[发明专利]一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法及装置

摘要

本发明公开一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法及装置，属于金属构件表面处理技术领域。该方法首先将待处理金属构件的强化位置表面进行脱脂、去污、打磨、清洗并干燥，利用激光诱导冲击波的方法，强化处理金属构件的裂纹表面，改变金属构件表面应力强度的分布情况，从而达到改变裂纹扩展路径的目的。实现该方法的装置包括激光发生器、导光分光系统、喷水系统、工件夹具系统及控制系统。本发明方法不但可以改变金属构件裂纹的扩展路径，而且可以提高金属构件表面的强度、硬度以及表面的残余压应力，增加金属构件的抗应力腐蚀能力和疲劳寿命，本发明装置具有结构简单、操作方便、能耗少、效率高的特点。

主权项

一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：(1)微裂纹在薄板类的金属构件(24)上形成以后，在循环疲劳载荷的作用下，裂纹容易在应力较大或疲劳强度较低的区域扩展，通过计算分析，确定裂纹扩展方向；(2)根据裂纹扩展方向，在裂纹的前端和应力较大的一侧，确定激光冲击强化的位置，并对所述金属构件(24)两侧待强化处理区域表面进行脱脂、去污、打磨、清洗并干燥；(3)在所述金属构件(24)两侧待强化处理区域上分别涂覆黑漆作为激光的第一能量吸收层(12)及第二能量吸收层(21)，然后将带有能量吸收层的所述金属构件(24)装夹在夹具(25)上，所述夹具(25)固定在工作台(26)上；(4)通过控制器(2)调整所述工作台(26)的位置，使所述金属构件(24)两侧待强化区域分别对着第一激光冲击头(9)和第二激光冲击头(18)；然后打开第一喷水头(22)和第二喷水头(23)，流水在所述金属构件(24)的两侧形成第一约束层(11)和第二约束层(20)；(5)受控的激光发生器(3)发出脉宽为ns量级、单脉冲能量为2‑100J、功率密度为GW/cm²量级的主激光脉冲束(4)，所述主激光脉冲束(4)被第一全反镜(5)反射及经过分光镜(13)后被分成两束光学特征完全相同的分激光脉冲束：第一分激光脉冲束(6)和第二分激光脉冲束(14)，所述第一分激光脉冲束(6)依次被第二全反镜(7)、第三全反镜(8)反射后到达所述第一激光冲击头(9)，经过第一聚焦透镜(10)会聚后，透过所述第一约束层(11)辐照在所述第一能量吸收层(12)上；所述第二分激光脉冲束(14)依次被第四全反镜(15)、第五全反镜(16)和第六全反镜(17)反射后到达所述第二激光冲击头(18)，经过第二聚焦透镜(19)会聚后，透过所述第二约束层(20)辐照在所述第二能量吸收层(21)上；所述第一能量吸收层(12)和所述第二能量吸收层(21)分别吸收所述第一分激光脉冲束(6)和所述第二分激光脉冲束(14)能量后形成GPa量级的高压冲击波，高压冲击波作用在所述金属构件(24)两侧表面，使所述金属构件(24)两侧受冲击区域的表层产生塑性强化，完成对所述金属构件(24)两侧的单次强化处理；(6)所述单次强化处理后，控制器(2)使所述工作台(26)上下或前后移动位置，改变所述金属构件(24)的位置，以控制下一个相邻光斑的强化位置，所述金属构件(24)新的位置确定后，所述激光发生器(3)再发出所述主激光脉冲束(4)以进行下次的冲击强化，所述主激光脉冲束(4)的参数及频率受所述控制器(2)控制；依次完成多个位置的多次强化，以完成所述金属构件(24)待冲击处理表面的强化；(7)冲击强化完毕后，先关闭所述激光发生器(3)，随后关闭所述控制器(2)，关闭所述第一喷水头(22)和所述第二喷水头(23)，将所述金属构件(24)从所述夹具(25)上取下来。