[发明专利]一种基于激光冲击波的均匀表面强化方法

说明书

本发明涉及一种基于激光冲击波的均匀表面强化方法，具体步骤为：将工件的表面依次装夹吸收层、约束层，将激光发生器设置与工件相对的位置，激光发生器位于靠近工件约束层的一侧，对工件进行激光冲击，约束层为去离子水，去离子水层的厚度为2‑5mm。激光的能量为3‑7J，脉宽为15‑20ns，光斑直径为1‑4mm。利用激光诱导“空化”效应对工件进行二次强化，抑制或消除工件表面的由激光等离子体冲击波引发的“残余应力洞”，使工件表面残余应力分布均匀。

技术领域

本发明属于金属材料表面强化处理技术领域，具体涉及一种基于激光冲击波的均匀表面强化方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

脉冲激光可导致材料表面发生等离子体爆炸，从而形成GPa量级的冲击压力。以此为物理基础，研究人员发展了先进的激光冲击强化技术。然而，激光冲击过程中，靶材表面往往会发生一种“残余应力洞”现象，即激光光束的几何中心位置具有较小的残余压应力分布，甚至出现残余拉应力。“残余应力洞”的形成导致材料表面残余应力分布的不均匀，会对其服役性能产生不利影响。

目前，技术人员在实际操作过程中，需要采用调整脉冲激光光束能量分布特征、改变脉冲激光光束形状等方式来抑制“残余应力洞”的不良影响。然而，上述方法的实现需借助更高性能激光装备或依靠二次加工，可行性较低。如何在现有技术条件下进行改进和完善，从而抑制残余应力分布不均匀的现象的发生，是技术人员需要解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于激光冲击波的均匀表面强化方法。本发明提出了一种既不降低加工效率，又不弱化强化效果的解决方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术原理为：

脉冲激光于所述条件下可在短时形成高温高压等离子体，该等离子体在有限空间内发生爆炸形成冲击波，进而对材料产生强化效果。

脉冲激光光束入射到液体中时可形成“空化”效应，即脉冲激光诱导空化泡形成，空化泡在短时发生爆炸而形成冲击波。在采用去离子水为约束介质的激光冲击过程中，通过调整约束层厚度等方式在靶材金属表面产生较高程度的空化效应，从而可利用空化泡爆炸产生的二次冲击波对脉冲激光光束的几何中心进行二次强化。基于以上，当脉冲激光等离子体爆炸所产生的冲击波导致“残余应力洞”形成时，空化效应带来的二次冲击可对“残余应力洞”的抑制或消除产生积极影响。

本发明的表面强化的过程为：脉冲激光到达工件表面，形成高温高压等离子体，等离子体在有限空间发生爆炸形成冲击波，对材料形成强化作用；随后，激光诱导约束层去离子水层内产生空化泡，空化泡到达工件表面，对工件表面进行了第二次强化。激光到达工件表面的时间较快为ns量级，空化泡到达工件表面的时间为μs量级，所以空化泡到达工件表面的时间会相对延后。因此，对工件进行二次强化，消除了工件表面第一次强化产生的“残余应力洞”。

本发明的技术方案为：

第一方面，一种基于激光冲击波的均匀表面强化方法，具体步骤为：

1.待强化零件的装夹以及预处理，包括待强化零件在激光冲击处理设备上的装夹以及待强化表面吸收层的涂覆等；

将工件的表面装夹吸收层，将激光发生器设置与工件相对的位置，激光发生器位于靠近工件约束层的一侧；

2.定量控制约束层的厚度I₀；

约束层为去离子水，去离子水层的厚度为2-5mm。

去离子水层的厚底不低于2mm，是为了创造脉冲激光形成空化泡的技术环境；去离子水层厚度不高于5mm，是为了控制脉冲激光等离子体冲击波的强度损耗。