[发明专利]一种激光冲击方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造与激光冲击强化技术领域，特别是涉及一种激光冲击方法及其装置。

背景技术

激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。它具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。

图1为现有的激光冲击强化示意图，如图1所示，高功率密度(GW/cm²量级)、短脉冲(10～30ns量级)的激光束101通过透明的约束层103作用于金属工件106表面所涂覆的能量吸收涂层104时，涂层104吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温(＞10K)、高压(＞1GPa)等离子体102。该等离子体102继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度的冲击波105作用于金属工件106表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为金属工件106表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。其中，涂层104的作用主要是保护金属工件106不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，目前常用的涂层材料有黑漆和铝箔等。约束层103除了能约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力外，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间，目前常用的约束层为流水、K9玻璃。

实现金属板料激光冲击强化或成形的前提是：等离子冲击波压力必须大于板料动态变形的强度阈值。为此，必须尽可能地提高等离子冲击波的压力。

提高等离子冲击波的压力最直接的办法莫过于提高激光脉冲的能量，但根据已有的研究，等离子冲击波的峰值压力与激光脉冲的功率密度成正比，故在一定范围内提高激光能量，是增大等离子冲击波压力的有效方法。但是，由于高功率固体激光器工作介质的激光损伤阈值约在10⁹W/cm²左右，若要获得更高功率的激光脉冲强度，就必须采用大口径工作介质及多级放大光路装置等手段，这样会导致激光装置的庞大复杂以及脉冲重复频率的降低。

所以，在激光功率密度相同的前提下，目前普遍采用的是约束层技术以实现增压。约束层可使向外喷溅的等离子体受到约束，阻碍等离子体的膨胀，从而产生更高的冲击波压力。已有激光冲击强化的研究结果表明，采用约束层技术可使冲击波压力比没有约束层时提高近一个数量级，冲击波的脉宽增大到激光脉宽的2～3倍。为了实现激光冲击装置的小型化和实用化，在进行激光冲击试验中采用的激光脉冲的功率密度为GW/cm²量级，因而对于合理选择和优化约束层，就显得尤为重要，这对于激光冲击技术的工程应用具有十分积极的意义。

在激光冲击强化技术研究中，目前国内外普遍采用或在研的约束层有：石英玻璃(或光学玻璃)、流水、柔性贴膜等。

最早人们以使用透明石英为主，这是由于大家普遍认为石英具有较高的声阻抗和较好的刚性，在一定的功率密度下能获得更高的峰压。但对透明容凝石英和纯净蒸馏水进行的对比试验表明，在激光功率密度为6×10⁴～6×10⁹W/cm²范围内，约束层材料的声阻抗对冲击波峰压的影响不像预计的那样大，当激光功率密度大于4×10⁹W/cm²时，两者的差别将消失。

按照上述理论，国外开始采用水作为约束层，水具有柔性约束的优点，可一定程度上增加冲击波峰压，对弯曲表面有自适应性。但水作为约束层时，由于等离子体对水的击穿电离效应，压力持续时间被大幅度减小，另外水对激光也有较强的吸收，会一定程度上影响冲击效果。水约束还需要大量的辅助装置，以保证水层的厚度和流速稳定，使用起来并不简单。另外由于吸收层大多使用黑漆涂层，黑漆受热汽化后，会进入流水中，对环境造成一定的污染。

目前国内激光冲击技术尚处于实验室研究阶段，大多仍然使用光学玻璃约束层来保证冲击效果。但玻璃约束层作为刚性材料，对约束平面的适应性极差，特别对激光冲击优势所在，如微孔、弯角等局部区域、非平面区域均无法应用；而且操作困难，每冲击一次即需要更换一次约束层，同时成本也非常高昂，只能适用于实验室研究阶段。另外玻璃作为一种脆性材料，在受到等离子冲击波作用后发生爆裂溅射，对操作人员和激光器均有一定程度的危险。