[发明专利]一种可控约束的激光微喷丸强化装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工和表面改性技术领域，尤其涉及一种可控约束下金属材料表面激光微喷丸强化的加工方法和装置。

背景技术

激光微喷丸强化是利用激光诱导冲击波的力效应提高金属材料表面力学性能的一种有效方法，具有潜在的应用前景。

激光微喷丸强化金属零件表面时，约束层的作用是限制爆炸的等离子体自由扩散，使冲击波的力效应更为集中地作用在金属表面，常用的约束层有K9玻璃和流动的去离子水幕。激光微喷丸强化时，低能量脉冲激光产生的等离子体较弱，K9玻璃与金属材料表面存在贴合缝隙，不能完全密封等离子体，严重影响了激光微喷丸的效果。流动的去离子水幕能适应零件不同形状的表面，与零件表面贴合较紧，成本低、透光性好，可循环使用，且水流能够带走吸收层所产生的残渣，但流动的去离子水幕也存在难以克服的问题：(1)由于流动的去离子水深度难以精确控制，影响了激光微喷丸过程中对等离子体约束的稳定性，从而使得激光微喷丸效果不能很好的控制。(2)激光焦点处汽化的去离子水形成气泡，自然水流难以快速的将其带走，从而影响了后续激光脉冲的入射，故在两个相邻的激光脉冲之间应留足够的时间使焦点区域净化，严重影响了激光微喷丸的效率。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种可控约束的激光微喷丸强化装置及其方法，改善金属材料表面激光微喷丸强化质量，并提高效率。

技术方案：一种可控约束的激光微喷丸强化装置，包括水管管路、储水箱、液压泵、流量控制阀、压力控制阀、缓冲段、收缩段、软管、三维移动平台、样品室、半透半反镜、高速相机、聚焦镜、激光器以及计算机；

其中，所述储水箱、液压泵、流量控制阀、压力控制阀、缓冲段、收缩段通过水管管路级联，再通过收缩段连接所述样品室，形成整体回路，所述样品室固定在三维移动平台上；所述水管管路上安装有流量计和压力表；所述样品室包括样品室箱体，所述样品室箱体的上盖板中央设有开孔，开孔上覆盖K9玻璃，所述样品室箱体内设有固定金属样品的夹具；所述聚焦镜、半透半反镜、高速相机从下至上依次设置在样品室上部并位于同一竖直轴线上，激光器设置在所述半透半反镜一侧；所述高速相机和三维移动平台均连接所述计算机。

进一步的，还包括水浴温度控制器，所述储水箱与水浴温度控制器连接。

一种可控约束的激光微喷丸强化方法，采用去离子水幕作为约束层，所述去离子水幕通过循环水系统提供，利用高速相机在线观测激光微喷丸强化过程中气泡的生长和聚集情况，利用电机带动液压泵使去离子水在整个循环水系统中循环流动，通过控制循环水系统中去离子水的压力和流量，带走激光微喷丸强化过程中焦点附近产生的气泡，并通过调节去离子水的压力提高激光微喷丸的效果。

进一步的，利用水浴温度控制器控制所述循环水系统中去离子水的温度恒定。

有益效果：本发明是一种可控约束的激光微喷丸强化装置及其方法，在激光微喷丸过程中，利用电机带动液压泵使去离子水在整个系统中循环流动，利用高速相机在线观测激光微喷丸强化过程中气泡的生长和聚集情况，然后利用流量控制阀和流量计来控制和测量循环水系统中去离子水的流量，通过控制循环水系统中去离子水的压力和流量，从而带走激光微喷丸强化过程中焦点附近产生的气泡，同时使循环水系统中去离子水保持一定压力，其具体效果如下：

(1)通过增加去离子水的压力和流量来去除激光微喷丸过程中产生的气泡，大幅减小了脉冲之间的间隔时间，提高了激光微喷丸的效率。

(2)循环水系统中的去离子水保持一定压力，增加了激光微喷丸金属样品表面去离子水幕的刚性，提高了去离子水幕对等离子体爆炸的约束作用，增强了材料表面激光诱导的冲击波压力，对提高激光微喷丸的强化效果起到积极作用。

(3)该激光微喷丸强化装置中K9玻璃和样品之间的距离是固定的，去离子水会在压力的作用下充满K9玻璃和样品之间的空间，从而使样品表面去离子水幕的高度恒定，提高激光微喷丸效果的稳定性。

附图说明

图1为本发明可控约束的激光微喷丸强化装置的结构示意图；

图2为本发明装置的样品室结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。