[发明专利]一种外加强电场的激光冲击强化方法及装置

说明书

技术领域

本发明是一种外加强电场的激光冲击强化方法及装置，属于强脉冲激光加工领域。

背景技术

在金属材料表面改性工业领域，激光冲击强化技术是利用强激光诱导的等离子体爆炸冲击波产生的力学效应改善材料机械性能，是一种先进的表面处理技术。强激光作用在金属表面就会激发出电子和带正电荷的金属离子，外围电子较多，金属表面带正电荷的金属离子较多。

激光冲击强化处理对金属材料力学性能的改善效果与激光诱导等离子体的作用面积密切相关。通常在水或玻璃做约束层时，采用提高脉冲激光能量，增强激光诱导等离子体的数量、体积，达到增强其冲击波效应的目的。然而，高能量脉冲激光获得比较困难，并且电光转化效率低，通常电光转化效率是5%左右，而激光导致等离子体转化成机械能的效率是10%，而只有这0.5%能量转换成金属材料力学性能的改善的能量。此外，国内常用的高脉冲能量激光冲击强化设备工作频率低或者脉冲能量低，很难满足激光冲击强化技术快速发展的需求。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种外加强电场的激光冲击强化方法及装置，其目的是提供一种可有效增强激光冲击强化效应方法。具体说引入强电场的能量场弥补常规激光冲击处理模式下电——光、光——机械能转换效率低的问题，提高激光导致受约束等离子体的压力，提高强化效率和效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明技术方案提供一种外加强电场的激光冲击强化方法，其特征在于：该方法是对激光冲击强化加工形成的等离子体团(6)外加一个与激光束(1)冲击方向同轴或与激光束(1)冲击方向成0°～60°夹角的电场(3)，使待强化位置产生的等离子体(6)处于该电场高场强分布的区域内，该区域内的场强大于10万伏/米，小于300万伏/米，该电场(3)的两个电极之间的电压范围为2000V～30000V，待强化金属工件(8)作为电场(3)的一个电极板通过导线Ⅰ(11)与高压电源(12)的接地端连接，电场(3)的另一个电极板(2)通过导线Ⅱ(13)与高压电源(12)的高压端连接，高压端电压可以设置2000V～30000V或者-2000V～-30000V，以改变电场强度和方向，电场(3)的电极板(2)与待强化金属工件(8)之间的距离根据约束材料(5)确定，约束材料为水时，间距2～5cm，采用不容易电离的光学玻璃作为约束层时，距离为2～20mm；

电场(3)的电极板(2)的中心处加工一个通光孔(18)，通光孔(18)为圆形或者椭圆形，通光孔(18)的直径比激光束(1)在通光孔(18)处的光斑直径大0.5～3mm，激光束(1)穿过通光孔(18)作用在待强化金属工件(8)的表面，激光束(1)与通光孔(18)中心重合，激光束(1)与待强化金属工件(8)的表面法线方向成0°～60°夹角。

电场(3)的电极板(2)采用铜、银、金或铂材料制成。

该电场(3)的两个电极之间的电压在激光冲击强化之前加压并维持稳定到激光冲击强化过程结束，或在激光冲击强化出光瞬间加载脉冲电压，电压脉冲与激光脉冲同步，脉冲电压的峰值提前激光脉冲峰值0.1ms以下，脉冲电压维持时间在0.2ms以上。

本发明技术方案还提供一种用于上述外加强电场的激光冲击强化方法的装置，其特征在于：该装置包括大功率调Q激光冲击强化电源(16)、调Q高脉冲能量激光器(17)、高压电源(12)，6轴机械手(10)，工作台(15)，待强化金属工件(8)和高压电极板(2)，高压电源(12)高压端A通过导线Ⅱ(13)与电极板(2)连接，电极板(2)通过采用聚四氟材料制成的第一夹具(14)固定在工作台(15)上，电极板(2)中心开有通光孔(18)以保证激光通过，工作台(15)上固定调Q高脉冲能量激光器(17)，自动喷水装置(4)向待强化金属工件(8)的表面上喷去离子水作为激光冲击处理的约束层(5)，或采用预先覆盖在待强化金属工件(8)的表面上的电离的光学玻璃作为激光冲击处理的约束层(5)，高压电源(12)接地端B通过导线Ⅰ(11)与待强化金属工件(8)相连，金属工件(8)表面用铝箔、黑漆或者胶带覆盖成吸收层(7)，吸收层(7)的厚度小于0.2mm，粘贴平整，待强化金属工件(8)固定于6轴机械手(10)的第二夹具(9)上，6轴机械手(10)固定在地面上，大功率调Q激光冲击强化电源(16)给调Q高脉冲能量激光器(17)提供电源，并通过DSP控制系统控制高压电源(12)、激光器(17)、机械手(10)、自动喷水装置(5)的启动时序。