针对工件表面的激光冲击强化装置及激光冲击强化处理方法

摘要

本发明提供了一种针对工件表面的激光冲击强化装置。该装置中包括谐振腔，选用流体作为约束层，并且该约束层被限制在谐振腔内。利用该装置进行激光冲击强化处理时，由于谐振腔的存在，使原本向外散失的冲击波得到利用，通过谐振腔的反射和聚波作用形成复合冲击波，两次或更多次地作用于工件表面，实现一个脉冲多次冲击的效果，大大提高了能量利用率；同时，由于流体约束层被限制在谐振腔内，形状固定，从而有效解决了现有技术中流体约束层厚度难以控制，稳定性差的问题。因此，该装置能提高激光冲击强化的效果和可靠性具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及针对工件表面的激光冲击强化技术领域，具体涉及一种针对工件表面的激光冲击强化装置及利用该装置对工件表面进行激光冲击强化处理的方法。 

背景技术

激光冲击强化技术是一种将强激光产生的超高压冲击波用于工件表面进行激光冲击强化处理的技术。目前，激光冲击强化技术已经在航空、船舶、机械工程等领域得到了广泛应用，尤其是用于飞机发动机叶片的抗疲劳处理。 

现有的针对工件表面的激光冲击强化装置包括激光发生单元，位于工件表面的吸收保护层，以及位于吸收保护层表面的约束层。约束层的功能是让激光能量穿过并作用于吸收保护层，同时还要尽可能多地提供等离子体膨胀时的反作用力，提高冲击波耦合效率。目前国内外普遍采用光学玻璃等固体材料作为约束层，或者采用厚度约为0.5-1mm的水膜等柔性材料作为透明约束层。吸收保护层的功能是吸收激光，产生等离子体，同时具有阻挡能力，避免激光及等离子体对工件的损伤。目前普遍使用油漆、柔性胶带或一定厚度的金属箔片等作为吸收保护层。 

该激光冲击强化处理过程如图1所示：利用短脉冲(一般在50纳秒以内)、高功率密度(GW/cm²)的激光通过透明约束层，作用于金属等工件表面所涂覆或帖附的吸收保护层上；吸收保护层吸收激光能量后迅速气化，形成稠密的高温、高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量后急剧升温膨胀，形成冲击波，冲击波强度可达数个GPa（10⁹Pa）量级，远高于许多工件材料的屈服强度；该冲击波穿过吸收保护层，作用于工件表面并向其内部传播，使工件表面产生塑性变形和残余压应力场，导致表层材料的塑形变形，位错密度增加，导致晶粒细化，压应力和硬度升高，从而显著提高材料的抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能。 

例如，美国专利US5744781“激光冲击处理的方法和装置”、中国专利CN102212655B“一种激光冲击方法”、CN1102962C“采用低能激光的激光冲击处理”和CN101831529B“曲轴圆角激光冲击处理强化方法”等都是采用该激光冲击强化过程。但是，从图1中可以明显地看出施加在工件表面的吸收保护层吸收激光能量后形成的等离子体冲击波只有大约一半作用于工件表面，而其余一半则向外散失。也就是说，现有的激光冲击强化过程中将近50%的能量损失了，其能量利用率很低。因此，为了实现预定的处理效果，只好提高激光能量，目前激光冲击强化中的激光普遍倾向于使用脉冲能量远远超过一焦耳的纳秒脉冲。但是，这样的激光器售价昂贵，同时，由于激光系统工作于极限状态而可靠性偏低。因此，有必要提高激光冲击强化的能量利用效率，以降低对激光系统的能量要求，从而在保证激光可靠性的前提下提高处理效果。 

另外，对于约束层而言，水膜因其成本低、柔性好、可循环使用和对复杂曲面的适用性强等优点而被广泛使用；但是，水膜作为约束层却存在如下问题：（1）约为0.5-1mm的水膜厚度在实际的操作过程中很难稳定控制，例如，目前一般采用喷嘴从侧面施加水膜，但水膜的厚度却容易随着工件形状、位置的变化而发生变化，另外，加工过程中的冲击波容易造成水膜的破裂、溅射，从而影响加工的一致性和光路器件的可靠性；（2）相对于固体约束，水膜的约束刚性不足，因此对冲击波的约束效果不佳，容易出现不稳定约束等状况，最终导致激光冲击强化效果的削弱。 

相对于水膜，玻璃等固体类约束层对激光冲击波的约束效果较好。但是，其加工适应性差，无法满足形状比较复杂的局部冲击区域；另外，玻璃在等离子体和冲击波的作用下会发生碎裂，因此一般仅适应于单次冲击，很难重复使用。 

专利号为ZL02138338.3的发明专利“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”是利用两种不同组分的有机硅胶和添加剂，按一定的比例配比调和固化后形成约束层，再在其上喷涂86-1型黑漆的能量吸收保护层，形成集能量吸收保护层和约束层一体的柔性贴膜。该柔性贴膜虽然能形成集能量吸收保护层和约束层一体的柔性贴膜，但是其约束刚度达不到玻璃那样的约束强度，并且存在气泡等潜在质量隐患，同时柔性贴膜制作过程复杂、繁琐，不利于其在本领域的推广使用。 

发明内容

本发明的技术目的是针对上述现有激光冲击强化技术中存在的不足，提供一种针对工件表面的激光冲击强化装置，利用该装置对工件表面进行激光冲击强化，提高激光冲击强化的效率及可靠性。 

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种针对工件表面的激光冲击强化装置，包括激光发生单元，位于工件表面的吸收保护层，以及位于吸收保护层表面的约束层，激光发生单元所产生的激光通过约束层后作用于吸收保护层，吸收保护层形成等离子体冲击波作用于工件表面；其特征是： 

还包括一端开口的谐振腔，所述的谐振腔设置激光入口，用于将激光发生单元所产生的激光输入谐振腔；所述的谐振腔还设置流体入口，所述的约束层是通过该流体入口注入的流体； 

所述的谐振腔的开口端面与吸收保护层相接触，使所述的约束层被限制在谐振腔内。 

所述的工件指应用于工业技术领域的制件，包括任何可以在激光冲击波作用下产生塑性变形和残余压应力场的制件，如金属制件等。 

所述的谐振腔体材料不限，一般选用具备较高冲击波耐受度和反射度的材料，包括但不限于金属，如SS304不锈钢，高密度的钨合金等，以及陶瓷材料等。 

所述的谐振腔体内表面的具体形状不限，按照可以产生高效率冲击波谐振聚集的形状加工而成，包括椭球形和抛物面形等。 

所述的谐振腔的开口端形状不限，可以是圆形、正方形、长方形等。 

所述的流体包括任何适合于光能传输的气体和液体。气体包括但不限于空气、氮气等。流体包括但不限于水及其溶液。 

所述的吸收保护层材料不限，包括金属箔片、黑漆和胶带等。 

所述激光发生单元产生的激光的波长不限，只要能用于在谐振腔内产生所需的冲击波就可以使用，包括10640/1064/800/532/517/355纳米等。 

综上所述，本发明提供的针对工件表面的激光冲击强化装置中包括谐振腔，选用流体作为约束层，并且该约束层被完全或者部分限制在谐振腔内。利用该装置进行激光冲击强化处理时，其处理过程如图2所示。即，工作状态时，来自激光发生单元的激光穿过谐振腔内的流体作用于吸收保护层，吸收保护层吸收激光能量后气化产生等离子体，该等离子体继续吸收激光能量后膨胀形成高强度的球面冲击波，该球面冲击波的具体传播过程A如下： 

传播过程A：一部分球面冲击波作用于工件并向其内部传播，另一部分球面冲击波传向谐振腔内表面； 

传向谐振腔内表面的球面冲击波经过该谐振腔内表面反射后再次形成球面冲击波，重复上述传播过程A； 

如此重复多次传播过程A。即，由于谐振腔的存在，使原本向外散失的冲击波得到利用，在谐振腔的反射和聚波作用下，使一个激光脉冲诱发的冲击波可以形成复合冲击波，两次或更多次地作用于工件表面，实现一个脉冲多次冲击的效果，大大提高了能量利用率。 

图3是现有的激光冲击强化装置中激光脉冲诱发的冲击波形与本发明的带谐振腔的激光冲击强化装置中激光脉冲诱发的波形对比示意图。即，现有的激光冲击强化装置中由于没有谐振腔，一个脉冲只产生一个有效的冲击峰，随后衰减，冲击波的持续时间较短，约为激光脉冲宽度的1-3倍，其波形如图3A所示。而本发明的激光冲击强化装置中包括谐振腔，波形如图3B所示，直接传向工件的冲击波形成第一个波峰，远离工件的冲击波经谐振腔反射、汇聚后形成第二个波峰，如此重复反射，形成两个或多于两个的有效冲击波，大大提高了能量利用率，从而提高了激光冲击强化效果。 

另一方面，本发明的激光冲击强化装置中选用流体作为约束层，并且该约束层被限制在谐振腔内，从而使流体约束层形状固定，有效解决了现有技术中流体约束层厚度难以控制，稳定性差的问题。 

为了进一步对上述激光冲击强化装置进行优化，本发明还提出了以下优化措施。 

考虑到在冲击波经谐振腔内发射聚焦再次形成冲击波的过程中可能形成气泡而影响再次冲击强化的效果。作为优选，所述的谐振腔还设置流体出口，所述的流体通过流体入口注入，通过流体出口流出，形成流动状态。该优化的措施具 有如下优点： 

（1）使所述的流体真正流动起来，一方面利用流体的流动减少再次形成冲击波的过程中形成气泡，另一方面即使该过程中形成少量的气泡，该流体的流动也能迅速将气泡带出谐振腔，保持激光光路的稳定性，有利于降低该气泡对冲击强化效果的负面影响； 

（2）由于设置了流体出口，能够引导和调整谐振腔内压力，从而能够控制谐振腔体与工件之间的间距。 

为了减少谐振腔内的流体在吸收保护层与谐振腔的连接处溢出，作为优选，谐振腔与吸收保护层的连接处设置密封垫圈。 

本发明中，谐振腔的开口端面与吸收保护层相接触，所述的接触包括密闭接触与非密闭接触。由于本发明中约束层是流体，当谐振腔的开口端面与吸收保护层为密闭接触时，流体被完全限制在谐振腔内，无溢出。但是在实际应用中，控制谐振腔的开口端面与吸收保护层为密闭接触的难度较大。当谐振腔的开口端面与吸收保护层并非密闭接触时，将有少量流体会在该处溢出。但是，该溢出并不妨碍本发明的有效性，相反，少量流体的溢出有助于减少谐振腔体对吸收保护层的摩擦力。 

为了便于激光通过激光入口高效进入谐振腔，作为优选，在激光产生单元与激光入口之间设置导光单元，以使激光产生单元所产生的激光高效通过激光入口进入谐振腔。该导光单元可以是由反射镜片组成的柔性光管系统，也可以是光纤等。 

为了避免工作状态时等离子体冲击波以及流体在激光入口处的散失，作为优选，激光入口处设置垫片A、耐高压透明窗口片和垫片B。耐高压透明窗口片位于垫片A与垫片B之间，其材料包括但不限于石英片、透镜片等。 

利用本发明激光冲击强化装置对工件进行强化处理的处理方法如下： 

步骤1、工件进行清洗处理后在表面施加吸收保护层； 

步骤2、将谐振腔的开口端面与吸收保护层表面相接触，通过流体入口向谐振腔内注入流体； 

步骤3、激光发生单元所产生的激光经激光入口进入谐振腔，通过流体作用于吸收保护层，形成冲击波，该冲击波的传播过程A如下： 

一部分冲击波直接作用于工件对工件进行强化，另一部分冲击波传向谐振腔内表面，经谐振腔内表面反射、聚波后再次形成冲击波，重复所述的传播过程A； 

如此重复多次后，关闭激光发生单元； 

步骤4、取下工件，清洗表面残余吸收保护层。 

所述的步骤1中，在工件表面施加吸收保护层的方法包括但不限于油漆，胶带和金属箔片。 

为了对工件表面不同区域进行激光冲击强化，作为优选，在处理过程中，对谐振腔开口端面与吸收保护层表面的接触位置进行调整，即，所述的步骤3之后进行一次或多次如下步骤3’，然后进行步骤4： 

步骤3’：改变谐振腔的开口端面与吸收保护层表面的相接触位置，重复步骤3； 

其中，步骤3’中，改变谐振腔的开口端面与吸收保护层表面的相接触位置的方式不限。例如，可以通过采用运动系统使工件和激光冲击强化装置产生相对运动，包括仅工件移动、仅激光冲击强化装置移动，或者两者均移动的形式，以适应各种尺寸的工件处理要求。 

为了进一步加强工件的激光冲击强化效率，作为优选，采用两组装置对工件的上下两面同时进行强化处理的方法，具体处理过程如下： 

步骤1、工件进行清洗处理后在上、下表面分别施加吸收保护层； 

步骤2、将两组激光冲击强化装置中的两个谐振腔的开口端面分别与吸收保护层上、下表面相接触，然后分别通过流体入口向谐振腔内注入流体； 

步骤3、将两组激光冲击强化装置中的激光发生单元所产生的激光分别经两个激光入口进入谐振腔，通过流体作用于吸收保护层，吸收保护层形成冲击波，该冲击波的传播过程A如下： 

一部分冲击波直接作用于工件对工件进行强化，另一部分冲击波传向谐振腔内表面，经谐振腔内表面反射、聚波后再次形成冲击波，重复所述的传播过程A； 

如此重复多次后，关闭激光发生单元； 

步骤4、取下工件，清洗表面残余吸收保护层。 

上述两种处理方法中，考虑到冲击波经谐振腔内发射聚焦再次形成冲击波的过程中可能形成气泡而影响再次冲击强化的效果，作为优选，谐振腔还设置流体出口，在所述的步骤2中，所述的流体通过流体入口注入，通过流体出口流出，形成流动状态。 

附图说明

图1是现有的激光冲击强化处理过程示意图； 

图2是利用本发明的激光冲击强化装置进行的激光冲击强化处理过程示意图； 

图3是现有的激光冲击强化装置与本发明的激光冲击强化装置中激光脉冲诱发的冲击波形对比图； 

图4是本发明实施例1中以水为约束介质的激光冲击强化装置示意图； 

图5是本发明实施例1中采用光学器件搭建的导光单元； 

图6是本发明实施例1中采用多关节导光臂的导光单元； 

图7是本发明实施例1中采用特种光纤的导光单元； 

图8是本发明实施例1中冲击加工中的三种运动模式； 

图9是本发明实施例1中谐振腔的出口端面的不同形状示意图； 

图10是具有图9所示端面形状的谐振腔的冲击区域的叠加轨迹； 

图11是本发明实施例1中采用的双向冲击强化系统示意图； 

图12是本发明实施例2中以空气为约束介质的激光冲击强化装置示意图。 

附图中的标号为：1.流量调节阀；2.水箱；3.微型水泵；4.工件；5.流体出口；6.吸收保护层；7.第二连接端口；8.管道；9.计算机；10.激光发生单元；11.光传输单元；12.光传输单元接头；13.激光入口；14.平凸准直镜；15.平凸聚焦镜；16.垫片A；17.耐高压玻璃；18.垫片B；19.谐振腔；20.去离子水；21.第一连接端口；22.流体入口；23.密封垫圈。 

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。 

实施例1： 

本实施例中，激光冲击强化装置如图4所示，包括激光发生单元10，一端开口的谐振腔19，该谐振腔19的开口端面与吸收保护层6的表面相密闭接触，形成“倒扣”结构。该谐振腔19还设置激光入口13、流体入口22以及流体出口5。 

待处理工件4表面为吸收保护层6，本实施例中，工件4为金属工件，吸收保护层6为铝箔。吸收保护层6表面为约束层20。该约束层20处于谐振腔19内，是通过流体入口22注入的去离子水。该去离子水是微型水泵3将外部水箱2中的去离子水通过管道8经流体入口22泵入谐振腔19内，经流体出口5泵出谐振腔19，形成循环流动状态。管道8与流体入口22的连接端口为第一连接端口21，管道8与流体出口5的连接端口为第二连接端口7。还设置流量调节阀检测流体流量。 

为了便于激光通过激光入口13高效、稳定地进入谐振腔19，在激光发生单元10与激光入口13之间设置导光单元，以使激光产生单元所产生的激光高效通过激光入口进入谐振腔。该导光单元由光传输单元11、光传输单元接头12、平凸准直镜14与平凸聚焦镜组成。在实际应用中，该导光单元还可以采用其他形式，如图5所示是采用光学器件搭建的导光单元，图6所示是采用多关节导光臂的导光单元；如图7所示是采用特种光纤的导光单元。 

为了避免工作状态时等离子体冲击波在激光入口13处的散失，在激光入口13处设置第一垫片16、耐高压玻璃17和第二垫片18。耐高压玻璃17位于第一垫片16与第二垫片18之间，其材料可以是石英片或者透镜片。 

为了加强谐振腔19与吸收保护层6相接触面的密闭性，在谐振腔19与吸收保护层6相接触的面设置了密封垫圈23。 

计算机9用于控制激光发生10与微型水泵3。 

利用该激光冲击强化装置对工件进行强化处理的处理方法如下： 

步骤（1）、用丙酮、酒精等液体对工件进行清洗、晾干，然后在将铝箔吸收保护层6涂覆在金属工件4表面； 

步骤（2）、将谐振腔19的开口端面与吸收保护层6表面通过密封垫圈23相密闭接触，然后启动水泵3经流体入口22让谐振腔19内充满去离子水20，并通过流体出口5使离子水20流动起来，调节流量调节阀1使去离子水20的流速为0.2ml/s左右； 

步骤（3）、计算机9控制激光发生单元10开启，该激光发生单元10为532纳米波长、25纳秒脉宽、1-10焦耳脉冲能量的Nd：YAG固体脉冲激光发生单元，调节脉冲激光装置10参数，使参数满足实验要求；激光束13从激光发生单元10发出，经过光传输单元11传送到光传输单元接头12，调节接头12里的平凸聚焦镜15上下距离使激光13通过去离子水作用在吸收保护层6上；吸收保护层6吸收激光能量迅速气化并迅速形成致密的高温高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量后膨胀形成高强度的球面冲击波，面向工件4的部分球面冲击波直接作用于工件4对工件4进行强化，其它部分球面冲击波作为入射波经谐振腔19内表面反射后在激光13的焦点附近形成聚焦反射波，再次成为冲击波重复前述过程，从而形成复合冲击波，两次或更多次地冲击强化工件4； 

步骤（4）：待激光冲击完后，在计算机9的控制下依次关闭激光发生单元10与水泵3，取下工件4，最后，去除工件4表面残余的吸收保护层6。 

为了使工件4表面不同区域进行激光冲击强化，本实施例采用运动系统使工件4和激光冲击强化装置产生相对运动。具体可以采用移动工作台使工件移动（如图8A所示），或者采用工业机器人使激光冲击强化装置移动（如图8B所示），或者两者均移动（如图8C所示）的形式，以适应各种尺寸的工件处理要求。 

具体处理方法为：在上述处理过程中，对谐振腔19开口端面与吸收保护层6表面的接触位置进行调整，即，上述步骤（3）之后进行一次或多次如下步骤（3’），然后进行步骤（4）： 

步骤（3’）：在运动系统的作用下，改变谐振腔19的开口端面与吸收保护层6表面的相接触位置，重复步骤（3）。 

在运动系统的作用下，工件表面的冲击区域形成叠加的轨迹。如图9与10所示，当谐振腔19的出口端面为图9所示不同形状（圆形、正方形或者矩形）时，所形成的冲击区域的叠加轨迹如图10所示。 

为了进一步加强工件4的激光冲击强化效率，还可以采用本实施中的两组激光冲击强化装置对该工件4的上下表面同时进行强化处理的方法，如图11所示，具体处理过程如下： 

步骤（1）、用丙酮、酒精等液体对工件4进行清洗、晾干，然后在将铝箔吸收层涂覆在金属工件4表面； 

步骤（2）、将两组激光冲击强化装置中的两个谐振腔的开口端面与吸收保护 层表面通过密封垫圈相密闭接触，然后分别启动水泵经各自流体入口让每个谐振腔内充满去离子水，并通过流体出口使离子水循环流动起来，调节流量调节阀用于调节去离子水的流速； 

步骤3、计算机控制该两组装置中的激光发生单元开启，分别调节激光单元参数，使其满足实验要求；激光从激光发生单元发出经过导光单元进入谐振腔，通过去离子水后作用在吸收保护层上；吸收保护层吸收激光能量迅速气化并迅速形成致密的高温高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量后膨胀形成高强度的球面冲击波，面向工件4的部分球面冲击波直接作用于工件4对工件4进行强化，其它部分球面冲击波作为入射波经谐振腔内表面反射后在激光的焦点附近形成聚焦反射波，再次成为冲击波重复前述过程，从而使工件上下表面均形成复合冲击波，两次或更多次地冲击强化工件4； 

步骤（4）：待激光冲击完后，在计算机的控制下依次关闭两激光发生单元与水泵，取下工件4，最后，去除工件4上下表面残余的吸收保护层。 

实施例2： 

本实施例中，激光冲击强化装置如图12所示，包括激光发生单元，一端开口的谐振腔，该谐振腔的开口端面与吸收保护层的表面非密闭接触，形成“倒扣”结构。该谐振腔还设置激光入口、流体入口以及流体出口。 

待处理工件表面为吸收保护层，本实施例中，工件为金属工件，吸收保护层为铝箔。吸收保护层表面为约束层。该约束层处于谐振腔内，是通过流体入口注入的气体，例如空气、氮气等。该气体是气体泵将外部气体罐中的气体经流体入口泵入谐振腔内，经流体出口泵出谐振腔，使气体形成流动状态。 

为了提高激光通过激光入口高效进入谐振腔，在激光发生单元与激光入口之间设置导光单元，以使激光产生单元所产生的激光高效通过激光入口进入谐振腔。该导光单元由光传输单元、光传输单元接头、平凸准直镜与平凸聚焦镜组成。在实际应用中，该导光单元还可以采用其他形式。 

为了避免工作状态时等离子体冲击波在激光入口处的散失，在激光入口处设置第一垫片、耐高压玻璃和第二垫片。耐高压玻璃位于第一垫片与第二垫片之间，其材料可以是石英片或者透镜片。 

谐振腔与吸收保护层相接触面是非密闭的，因此在该处将产生少量气体溢出，但是，该溢出并不妨碍本实施例的有效性，相反，少量溢出有助于减少谐振腔体对吸收保护层的摩擦力。 

利用该激光冲击强化装置对工件进行强化处理的处理方法类似实施例1中的处理方法，在此不再赘述。 

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。