[发明专利]一种基于激光冲击强化等离子体冲击波约束方法

说明书

本发明公开了一种激光冲击强化等离子体冲击波约束方法。利用强磁场的约束使激光诱导产生的等离子体(正离子、负离子)分离，使正离子附着在牺牲层(铝箔或者黑胶带)表面，形成一种透明带电的等离子体约束层，主要作用是约束产生的等离子体冲击波，增强冲击波对靶材的作用效果。由于等离子体存在的时间尺度要远大于激光脉冲宽度，所以利用强磁场将激光诱导产生的等离子正负离子分离形成一层约束层。本发明方法工艺简单，可控性强、效果显著，相比于传统的约束层(水或者玻璃)，激光诱导产生的等离子可以对复杂曲面、凹槽、榫槽、复杂内壁面的激光冲击强化进行约束，有效地抑制冲击波向外扩散，提高激光冲击强化效果。

技术领域

本发明涉及一种激光冲击强化等离子体冲击波约束方法，利用强磁场约束激光诱导产生的等离子体附着在牺牲层表面，形成一种带电的等离子体约束层。

背景技术

激光与材料之间的相互作用是一个非常复杂的过程，包括激光对物体的热作用，物质对激光的吸收、反射以及激光在物质中的传播等，激光与物质的相互作用机制非常复杂，主要包括韧致吸收、光电离、多光子吸收、空穴吸收以及杂志吸收等多种类型，影响这些作用的因素主要包括波长、功率密度、能量密度、脉冲宽度等激光参数、材料性质、状态参量等，高功率激光束作用在固体靶材表面时，靶表面吸收大量激光能量引发的物理现象可归结为热效应和力学效应，当功率密度在10³～10⁴W/cm²时，激光在材料表面主要是热效应，功率密度大于10⁶W/cm²，脉冲持续时间大于100μs时，激光与材料的相互作用基本上是气化构成，当功率密度大于10⁹W/cm²时，就会出现等离子体，激光冲击强化过程属于最后一种，当高功率密度的激光辐照材料表面时，直接使吸收保护层气化电离，形成高温、高压的等离子体，等离子体是由带点的正离子、负离子(其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团组成)宏观成电中性，形成的等离子体是冲击波能量载体。等离子的存在要满足一定的空间和时间矢量条件的，才能达到等离子自持稳态的时空矢量场。

等离子体中粒子的运动与电磁场(外场及粒子产生的自洽场)的运动紧密耦合，不可分割。

目前常用的激光冲击强化约束层主要是K9光学玻璃和水，起到限制冲击波向外传播，增加金属表面冲击波压力的作用。但是使用这两种材料作为约束层存在诸多缺陷：玻璃作为约束层可能对人员和设备产生威胁，冲击波的作用会导致玻璃破碎甚至飞溅，容易打坏其他设备甚至对人造成伤害，而且约束层无法迅速更换，大大降低了强化效率，而且只能用来加工平面，不能对榫槽、焊缝等复杂曲面进行加工，无法满足大规模工业化生产的需要。以水作为约束层，由于水为液态流体，其厚度很难调控，强化效果会有较大波动，同时如果需要加工复杂曲面或者内部结构，水流会存在死角，无法达到指定位置。

发明内容

本发明提供了一种新的激光冲击强化冲击波约束方法，即利用强磁场约束激光诱导产生的等离子体附着在牺牲层表面，形成一种带电的等离子体约束层，由于等离子体存在的时间尺度要远大于激光脉冲宽度，所以利用强磁场将激光诱导的等离子正负离子分离，形成一层约束层的方法是可行的。

本发明的技术方案为：一种基于激光冲击强化等离子体冲击波约束方法，包括以下步骤：

(1)采用高能激光诱导工件表面吸收层产生等离子体冲击波，当激光辐照工件表面时，使工件表面的吸收保护层气化电离，形成的等离子体作为冲击波能量载体；

(2)利用永磁体形成强磁场约束激光诱导产生的等离子体分离，使正离子附着在牺牲层表面，形成一种带电的等离子体约束层；

(3)利用强磁场将激光诱导产生的等离子的正、负离子分离，形成一层带电的约束层；

(4)利用机器人夹持永磁体，使磁场线方向与工件表面一致，等离子体中的正离子作为约束层吸附在牺牲层表面，电子则在磁场的作用下移动工件另一侧，实现对激光冲击强化的等离子体冲击波的约束。