。
[0020]本發(fā)明的有益效果在于:
[0021]1、本發(fā)明的激光沖擊強(qiáng)化方法，利用電磁線圈或永磁體形成垂直于工件表面的磁場(chǎng)，通過磁場(chǎng)對(duì)激光誘導(dǎo)等離子體的縱向約束，壓縮等離子體，限制其擴(kuò)散從而達(dá)到增加激光沖擊力的效果，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)體約束層，實(shí)現(xiàn)用磁場(chǎng)作為約束層的激光沖擊強(qiáng)化；
[0022]2、安全環(huán)保，這是由于磁場(chǎng)約束對(duì)環(huán)境無污染，不存在玻璃約束層存在的破裂問題和水約束層存在的濺射問題，不會(huì)對(duì)激光設(shè)備和人員造成危害；
[0023]3、加工效率高，這是由于用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層，省去了傳統(tǒng)激光沖擊強(qiáng)化方法對(duì)工件布置實(shí)體約束層的前處理工序和清除實(shí)體約束層的后處理工序，磁極夾具調(diào)整方便，使得加工效率大大提聞;
[0024]4、沖擊力增效調(diào)控方便，通過工控機(jī)控制上電磁線圈、下電磁線圈中的電流大小，可以很方便的調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)激光誘導(dǎo)等離子體的縱向約束和壓縮能力，亦即調(diào)節(jié)約束力的大小，從而控制沖擊力增效的程度。因此，利用磁場(chǎng)對(duì)等離子體進(jìn)行約束，約束力可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行設(shè)定調(diào)節(jié)，并控制整個(gè)沖擊過程中的壓力的變化。
[0025]5、均勻性好、適應(yīng)性強(qiáng)，利用磁場(chǎng)約束，磁場(chǎng)約束力均勻分布，完全解決了實(shí)體約束層不均勻的問題，并且能對(duì)表面復(fù)雜或帶有凹凸坑的試件起到很好的約束作用，并且可以再任意傾角的工件上進(jìn)行加工，適應(yīng)性強(qiáng)。
[0026]6、裝置結(jié)構(gòu)簡單，磁極夾具相比傳統(tǒng)的流體約束層更加簡單，若工件較厚可不需要下下電磁線圈，單獨(dú)使用上電磁線圈，但此時(shí)上電磁線圈中需流過較大的電流。
[0027]7、操作方便，降低成本，不存在約束層的損耗問題，可以對(duì)試樣實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)多次和多點(diǎn)連續(xù)沖擊。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是激光沖擊強(qiáng)化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是磁約束原理圖；
[0030]圖3是有磁場(chǎng)和無磁場(chǎng)作用下激光沖擊產(chǎn)生殘余應(yīng)力對(duì)比圖；
[0031]圖中各標(biāo)號(hào)的含義如下:
[0032]1、工控機(jī)；2、激光器；3、光纖；4、激光加工頭；5、激光；6、上電磁線圈；7、上磁極夾具；8、吸收層；9、等離子體；10、下磁極夾具；11、下電磁線圈；12、磁感線；13、工件；14、帶電粒子。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明方法和裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層的激光沖擊強(qiáng)化裝置，包括工控機(jī)1、激光器2、光纖3、激光加工頭4、工件13、上電磁線圈6、上磁極夾具7、下電磁線圈11和下磁極夾具10 ；
[0035]激光器2通過光纖3與激光加工頭4相連，使得激光器2輸出的激光束5通過光纖3的傳導(dǎo)進(jìn)入激光加工頭4，然后經(jīng)過激光加工頭4出口處的聚焦透鏡，會(huì)聚輻照在工件13上需要進(jìn)行沖擊強(qiáng)化的區(qū)域表面；
[0036]上電磁線圈6安裝在上磁極夾具7上，下電磁線圈11安裝在下磁極夾具10上；
[0037]上磁極夾具7與下磁極夾具10通過上電磁線圈6與下電磁線圈11的磁力固定在工件表面；所述上電磁線圈6與下電磁線圈11均為中空結(jié)構(gòu)，使得激光束正好可從中穿過；
[0038]上電磁線圈6、下電磁線圈11和激光器2均與工控機(jī)I相連,工控機(jī)I控制上電磁線圈6、下電磁線圈11中的電流大小，并控制激光器2的脈沖輸出。
[0039]采用上述裝置進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的方法，包括如下步驟:
[0040]第一步:在工件13需要進(jìn)行沖擊強(qiáng)化的區(qū)域噴涂吸收層；
[0041]第二步:安裝工件13，使得工件13與激光加工頭4的空間方位滿足:激光束5通過光纖3傳導(dǎo)進(jìn)入激光加工頭4，然后經(jīng)過激光加工頭4出口處的聚焦透鏡，垂直輻照在第一步中工件13需要進(jìn)行沖擊強(qiáng)化的區(qū)域，并使聚焦焦點(diǎn)位于區(qū)域表面；
[0042] 第三步:調(diào)節(jié)上磁極夾具7與下磁極夾具10，使其與工件13的空間方位滿足:上磁極夾具7與下磁極夾具10通過上電磁線圈6與下電磁線圈11的磁力固定在工件13的表面，其中上電磁線圈6及下電磁線圈11為中空結(jié)構(gòu)，使得激光束5可以正好從中穿過，并使磁感線12的方向垂直于工件13的表面。由于形成磁約束的磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，因此上電磁線圈6及下電磁線圈11產(chǎn)生的吸力足以將上磁極夾具7與下磁極夾具10吸附于工件13上。若工件較厚可不需要下電磁線圈11，單獨(dú)使用上電磁線圈6，但此時(shí)上電磁線圈6中需流過較大的電流。
[0043]第四步:通過工控機(jī)I控制上電磁線圈6、下電磁線圈11中的電流大小，將上磁極夾具7及下磁極夾具10分別吸附于工件13預(yù)沖擊區(qū)域的正反面，并保證磁感線方向與激光入射方向一致；
[0044]第五步:工控機(jī)I控制激光器2產(chǎn)生脈沖的激光束5，激光束5通過光纖3傳輸后，經(jīng)由激光加工頭4的聚焦透鏡射出，激光束5穿過電磁線圈作用于工件13上噴涂有吸收層的需要進(jìn)行沖擊強(qiáng)化的區(qū)域，通過磁場(chǎng)對(duì)激光誘導(dǎo)等離子體的縱向約束，壓縮等離子體，限制其擴(kuò)散，產(chǎn)生激光沖擊強(qiáng)化效應(yīng)；
[0045]第六步:按第五步所述方法重復(fù)多次激光沖擊強(qiáng)化處理后，工控機(jī)I控制激光器2停止輸出激光束5 ；
[0046]第七步:取下工件13，清洗表面殘余吸收層。 [0047]本發(fā)明的原理如圖2所示，由于等離子體9由大量帶電粒子14組成，而帶電粒子14的運(yùn)動(dòng)受到磁場(chǎng)的控制，在圖2所示的磁場(chǎng)中上電磁線圈6及下電磁線圈11附近的磁場(chǎng)較強(qiáng)，而二者之間的磁場(chǎng)較弱，當(dāng)帶電粒子14向上擴(kuò)散時(shí)由于磁場(chǎng)洛倫茲力的作用，帶電粒子14的運(yùn)動(dòng)半徑越來越小速度越來越慢,當(dāng)帶電粒子14向上的運(yùn)動(dòng)速度減為零時(shí),磁場(chǎng)會(huì)迫使其反向運(yùn)動(dòng)，將其反射會(huì)磁場(chǎng)較弱區(qū)域，即工件13表面。這便形成了對(duì)等離子體9的縱向約束，從而形成了增加激光沖擊力的效果。
[0048]圖3所示為有磁場(chǎng)和無磁場(chǎng)作用下激光沖擊產(chǎn)生殘余應(yīng)力對(duì)比圖，其表面了有無磁場(chǎng)作用下，不同功率密度下，激光沖擊2024鋁合金的殘余應(yīng)力變化。其中2024鋁合金未經(jīng)激光沖擊處理時(shí)，它的表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，大小為40Mpa。圖3中a為無磁場(chǎng)時(shí)激光沖擊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，b為磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.7T時(shí)激光沖擊2024鋁合金表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，從圖中可以看出，在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力均大于無磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，說明磁約束確實(shí)起到了約束層的效果。
[0049]本發(fā)明可改變?yōu)槎喾N方式對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，這樣的改變不認(rèn)為脫離本發(fā)明的范圍。所有這樣的對(duì)所述領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的修改，將包括在本權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層的激光沖擊強(qiáng)化裝置，其特征在于，包括工控機(jī)(I)、激光器(2)、光纖(3)、激光加工頭(4)、工件(13)、上電磁線圈(6)、上磁極夾具(7)、下電磁線圈(11)和下磁極夾具(10)； 激光器(2)通過光纖(3)與激光加工頭(4)相連，使得激光器(2)輸出的激光束(5)通過光纖(3)的傳導(dǎo)進(jìn)入激光加工頭(4)，然后經(jīng)過激光加工頭(4)出口處的聚焦透鏡，會(huì)聚輻照在工件(13)上需要進(jìn)行沖擊強(qiáng)化的區(qū)域表面； 上電磁線圈(6)安裝在上磁極夾具(7)上，下電磁線圈(11)安裝在下磁極夾具(10)上； 上磁極夾具(7)與下磁極夾具(10)通過上電磁線圈(6)與下電磁線圈(11)的磁力固定在工件表面；所述上電磁線圈(6)與下電磁線圈(11)均為中空結(jié)構(gòu)，使得激光束正好可從中穿過； 上電磁線圈(6)、下電磁線圈(11)和激光器(2)均與工控機(jī)⑴相連，工控機(jī)⑴控制上電磁線圈(6)、下電磁線圈(11)中的電流大小，并控制激光器(2)的脈沖輸出。
2.一種用磁場(chǎng)代替實(shí)體約束層的激光沖擊強(qiáng)化方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步:在工件(13)需要進(jìn)行沖擊強(qiáng)化的區(qū)域噴涂吸收層； 第二步:安裝工件(13)，使得工件(13)與激光加工頭(4)的空間方位滿足:激光束(5)通過光纖(3)傳導(dǎo)進(jìn)入激光加工頭(4)，然后經(jīng)過激光加工頭(4)出口處的聚焦透鏡，垂直輻照在第一步中工件(13)需要進(jìn)行沖擊強(qiáng)化的區(qū)域，并使聚焦焦點(diǎn)位于區(qū)域表面； 第三步:調(diào)節(jié)上磁極夾具(7)與下磁極夾具(10)，使其與工件(13)的空間方位滿足:上磁極夾具(7)與下磁極夾具(10)通過上電磁線圈(6)與下電磁線圈(11)的磁力固定在工件(13)的表面，其中上電磁線圈(6)及下電磁線圈(11)為中空結(jié)構(gòu)，使得激光束(5)可以正好從中穿過； 第四步:通過工控機(jī)(I)控制上電磁線圈(6)、下電磁線圈(11)中的電流大小，將上磁極夾具(7)及下磁極夾具(10)分別吸附于工件(13)預(yù)沖擊區(qū)域的正反面，并保證磁感線方向與激光入射方向一致； 第五步:工控機(jī)⑴控制激光器⑵產(chǎn)生脈沖的激光束(5)，激光束(5)通過光纖(3)傳輸后，經(jīng)由激光加工頭(4)的聚焦透鏡射出，激光束(5)穿過電磁線圈作用于工件(13)上噴涂有吸收層的需要進(jìn)行沖擊強(qiáng)化的區(qū)域，通過磁場(chǎng)對(duì)激光誘導(dǎo)等離子體的縱向約束，壓縮等離子體，限制其擴(kuò)散，產(chǎn)生激光沖擊強(qiáng)化效應(yīng)； 第六步:按第五步所述方法重復(fù)多次激光沖擊強(qiáng)化處理后，工控機(jī)(I)控制激光器(2)停止輸出激光束(5)； 第七步:取下工件(13)，清洗表面殘余吸收層。
【文檔編號(hào)】C21D10/00GK104004900SQ201410258258
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】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(qǐng)人:溫州大學(xué)