以冰為約束層的雷射衝擊處理方法及其裝置的製作方法

2023-09-21 05:43:35

專利名稱：以冰為約束層的雷射衝擊處理方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械製造與雷射應用技術領域，特指一種以冰為約束層的雷射衝擊處理技術方法及其裝置。
背景技術：
雷射衝擊處理技術(LSP)是一種具有良好前景的加工手段，其原理是高能量短脈衝雷射誘導的衝擊波與材料相互作用。這一技術已在機械工程、航空航天、微電子、軍事等各行各業中得到了廣泛應用，目前該技術主要用於材料改性，衝擊成型，以及無損檢測等方面。
雷射衝擊處理技術中的約束層是指覆蓋在受衝擊材料表面的一層透明(對雷射波長有良好的穿透性)物質，其對雷射誘導的衝擊波起到了約束作用，從而有效加大了衝擊波對受衝擊材料的作用時間和作用力。所以約束層是雷射衝擊技術中最為關鍵的技術之一。
目前可查閱文獻，專利中的雷射衝擊處理的約束層一般為水或玻璃，如美國專利US5744781「雷射衝擊處理的方法和裝置」就是採用水為約束層，此外還有使用柔性貼膜作為約束層的，如我國專利CN 1404954「一種用於雷射衝擊處理的柔性貼膜」。水約束層裝置複雜，操作繁雜，增效效果不明顯；玻璃約束層則成本較高，衝擊時會產生玻璃碎片飛濺的現象，對儀器和人員存在安全隱患，而且清理也十分麻煩，此外一些特殊曲面(如曲面等)的工件也不能起到約束作用；而柔性貼模則雖然能解決前兩者的一些缺陷，但由於約束層為柔性，增效不如剛性的約束層明顯，且柔性貼膜的選材、製作要求較高，因此成本也相對較高。

發明內容
本發明的目的是使用一種新材料做約束層來解決現有約束層的缺陷。
一種以冰為約束層的雷射衝擊處理方法，其特徵在於；雷射衝擊之前可用定位基準座調校光路、光斑，在夾具底內部放入塗有能量吸收層的工件；旋轉螺旋壓塊至所需位置用於控制冰層高度，向螺旋壓塊的中孔內注淨水，略低於螺旋壓塊的底部，將注入水的夾具底座放入對準基座內；對注入水進行冷凍形成冰約束層，使得冰約束層與受衝擊工件在冰層形成時緊密結合，試樣的軸向和徑向均受到冰層約束；再次旋上螺旋壓塊直至冰約束層表面，使之緊密結合，實行雷射衝擊。
所述的一種以冰為約束層的雷射衝擊處理方法，其特徵在於冰約束層是使用高壓氮氣製冷系統對注入水迅速製冷得到的。
以冰為約束層的雷射衝擊裝置，包括產生雷射束的外光路系統、工件，其特徵在於採用冰約束層，以及使冰約束層快速形成的製冷系統、對冰約束層進行約束的螺旋壓塊，用於校對光路的定位基準座；其中，螺旋壓塊位於冰約束層上方，底部與冰層緊密貼合；冰約束層與工件緊密結合為一體，位與夾具底座的上方；夾具底座與定位基準座同心，並位於定位基準座上方；製冷系統經氮氣管路與冰約束層相連。
夾具、工件、和冰約束層在製備冰時形成一體。且冰層厚度＜10mm，冰層溫度-7℃左右。
由於冰層厚度，冰層的溫度，冰層的製備時間等參數，對冰晶體的均勻性，緻密性，以及對雷射能量的吸收均有重要的影響，是影響衝擊效果的重要參數。實驗表明，一般冰層厚度控制在10mm以下，冰的溫度控制在-7℃左右，在能量密度為GW/cm2級，脈衝時間為ns級的雷射衝擊中可以得到良好的衝擊效果。
實施過程為將定位基準座放在雷射光路系統中，調校好光路、光斑，在夾具底內部放入塗有能量吸收層的工件；旋轉螺旋壓塊至所需位置用於控制冰約束層高度，一般控制在10mm以內，向螺旋壓塊的中孔內注淨水，略低於螺旋壓塊的底部。將注入水的夾具底座放入定位基準座內，旋開螺旋壓塊然後用製冷裝置向工件吹入高壓氮氣，可快速地在工件表面形成所需厚度的冰層。再次旋上螺旋壓塊直至冰約束層表面，使之緊密結合。由於夾具與定位基準座同心，因此上述工作做好後即可實行衝擊。衝擊一次後，按照與第一次衝擊相同的方法可快速施行多次，多點雷射衝擊。
本發明的優點如下(1)取材簡單，只需使用普通的純淨水製備冰約束層；(2)由於水與試件在冰約束層製備完畢後與試件結合緊密，可以起到良好的約束作用；(3)冰由於是剛性材料，在約束衝擊波時，不會象柔性約束層吸收衝擊波的能量，因此能起到較好的增效效果；(4)可以對複雜表面的試件起到良好的約束作用；
(5)衝擊後冰塊迅速融化，對儀器和操作人員不存在安全問題，也無須清理；(6)由於可快速實現多點，多次衝擊，並且成本低廉，製備方便，可用於大規模的工業化生產。


圖1本發明裝置結構示意2圖1俯視3冰約束層衝擊效果圖(衝擊前)圖4冰約束層衝擊效果圖(衝擊後)①雷射光路系統 ②製冷系統 ③螺旋壓塊 ④冰約束層 ⑤受衝擊工件⑥夾具底座 ⑦定位基準座 ⑧雷射束 ⑨能量吸收塗層具體實施方式
如圖1所示，將定位基準座7放在雷射光路系統1中，調校好光路。在夾具底座6內部放入塗有能量吸收層9的受衝擊工件5，旋轉螺旋壓塊3至所需位置，用於控制冰層高度，向螺旋壓塊3的中孔內注淨水，略低於螺旋壓塊3的底部。將注入水的夾具底座6放入定位基準座7內，旋開螺旋壓塊3然後用製冷系統2向受衝擊工件5吹入高壓氮氣，可快速地在工件表面形成所需厚度的冰約束層4，一般冰約束層4厚度控制在10mm以內，冰的溫度控制在-7℃左右。夾具底座6、受衝擊工件5和冰約束層4在製備冰時形成一體。再次旋上螺旋壓塊3直至冰約束層4表面，使之緊密結合。由於夾具底座6與定位基準座7同心，因此上述工作做好後即可實行衝擊。衝擊一次後，按照與第一次衝擊相同的方法可快速施行多次，多點雷射衝擊。
如圖2、3、4所示，高能，短脈衝雷射束穿透冰層，能量吸收塗層吸收雷射能量，形成等離子體，迅速膨脹，在冰約束層的約束下，對工件產生強大的衝擊波，從而達到衝擊效果。
權利要求
1.一種以冰為約束層的雷射衝擊處理方法，其特徵在於雷射衝擊之前可用定位基準座(7)調校光路、光斑，在夾具底坐(6)內部放入塗有能量吸收層(9)的工件；旋轉螺旋壓塊(3)至所需位置用於控制冰約束層(4)高度，向螺旋壓塊(3)的中孔內注淨水，略低於螺旋壓塊(3)的底部，將注入水的夾具底座(6)放入定位基準座(7)內；對注入水進行冷凍形成冰約束層(3)，使得冰約束層(4)與受衝擊工件(5)在冰層形成時緊密結合，試樣的軸向和徑向均受到冰約束層(4)約束；再次旋上螺旋壓塊(3)直至冰約束層(4)表面，使之緊密結合，實行雷射衝擊。
2.根據權利要求1所述的以冰為約束層的雷射衝擊方法，其特徵在於冰約束層(3)是使用高壓氮氣製冷系統(2)對注入水迅速製冷得到的。
3.以冰為約束層的雷射衝擊裝置，包括產生雷射束的雷射光路系統(1)、受衝擊工件(5)，其特徵在於採用冰約束層(4)，以及快速製備冰約束層的製冷系統(2)、對冰約束層進行約束的螺旋壓塊(3)，用於校對光路的定位基準座(7)；其中，螺旋壓塊(3)位於冰約束層(4)上方，底部與冰層緊密貼合；冰約束層(4)與受衝擊工件(5)緊密結合為一體，位與夾具底座(6)的上方；夾具底座(6)與定位基準座(7)同心，並位於定位基準座(7)上方，製冷系統(2)經氮氣管路與冰約束層(4)相連。
4.根據權利要求3所述的以冰為約束層的雷射衝擊裝置，其特徵在於夾具底座(6)、受衝擊工件(5)和冰約束層(4)在製備冰時形成一體。
5.根據權利要求3所述的以冰為約束層的雷射衝擊裝置，其特徵在於冰層厚度＜10mm，冰層溫度-7℃左右。
全文摘要
本發明為一種以冰為約束層的雷射衝擊處理技術方法及其裝置，可用於大規模的工業化生產。其特徵在於採用冰約束層，以及使冰約束層快速形成的製冷系統對冰約束層進行約束的螺旋壓塊，用於校對光路的定位基準座；冰約束層與受衝擊工件在冰層形成時緊密結合，試樣的軸向和徑向均受到冰層約束；可較好實行雷射衝擊。由於冰在約束衝擊波時，不會象柔性約束層吸收衝擊波的能量，因此能起到較好的增效效果；且可以對複雜表面的試件起到良好的約束作用；衝擊後冰塊迅速融化，對儀器和操作人員不存在安全問題，也無須清理；且可快速實現多點，多次衝擊，並且成本低廉，製備方便。
文檔編號B23K26/14GK1608786SQ20041006554
公開日2005年4月27日 申請日期2004年11月23日 優先權日2004年11月23日
發明者張永康, 葛濤, 殷蘇民, 任旭東, 馮愛新, 周建忠, 張雷洪, 左敦穩 申請人:江蘇大學