[发明专利]一种基于激光冲击波技术的复杂表面强化的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光表面处理领域，特指一种基于激光诱导冲击波技术的复杂表面强化的方法和装置，尤其适用于对小直径盲孔的孔壁、孔底以及孔周围表面同时进行激光冲击强化，以及对激光束无法直接照射到的表面进行冲击强化。

背景技术

激光冲击强化是利用激光束与工件表面材料(或涂布在工件表面的提高激光吸收率的材料，即吸收层材料)相互作用产生的冲击波作为力源，使工件表面材料发生塑性变形，从而使表面材料的组织致密化，并形成具有一定深度的残余应力层，达到提高工件疲劳强度、耐腐蚀性能的目的。(张永康等.基于激光冲击强化技术提高镁合金耐腐蚀性的方法.中国专利申请号：200610097397.6；H.Clauer，Allan；et al.United States Patent Application：20030024904；Sano；Yuji；et al.United States Patent Application：20070262063)。

现有的激光冲击强化技术只能对激光束直接照射到的表面进行强化，而对激光束无法照射到的表面直接进行冲击强化则比较困难；要对象小孔孔壁这类激光束无法直接照射到的表面进行激光冲击强化，必须使用反射锥这类装置。

张永康等在中国专利ZL200610096476.5中提出一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置，在该方法中，利用从小孔下方插入孔中的反射锥表面的吸收层材料吸收激光能量，吸收层材料气化、离化后形成冲击波，冲击波从反射锥表面向孔壁传播，从而实现对孔壁的强化。该方法适用于通孔的孔壁强化，不适用于盲孔，且必须根据孔的直径制作反射锥。

本发明提供一种不仅可以对激光可以直接照射到的表面进行冲击强化，还可以对激光束无法直接照射到的表面进行冲击强化的方法和装置，尤其适用于对小直径盲孔的孔壁、孔底以及孔周围表面同时进行激光冲击强化。

发明内容

本发明的目的是要提供一种激光冲击强化的方法和装置，它不仅可以对激光直接照射到的工件表面进行冲击强化，还可以对激光无法照射到的复杂表面进行激光冲击强化。

一种基于激光冲击波技术的复杂表面强化的方法，其特征在于：以粒度为纳米量级的激光吸收物质粉末与透明液体混合而成的悬浊液作为激光吸收材料，替代激光吸收层与约束层。

上述方法中，激光吸收物质粉末指碳粉或Al粉，透明液体指水或甘油。

上述方法中，悬浊液中的激光吸收物质粉末与透明液体的重量比为：碳粉占悬浊液总重量的1％～3％，若使用铝粉，则铝粉占悬浊液总重量的2％～5％。

本发明的原理是：将含有激光吸收物质的悬浊液覆盖工件表面，当激光束穿过悬浊液时，悬浊液中的激光吸收物质颗粒吸收激光能量气化、离化形成以该颗粒为核心的液下球面冲击波，在激光束传播方向所有颗粒吸收激光能量后的综合作用形成以激光束为中心的柱面波和垂直于激光束的近似平面波，其中柱面波向四周传播，可对激光无法直接照射到的表面进行冲击强化。

实施该方法的装置包括工件夹具系统、光学系统、控制系统，其特征在于：设有悬浊液补给回收系统，悬浊液补给回收系统包括储液桶、挡液板、加液泵、管道、喷嘴和电磁阀；喷嘴位于工作台上方，喷嘴通过管道依次与电磁阀、加液泵和储液桶依次相连。

上述装置中，挡液板安装在工作台四周，与储液桶相邻一面开口以便于悬浊液流回储液桶。

上述装置中，工件夹具系统包括工件、夹具和工作台；光学系统包括激光发生器和反射镜；控制系统包括悬浊液补给回收系统控制装置、计算机、工作台控制装置和激光发生器控制装置。

本发明的实施过程如下：

1.将粒度为纳米尺度的激光吸收物质粉末与透明液体混合、搅匀，然后用超声波进行处理，使激光吸收物质颗粒在透明液体中均匀分布；

2.将超声波处理后的悬浊液装入储液桶中；

3.用夹具将工件安装在工作台上；

4.启动加液泵，由计算机发出指令，通过悬浊液补给回收系统控制装置控制电磁阀的开度来调节悬浊液流量，使工件待强化表面处被悬浊液覆盖；

5.计算机发出指，通过激光发生器控制装置控制激光器按选定参数发出激光脉冲；

6.激光发生器发出的脉冲经反射镜反射后穿过待强化表面处的悬浊液，悬浊液中的激光物质吸收激光能量气化、电离形成冲击波，通过悬浊液传播到工件表面，对表面进行冲击强化；

7.计算机通过工作台控制装置调节工作台按预定轨迹运动，对工件表面进行逐点冲击，直到全部待强化表面冲击完毕。