[发明专利]以可流动液体为能量吸收层的激光冲击处理装置

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，特指一种以可流动液体作为能量吸收层的激光冲击处理方法及装置。

背景技术

激光冲击加工的典型工艺为：待加工工件表面依次覆盖吸收层和约束层，激光透过约束层，垂直照射工件，被吸收层吸收，吸收层气化、电离、爆炸、膨胀，在工件表面诱导高压机械冲击波，超高压机械冲击波作用于工件表面，在工件表面诱导残余压应力，上述力学效应可用于强化金属工件或者引起工件发生塑性变形。其中，约束层作用：通过限制等离子体扩张，增加冲击波幅值和延长冲击波作用时间，吸收层作用：吸收激光能量，并保护工件表面。目前，约束层一般为K9玻璃或者水，吸收层为铝箔或者固化黑漆。就工艺步骤而言，当前激光冲击加工，吸收层必须要在激光冲击加工前预先喷涂或者预先贴覆，一个激光脉冲作用于吸收层后，吸收层被烧蚀、气化、电离，其厚度一般都会变薄或者完全被破坏。若需要同点多次连续激光冲击，或者单位面积上高密度连续激光冲击，吸收层若不重涂或者更换，则后续激光脉冲的冲击处理效果难以保证，同时无吸收层保护的工件表面也会被激光烧蚀破坏。因此，在实际应用中，当吸收层变薄或者损坏后，为了避免工件表面被烧蚀破坏或者为保证冲击效果，通常采用厚度大一点的吸收层，或者离线再次喷涂或贴覆吸收层。可操作性差，效率低，非常影响激光冲击加工技术的推广应用。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提出了以可流动液体作为能量吸收层的激光冲击装置，该装置适用于同点多次连续激光冲击或者高密度连续激光冲击加工。

本发明所采用的技术方案如下：以可流动液体为吸收层的激光冲击处理装置，包括控制系统、约束层泵、吸收层泵、双通道管路、约束层、吸收层、工件，所述的双通道管路具有两个相互隔离的约束层通道和吸收层通道，所述约束层泵经管道与约束层通道连接，所述吸收层泵经管道与吸收层通道连接；所述双通道管路置于工件待冲击表面的一侧，所述吸收层通道紧贴工件待冲击表面；所述控制系统分别与约束层泵和吸收层泵连接，所述控制系统用于控制约束层泵和吸收层泵输出液体的流量，所述吸收层泵输出吸收层液体经吸收层通道注射到工件的待冲击表面形成吸收层，所述约束层泵输出约束层液体经约束层通道注射到所述吸收层上形成约束层；所述激光束依次经过约束层和吸收层冲击到工件的待冲击表面；所述约束层液体与吸收层液体流速相同且等于层流v。

所述层流v满足：v<min(v1,v2)；其中v1为所述吸收层的层流临界速度，v2为约束层的层流临界速度。

所述的约束层液体为对入射激光高透过率的液体；所述吸收层液体为对入射激光有强吸收的液体。

所述约束层液体为水，所述吸收层液体为黑漆或稀释的黑漆。

所述双通道管路的吸收层通道和约束层通道的横截面形状都为矩形。

本发明的优点和效果：以可流动的液体作为吸收层，激光冲击过程中，吸收层始终处于流动状态，不存在吸收层破坏问题，可以保证每个激光脉冲能量吸收效率一致，冲击效果稳定，尤其适用于同点多次连续激光冲击以及高密度连续激光冲击过程。作为一种非常便利的吸收层在线重涂方法，有利于激光冲击加工技术的工业化推广应用。

附图说明

图1 以可流动液体为吸收层的激光冲击处理装置示意图；

图2 双通道管路4横截面示意图；

其中：1.控制系统，2.约束层泵，3.吸收层泵，4.双通道管路，5.约束层，6.吸收层，7.工件，8.激光束，9.约束层通道，10.吸收层通道。

具体实施方式

如图1所示，以同点多次连续激光冲击为例，激光冲击能量源为Nd³⁺:YAG输出的1064nm的激光，其脉冲宽度为纳秒量级。可流动约束层液体可以为任何对入射激光高透过率的液体，本实施例中选择水为约束层液体；吸收层液体可以为任意对入射激光有强吸收的液体，本实施例中选择液体黑漆作为可流动吸收层液体，也可以通过稀释剂稀释黑漆可以调节吸收层液体中黑漆比例，获得不同的吸光效率。

如图2所示，双通道管路4的两个通道的横截面形状均为矩形，约束层通道9横截面矩形的长为a，宽为b，吸收层通道10横截面矩形的长为a,宽为c；水的运动粘度为μ1，黑漆的运动粘度为μ2。根据吸收层和约束层的运动粘度及约束层通道9和吸收层通道10的界面的几何尺寸，并结合临界雷诺数Re，可得层流流速v。如图1所示，控制系统1控制约束层泵2和吸收层泵3内液体的流量，使得约束层和吸收层流速均为v,就可以实现在工件表面形成了层次分明、状态稳定的吸收层和约束层结构。

    层流流速v的具体确定过程如下。液体在矩形通道中流动时，液体流动的实际雷诺数计算公式为Re=v×D/μ，v为液体的流速，μ为液体运动粘度，D为矩形通道当量直径，D=2×长×宽／（长＋宽）。为了保证液体处于层流，必须使Re小于临界雷诺数，工程应用中，一般认为雷诺数Re<2000，则液体处于层流状态，因此，临界雷诺数取为2000。对于本实施例，已知约束层和吸收层的运动粘度，以及通道的几何尺寸，根据上述公式，可以分别计算得到约束层液体（水）的层流临界速度v1=2000×μ1/D1,约束层当量直径D1=2ab/(a+b)；吸收层液体（黑漆）的层流临界速度 v2=2000×μ2/D2,吸收层的当量直径D2=2ac/(a+c)。激光冲击过程中，约束层泵2和吸收层泵3在控制系统的控制下，控制注入约束层通道9和吸收层通道10的液体流量，以保证二者流速相同，且约束层5和吸收层6的实际流速v必须低于v1和v2中的较小值，即v<min(v1,v2)，由此在工件表面形成了层次分明、状态稳定的吸收层和约束层结构。通过这种方式，在同点多次连续激光冲击过程中，前一激光脉冲结束后，被破坏的吸收层6已经流走，由于液体是流动的，新的吸收层6已经建立，保证了每次激光冲击的能量吸收效率一致，冲击效果稳定。此外，激光冲击过程中，由于液体流速远小于激光诱导的等离子体的膨胀速度和冲击波传输速度，因此，吸收层6和约束层5的流动不会对激光诱导冲击波过程产生影响，液体流动不会影响激光冲击效果。