一种控制液体约束层厚度的激光冲击方法及装置

摘要

本发明公开了一种控制液体约束层厚度的激光冲击方法及装置，涉及激光成形技术领域，特指一种在脉冲激光冲击成形时，控制液体约束层厚度的方法和装置。通过液层厚度传感器向计算机控制系统反馈冲击点液层厚度信号来控制旋转台的转速，使液体约束层在旋转离心力作用下中心液面下凹形成所需的约束层厚度。本发明具有液体约束层能够稳定贴合凹陷板料表面，约束层厚度可以精确控制，便于脉冲激光连续冲击成形，装置简单不受温度限制等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及激光成形技术领域，，特指一种在脉冲激光冲击成形时，控制液体约束层厚度的方法和装置。

背景技术

激光冲击成形是一种利用激光和物质相互作用产生冲击波的力效应使板料发生塑性变形的成形方法，是一种集板料成形和强化于一体的先进成形技术，特别适合于有抗疲劳及抗应力腐蚀要求的板料成形。激光冲击成形时压力高，冲击波压力可以达到GPa量级；速度快，在几十纳秒内完成塑性变形；应变率高，达到10⁷～10⁹量级；成形无需模具，无需外力，只要调节激光脉冲参数和冲击轨迹就能控制成形量和成形形状，节省传统冲压成形中模具制造和调试时间，缩短产品制作周期。

约束层是指被覆盖在冲击板料表面对激光波长透明的一层物质，其最直接作用就是对等离子体的膨胀进行限制约束，不仅能大幅提高激光冲击波的峰值压力，而且能延长冲击波压力的作用时间，从而提高激光冲击波作用于靶材的冲击动量。约束层极大地提升激光冲击成形效果，被视为激光冲击技术中最为关键的技术之一。

查阅文献发现，专利中涉及的激光冲击约束层一般为水、玻璃、柔性贴膜等。玻璃刚性大，约束效果好，但是冲击容易破碎，柔性差，不能对曲面进行有效约束；美国专利US5744781“激光冲击处理的方法和装置”采用水为约束层，水约束层柔性好，能够贴合板料表面，但是约束层的厚度难以控制；专利号为02138338.3“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”的专利提出柔性贴膜作为约束层，柔性贴膜柔性好，厚度均匀可控，但是在冲击过程中需要不断更换，给连续冲击带来麻烦；甚至专利号为200410065544.2“以冰为约束层的激光冲击处理方法及其装置”的专利中提出冰为约束层，冰约束层刚度大，约束效果好，可以贴合曲面，但是曲面上冰约束层的厚度难以保证，而且冰在冲击破碎后还需重新凝结，给连续冲击造成麻烦。

发明内容

本发明专利的目的是为了克服在凹陷板料表面难以形成柔性好，厚度可控，便于激光连续冲击成形的约束层的问题，通过液层厚度传感器向计算机控制系统反馈冲击点液层厚度信号来控制旋转台的转速，使液体约束层在旋转离心力作用下中心液面下凹形成所需的约束层厚度。

本发明专利的装置描述如下：该装置由计算机控制系统、激光器、液层厚度传感器、反射镜、压边圈、密封圈、凹模、旋转台、数控工作台等组成。旋转台下端固定在数控工作台上，上端固定凹模。圆环形的压边圈将板料固定在凹模上，压边圈的下端面与板料之间设有密封圈，防止约束层液体在旋转过程中渗漏出来。板料上方设有液层厚度传感器，用来测量冲击点约束层的厚度。装置上方还设有反光镜，用来将脉冲激光反射到板料表面。激光器、液层厚度传感器、旋转台、数控工作台和计算机控制系统相连。

本发明专利的操作方法是：

凹模固定在旋转台上，圆环形的压边圈将板料固定在凹模上，使凹模、板料、压边圈的中心轴线和旋转台的旋转中心轴线重合；计算机控制系统设定约束层厚度以及激光冲击参数；喷嘴向板料表面提供约束层液体，计算机控制系统控制数控工作台调节激光冲击点位置位于板料中心；计算机控制系统控制旋转台旋转；液层厚度传感器实时检测冲击点上方约束层的厚度，并将测量信号反馈给计算机控制系统，通过计算机控制系统控制旋转台的转速，最终形成设定的约束层厚度；计算机控制系统控制激光器发出脉冲激光，经反射镜反射后激光束射向板料表面进行脉冲激光冲击成形。每次冲击完后计算机控制系统重新调节旋转台转速，在形成新的稳定约束层后进行下一次冲击，直至完成整个脉冲激光冲击成形。

除了单点多次冲击外，计算机控制系统控制数控工作台的移动，配合计算机控制系统控制激光器发射脉冲激光的频率还可以进行多点多次冲击。

本发明的有益效果是：

1)本发明专利可以简便地产生能够稳定贴合凹陷板料表面的约束层，约束层厚度可以精确控制，提升了激光冲击成形效果；2)本发明专利可以进行激光连续冲击成形；3)本发明专利的装置简单，操作简便，容易实现；4)本发明方法不仅适用于室温激光冲击，也适用于温成形激光冲击中约束层为液体的情况。

附图说明

图1本发明装置示意图。

图中，1.计算机控制系统 2.激光器 3.液层厚度传感器 4.反射镜 5.激光束 6.液体约束层7.压边圈 8.密封圈 9.板料 10.凹模 11.旋转台 12.数控工作台。

具体实施方式

本实例以直径40mm，厚0.3mm铝合金板料为例，结合图1说明如下：凹模10固定在旋转台11上，圆环形的压边圈7将板料9固定在凹模10上，使凹模10、板料9、压边圈7的中心轴线和旋转台11的旋转中心轴线重合；在计算机控制系统1设定约束层厚度以及激光冲击参数，约束层厚度2mm，脉冲激光脉宽为23ns，光斑半径4mm，能量8J；喷嘴向板料9表面提供约束层液体，计算机控制系统1控制数控工作台12调节激光冲击点位置位于板料9中心；计算机控制系统1控制旋转台11旋转；液层厚度传感器3实时检测冲击点上方约束层的厚度，并将测量信号反馈给计算机控制系统1，通过计算机控制系统1控制旋转台11的转速，最终形成2mm厚的约束层；计算机控制系统1控制激光器2发出脉冲激光，经反射镜4反射后激光束5射向板料9表面进行脉冲激光冲击成形。每次冲击完后计算机控制系统1重新调节旋转台11转速，在形成新的稳定约束层后进行下一次冲击，直至完成整个脉冲激光冲击成形。