[发明专利]一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化方法及装置。

背景技术

激光冲击强化(Laser shock processing，简称LSP)技术是一种新型表面强化技术，是利用高功率密度(大于10⁹W/cm²)、短脉冲(ns级)的激光束透过约束层辐照到金属材料表面，使金属表面吸收层充分吸收激光能量，在极短时间内汽化、电离形成等离子体，膨胀的等离子体受约束层限制产生冲击金属靶材表面并向金属内部传播的高强度(GPa级)冲击波，使材料产生屈服和塑性变形，同时在冲击区域产生残余压应力，提高材料的强度、硬度、耐磨性和耐应力腐蚀性能，尤其能有效改善材料的抗疲劳断裂性能。

约束层是增强激光冲击强化效果的有效手段，无约束层的激光冲击只能产生MPa级的冲击力，而施加约束层后却能将冲击力增至GPa级，显著提高激光冲击强化效果。然而，采用施加约束层增强冲击力的方法降低了一般激光加工技术均具备的柔性化特点，使激光冲击强化工艺变得复杂且应用范围变窄。例如：利用玻璃作为约束层时必须要求被冲击表面为平面，且玻璃极易破碎，冲击后常需要更换，且冲击时会产生玻璃碎片飞溅的现象，对仪器和人员存在安全隐患，而且清理也十分麻烦；利用冰作为约束层能解决玻璃约束层存在的安全隐患，清理方便，但冰易于融化，对实验装置具有一定的影响，而且冰约束层需现场制备，严重影响了冲击连续性和冲击效率；利用柔性贴膜作为约束层虽然能解决上述的一些缺陷，但由于约束层为柔性，对冲击力的增效不如刚性的约束层明显，且柔性贴膜的选材、制造要求较高，成本也相对较高；利用水作为约束层时虽能解除对加工表面形状的限制，但用水作为约束层的激光冲击强化装置复杂、操作繁杂，不能保证水约束层厚度的均匀性，对激光参数有一定要求，对冲击效果也有一定影响，增效效果不明显；其他如利用高压气体作为约束层的一些方法也具有类似的缺点。

可见，现有的激光冲击强化方法所采用的约束层均存在一定的局限性，主要是由于所采用的是实体约束层，从而导致存在飞溅安全隐患、效率低下、冲击力增效受局限、均匀性不足、装置复杂、操作繁杂。因此，若能不使用实体约束层也能实现增强激光冲击力无疑是对激光冲击强化方法的一次巨大提升。

发明内容

本发明针对现有激光冲击强化方法必须采用实体约束层所带来的不足，提出一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化装置，具有安全环保、加工效率高、冲击力增效调控方便、均匀性好、适应性强、结构简单、操作方便、成本低的优点。本发明还同时提供了一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化装置，包括工控机、激光器、光纤、激光加工头、工件、上电磁线圈、上磁极夹具、下电磁线圈和下磁极夹具；

激光器通过光纤与激光加工头相连，使得激光器输出的激光束通过光纤的传导进入激光加工头，然后经过激光加工头出口处的聚焦透镜，会聚辐照在工件上需要进行冲击强化的区域表面；

上电磁线圈安装在上磁极夹具上，下电磁线圈安装在下磁极夹具上；

上磁极夹具与下磁极夹具通过上电磁线圈与下电磁线圈的磁力固定在工件表面；所述上电磁线圈与下电磁线圈均为中空结构，使得激光束正好可从中穿过；

上电磁线圈、下电磁线圈和激光器均与工控机相连，工控机控制上电磁线圈、下电磁线圈中的电流大小，并控制激光器的脉冲输出。

本发明还同时提供了一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化方法，包括如下步骤：

第一步：在工件需要进行冲击强化的区域喷涂吸收层；

第二步：安装工件，使得工件与激光加工头的空间方位满足：激光束通过光纤传导进入激光加工头，然后经过激光加工头出口处的聚焦透镜，垂直辐照在第一步中工件需要进行冲击强化的区域，并使聚焦焦点位于区域表面；

第三步：调节上磁极夹具与下磁极夹具，使其与工件的空间方位满足：上磁极夹具与下磁极夹具通过上电磁线圈与下电磁线圈的磁力固定在工件的表面，其中上电磁线圈及下电磁线圈为中空结构，使得激光束可以正好从中穿过；

第四步：通过工控机控制上电磁线圈、下电磁线圈中的电流大小，将上磁极夹具及下磁极夹具分别吸附于工件预冲击区域的正反面，并保证磁感线方向与激光入射方向一致；