基于空气层流的激光冲击波压力约束方法及装置

摘要

一种基于空气层流的激光冲击波压力约束方法及装置，利用温度差形成的空气层流对激光诱导冲击波压力进行约束，可以在0.7~2.5MPa空气压力下实现较好的约束效果，适用于高温激光冲击表面强化的场合。本发明装置包括激光冲击系统，冲击波约束系统，空气压缩系统三个组成部分，可以在80~500℃工件温度范围内对金属或合金材料进行激光冲击表面强化，并可保证优良以及稳定的冲击波压力约束效果，显著提高材料表面的力学性能，且具有装置简单，操作简单，生产效率高等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光加工技术，尤其是一种激光冲击加工技术，具体地说是一种利用温度差实现空气层流对激光冲击波压力进行约束的方法及装置。

背景技术

    激光冲击强化是利用激光诱导的冲击波压力进行材料改性的新技术，是一种有望替代传统机械喷丸强化改性的绿色制造技术。在此基础上，通过在一定的温度效应下对金属表面进行激光冲击，可以得到更高的位错密度以及位错缠结，同时伴随着动态应变时效和动态析出的出现。这些特点决定了在一定的温度效应下进行激光冲击能够达到比常温激光冲击更加优良的表面强化效果。激光诱导冲击，是使高能激光束照射在黑漆等吸收层上产生等离子体，因为等离子体能够快速吸收激光能量产生爆炸，从而产生冲击压力，激光诱导的冲击压力一般需要通过约束层的约束达到较好的喷丸效果。激光冲击最常用的约束层为流水层，但是由于流水在较高的温度下会产生气泡甚至汽化蒸发，这会阻碍激光在流水约束层中的传播，降低喷丸的效果，所以激光喷丸常用的流水约束层不能用于高温下的激光冲击强化。因此，如何在较高的温度下有效地约束激光诱导的冲击压力已经成为激光加工技术领域的焦点问题。

目前激光冲击波压力常用的约束方法有柔性约束和刚性约束。

柔性约束，主要是利用柔性介质对激光冲击产生的压力进行约束，包括流水约束以及柔性贴膜约束。流水约束，是在基体表面制造一层1~5mm的流水层，激光透过流水层在基体表面诱导产生等离子体爆炸，从而利用流水层对冲击压力进行约束。例如专利号为CN102212655A的专利申请，提出了一种激光冲击方法，激光冲击过程中使用水膜作为约束层，这种约束方法在常温下可以对激光诱导压力起到约束的效果，但是也存在以下几点不足：（1）流水约束层由于较低的沸点不适用于温度较高的场合；（2）流水约束层属于柔性约束，约束效果较差；（3）流水约束层由于流水厚度难以控制，所以基体表面残余应力不均匀，且无法适用于复杂表面。柔性贴膜，是在基体表面粘贴具有约束效果的柔性材料实现约束，例如专利号为CN1404954A的专利申请，提出了一种用于激光冲击处理的柔性贴膜，该方法利用有机硅凝胶材料制作成柔性贴膜，覆盖在基体表面实现约束，但是存在以下几点不足：（1）有机硅凝胶材料在高温下融化为液态，由于贴合过程中贴膜与基体之间很容易进入空气，所以溶化后形成气泡，降低约束效果；（2）激光冲击过程中等离子体温度极高，有机硅凝胶材料容易燃烧，降低约束效果，安全性不高。刚性约束，主要是通过刚性透明介质对激光诱导压力进行约束，目前主要是耐高压玻璃，例如K9玻璃。例如专利号为CN102492805A的专利申请，提出了一种采用深冷激光冲击强化金属材料的方法与装置，该方法在激光冲击过程中采用K9玻璃作为约束层对激光诱导压力进行约束，  虽然这种方法可以在常温以及低温下起到约束效果，但是在高温下还存在以下缺点：（1）由于激光诱导产生的冲击压力容易在玻璃上产生应力集中，从而导致玻璃上产生裂纹甚至破裂，降低喷丸效果；（2）K9玻璃在高温下会产生软化效应，更容易产生裂纹甚至断裂，从而导致喷丸的效果降低。

与本发明最为接近的为专利号为CN102560079A与CN 103266204 A的专利申请。专利号为CN102560079A的专利申请提出了一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置，该方法是采用高压气体连续喷射到基体表面，对激光诱导冲击压力进行约束，这种方法在常温下可以起到约束的效果，但是还存在以下缺点：（1）连续高压气体会影响等离子体在基体表面的凝聚，降低激光诱导冲击压力；（2）对于激光温喷丸而言，连续高压气体会明显降低基体表面的温度，从而该方法不适用于激光温喷丸的场合。专利号为CN 103266204 A的专利申请，提出一种提高激光高温喷丸约束效果的方法及装置，其利用高压脉冲气体产生的冲击压力对激光诱导等离子体爆炸产生的压力进行约束，它可以在不影响等离子体凝聚的同时解决流水等约束层不适用于激光温喷丸的问题，但是该方法还存在以下几个问题：（1）所需气体压力较高（≥500 MPa），这对气体管路以及空气压缩装置的要求极高，且容易出现泄露以及老化等问题；（2）由于激光作用时间较短，该方法对高压气体控制系统的精度要求较高，从而造成系统搭建和维护的成本较为高昂。

本发明提出了一种基于空气层流的激光冲击波压力约束方法及装置。该方法可以克服上述技术的缺点，适用于较高温度和复杂表面的情形，大幅提高激光温喷丸约束层的有效性和可靠性；同时降低了气体压力，减少了装置成本。

通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现利用空气层流对激光冲击波压力进行约束的方法及装置，本发明为首次提出该方法及装置。

发明内容

   本发明的目的是针对现有的高温激光冲击波约束存在的结构复杂、易造成约束介质损坏的问题，发明一种基于空气层流的激光冲击波压力约束方法，同时提供一种相配套的装置，以适用于较高温度和复杂表面的情形，大幅提高高温激光冲击约束层的有效性和可靠性；同时降低气体压力，减少装置成本。

本发明技术方案之一是：

一种基于空气层流的激光冲击波压力约束方法，它适用于高温激光冲击表面强化的场合，其特征是通过在导热率不同的上下壳之间设置绝热密封圈，在壳体内腔内形成温度差，工件表面空气受热急剧膨胀形成高压区，气流上升至壳体顶部以及靠近左右边缘区域时由于温度降低迅速冷却收缩形成低压区，同时气流始终在高低压区之间以层流方式快速流动，并对激光诱导的冲击波进行约束，以显著提高冲击波压力的约束效果。

本发明的步骤如下： 

（1）使用电磁夹具将覆盖铝箔的工件压紧于下壳的底平面，并开启加热平台将工件表面温度加热至预定温度（工件温度范围：80～500 ℃），计算机系统实时显示加热平台温度并对工件表面与加热平台之间的温差进行自动补偿；

（2）到达预定温度后，将耐高压玻璃、压盖、密封盖以及上壳的组合体与下壳使用夹具夹紧在一起，将空气压缩机与上壳之间使用转接接头连接完成后，开启空气压缩机，调整压缩机流量开关，观察压力表，使约束容器中的空气压力逐渐上升至0.7~2.5 MPa，上升至指定压力后，关闭空气压缩机与流量开关，实现保压；

（3）通过计算机系统控制激光器与两轴联动运动平台，对工件表面指定区域实施激光冲击表面强化，压缩气体由于上壳与下壳之间的温度差实现快速层流，对工件表面的激光冲击波压力进行约束；

（4）激光冲击强化完成后，关闭加热平台，并开启流量开关实现快速泄压，空气压力卸载后使用耐高温器械将上下壳分离，并将电磁夹具卸载，取出工件，然后使约束装置空冷至室温，最后关闭激光器、运动平台以及计算机系统并对系统进行维护。

本发明技术方案之二是：

一种基于空气层流的激光冲击波压力约束装置，其特征是它包括上壳5和下壳9，上壳5和下壳9相连，两者的结合面之间加装有隔热密封圈16，下壳体安装在加热平台10上，加热平台安装在两轴联动运动平台12上，加热平台和两轴联动运动平台12均与计算机系统24电气联接，工件14通过电磁夹具11固定在下壳9的底部，工件14的上表面设有约束层（铝箔）13；上壳5的上部加装有能透过激光器1发出的激光束并照射在工件14上的耐高压玻璃15；在上壳5上设有用于连接压缩机23的气管19的高压气体入口转接接头18和安全阀7。加热平台加热后在上壳和下壳组成的内腔内中形成温度差，工件表面空气受热急剧膨胀形成高压区，气流上升至壳体顶部以及靠近左右边缘区域时由于温度降低迅速冷却收缩形成低压区，同时气流始终在高低压区之间以层流方式快速流动，从而对激光诱导的冲击波进行约束。

所述的上壳5和下壳体6通过夹具8相连，在夹具8上设有使两者夹具的夹紧螺钉17。

耐高压玻璃15通过压盖6压装在密封盖3中，密封盖3安装在上壳体5上。

所述的密封盖与压盖以中心对称方式各加工有6个盲孔，便于螺纹旋紧。

所述的上壳5使用导热性能优良的铸造铝合金，便于在上下壳间形成温度差；下壳9采用45号钢，便于实现工件的电磁装夹，提高生产效率。

所述的压缩机23上设有安全阀22，安全阀22的额定压力设定为压缩机23的额定开启压力（>2.5 MPa），而安全阀7的额定压力为2.5 MPa，即为约束装置的压力上限。    

    本发明的有益效果是：

（1）     利用温度差形成的空气层流对激光冲击波压力进行约束，可以实现优良的约束性能，显著提高激光冲击波压力，适用于较高温度和复杂表面的激光冲击强化。

（2）     降低了气体压力，降低了装置的使用要求，减少了系统及维护成本。

（3）     操作简单，便于实现自动化操作。

附图说明

图1是本发明的基于空气层流的激光冲击波压力约束装置的结构示意图。

图2为本发明的密封盖与压盖的零件图，均以中心对称方式加工有6个盲孔。

图3为使用本发明的基于空气层流的激光冲击波压力约束装置得到的黄铜单点冲击效果图。

图中：1.激光器，2.反射镜，3.密封盖，4.橡胶密封圈，5.上壳，6.压盖，7.约束装置安全阀，8.夹具，9.下壳，10.加热平台，11.电磁夹具，12.两轴联动运动平台，13.约束层（铝箔），14.工件，15.耐高压玻璃，16.绝热密封圈，17.夹紧螺钉，18.转接接头，19.气管，20.流量开关，21.压力表，22.压缩机安全阀，23.空气压缩机，24.计算机系统。    

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1所示。

一种基于空气层流的激光冲击波压力约束方法，通过在导热率不同的上下壳5、9之间设置绝热密封圈16，在壳体内腔内形成温度差，工件表面空气受热急剧膨胀形成高压区，气流上升至壳体顶部以及靠近左右边缘区域时由于温度降低迅速冷却收缩形成低压区，同时气流始终在高低压区之间以层流方式快速流动，从而对激光诱导的冲击波进行约束，可以显著提高冲击波压力的约束效果，故适用于高温激光冲击表面强化的场合。其方法步骤如下：

（1） 使用电磁夹具11将覆盖铝箔13的工件14压紧于下壳9内的底平面，并开启加热平台10将工件14表面温度加热至预定温度（工件温度范围：80～500 ℃），计算机系统24实时显示加热平台10温度并对工件14表面与加热平台10之间的温度差进行自动补偿。

（2） 到达预定温度后，将耐高压玻璃15、压盖6、密封盖3及上壳5的组合体与下壳9使用夹具8夹紧在一起，将空气压缩机23与上壳5之间使用转接接头18连接完成后，开启空气压缩机23，调整压缩机流量开关20，观察压力表21，使约束容器中的空气压力逐渐上升至0.7~2.5 MPa，上升至指定压力后，关闭空气压缩机23与流量开关20，实现保压。

（3） 通过计算机系统24控制激光器1与两轴联动运动平台12，对工件14表面指定区域实施激光冲击表面强化，压缩气体由于上壳5与下壳9之间的温度差实现快速层流，对工件14表面的激光冲击波压力进行约束。

（4） 激光冲击强化完成后，关闭加热平台10，并开启流量开关20实现快速泄压，空气压力卸载后使用耐高温器械将上下壳5、9分离，并将电磁夹具11卸载，取出工件14，然后使约束装置空冷至室温，最后关闭激光器1、运动平台12以及计算机系统24并对系统进行维护。

实施例二。

如图1-2所示。

一种基于空气层流的激光冲击波压力约束装置，它包括：激光器1，反射镜2，密封盖3，橡胶密封圈4，上壳5，压盖6，约束装置安全阀7，夹具8，下壳9，加热平台10，电磁夹具11，两轴联动运动平台12，铝箔13，工件14，耐高压玻璃15，绝热密封圈16，夹紧螺杆17，转接接头18，气管19，流量开关20，压力表21，压缩机安全阀22，空气压缩机23和计算机系统24，如图1。其中，使用电磁夹具11将覆盖铝箔13的工件14压紧于下壳9的底平面，并将下壳9放置于运动平台12上的加热平台10上表面；耐高压玻璃15使用压盖6压紧在密封盖3的内孔内，压盖6与密封盖3内孔间采用螺纹连接，且在耐高压玻璃15与压盖6和密封盖3间设置橡胶密封圈4实现密封；密封盖3与上壳5之间采用螺纹连接，两者间同样设置橡胶密封圈4实现密封，螺纹连接时可采用密封胶带或密封泥实现密封，密封盖3与压盖6以中心对称方式各加工有6个盲孔，如图2所示，便于螺纹旋紧。上壳5侧面设置约束装置安全阀7，两者之间使用螺纹实现连接，螺纹连接时同样可采用密封胶带或密封泥实现密封；上壳5与下壳9之间使用绝热密封圈16，然后将上壳5与下壳9之间使用夹具8连接在一起，夹紧方法为使用夹紧螺杆17实现夹紧；通过转接接头18、气管19以及流量开关20将约束装置上壳5与空气压缩机23相连接，转接接头18与上壳5以及流量开关20与空气压缩机23之间均采用螺纹连接，气管19与转接接头18和流量开关20之间均使用紧固环固定，同时空气压缩机23上设置有压力表21以及压缩机安全阀22；使用数据线将运动平台12，加热平台10以及激光器1连接于计算机24系统上实现集成控制，激光器1光路上设置若干调整光路的反射镜2。密封盖3与压盖6以中心对称方式各加工有6个盲孔，便于螺纹旋紧。约束装置中采用的若干螺纹连接均采用密封胶带或密封泥实现密封。上壳5使用导热性能优良的铸造铝合金，便于在上下壳之间形成温度差；下壳9采用45号钢，便于实现工件的电磁装夹，提高生产效率。 压缩机安全阀22的额定压力设定为压缩机23的额定开启压力（>2.5 MPa），而约束装置安全阀7的额定压力为2.5 MPa，即为约束装置的压力上限。

实例一。

    以黄铜H68为例，采用本发明的基于空气层流的激光冲击波压力约束方法，通过在壳体内腔内形成温度差引起空气层流而对激光诱导的冲击波进行约束，从而显著提高冲击波压力的约束效果。其方法步骤如下：

（1）使用电磁夹具11将覆盖铝箔13的黄铜工件14压紧于下壳9的底平面，并开启加热平台10将工件14表面温度加热至预定温度250 ℃，计算机系统24实时显示加热平台10温度并对黄铜工件14表面与加热平台10之间的温度差进行自动补偿。

（2）到达250 ℃后，将耐高压玻璃15、压盖6、密封盖3及上壳5的组合体与下壳9使用夹具8夹紧在一起，将空气压缩机23与上壳5之间使用转接接头18连接完成后，开启空气压缩机23，调整压缩机流量开关20，观察压力表21，使约束容器中的空气压力逐渐上升至1.5 MPa，上升至指定压力后，关闭空气压缩机23与流量开关20，实现保压。

（3）通过计算机系统24控制激光器1与两轴联动运动平台12，对工件14表面指定区域实施激光冲击表面强化，压缩气体由于上壳5与下壳9之间的温度差实现快速层流，对工件14表面的激光冲击波压力进行约束。

（4）激光冲击强化完成后，关闭加热平台10，并开启流量开关20实现快速卸压，空气压力卸载后使用耐高温器械将上下壳5、9分离，并将电磁夹具11卸载，取出工件14，然后使约束装置空冷至室温，最后关闭激光器1、运动平台12以及计算机系统24并对系统进行维护。

    使用上述方法在黄铜H68表面的得到的凹坑形貌如图3所示，可以看到基于空气层流约束方法得到的凹坑边缘光滑，单次冲击之后的凹坑深度高达44μm，表现出较好的冲击波压力约束效果。

实例二 。

    一种基于空气层流的激光冲击波压力约束装置，如图1所示，使用电磁夹具11将覆盖铝箔13的黄铜H68工件14压紧于下壳9的底平面，并将下壳9放置于运动平台12上的加热平台10上表面；耐高压玻璃15使用压盖6压紧在密封盖3的内孔内，压盖6与密封盖3内孔间采用螺纹连接，且在耐高压玻璃15与压盖6和密封盖3间设置橡胶密封圈4实现密封；密封盖3与上壳5之间采用螺纹连接，两者间同样设置橡胶密封圈4实现密封，上壳5侧面设置约束装置安全阀7，两者之间使用螺纹实现连接；上壳5与下壳9之间使用绝热密封圈16，然后将上壳5与下壳9之间使用夹具8连接在一起，夹紧方法为使用夹紧螺杆17实现夹紧；通过转接接头18、气管19以及流量开关20将约束装置上壳5与空气压缩机23相连接，转接接头18与上壳5以及流量开关20与空气压缩机23之间均采用螺纹连接，气管19与转接接头18和流量开关20之间均使用紧固环固定，同时空气压缩机23上设置有压力表21以及压缩机安全阀22；使用数据线将运动平台12，加热平台10以及激光器1连接于计算机24系统上实现集成控制，激光器1光路上设置若干调整光路的反射镜2。上壳5使用导热性能优良的铸造铝合金，下壳9采用45号钢。约束装置中采用的若干螺纹连接均采用密封胶带或密封泥实现密封。密封盖3与压盖6以中心对称方式各加工有6个盲孔，便于螺纹旋紧，如图2所示。压缩机安全阀22的额定压力设定为压缩机23的额定开启压力（4.0 MPa），约束装置安全阀7的额定压力为2.5 MPa，即为约束装置的压力上限。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。