[发明专利]提高激光高温喷丸约束效果的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光冲击成形技术，尤其是一种适用于冲击成形温度在100~450℃范围内的高温激光冲击成形方法及装置，具体地说是一种利用高压脉动冲气体作为约束介质来提高激光高温喷丸约束效果的方法及装置。

背景技术

    目前，激光温喷丸，又称为基于温度辅助的激光喷丸，是一种新型的表面强化技术，通过在一定的温度效应下进行激光冲击，可在材料中产生更高的位错密度以及位错缠结，同时伴随着动态应变时效和动态析出的出现。这些特点决定了激光温喷丸能够达到比机械喷丸更加优良的表面强化效果。同时，激光温喷丸能够通过动态应变时效和动态析出产生比常温激光喷丸和机械喷丸更加稳定的残余压应力，这也说明激光温喷丸能在一定程度上降低喷丸对材料的机械损伤，从而显著提高材料的疲劳强度。激光诱导冲击，是使高能激光束照射在黑漆等吸收层上产生等离子体，因为等离子体能够快速吸收激光能量产生爆炸，从而产生冲击压力，激光诱导的冲击压力一般需要通过约束层的约束达到较好的喷丸效果。激光喷丸最常用的约束层为流水层，但是由于流水在较高的温度下会产生气泡甚至汽化蒸发，这会阻碍激光在流水约束层中的传播，降低喷丸的效果，所以激光喷丸常用的流水约束层不能用于激光温喷丸。因此，如何在较高的温度下有效地约束激光诱导的冲击压力已经成为机械相关领域的焦点问题。

目前激光喷丸常用的约束方法有柔性约束和刚性约束。

柔性约束，主要是利用柔性介质对激光喷丸产生的压力进行约束，包括流水约束以及柔性贴膜约束。流水约束，是在基体表面制造一层1~5mm的流水层，激光透过流水层在基体表面诱导产生等离子体爆炸，从而利用流水层对冲击压力进行约束。例如专利号为CN102212655A的专利申请，提出了一种激光冲击方法，激光冲击过程中使用水膜作为约束层，这种约束方法在常温下可以对激光诱导压力起到约束的效果，但是也存在以下几点不足：（1）流水约束层由于较低的沸点不适用于温度较高的场合；（2）流水约束层属于柔性约束，约束效果较差；（3）流水约束层由于流水厚度难以控制，所以基体表面残余应力不均匀，且无法适用于复杂表面。柔性贴膜，是在基体表面粘贴具有约束效果的柔性材料实现约束，例如专利号为CN1404954A的专利申请，提出了一种用于激光冲击处理的柔性贴膜，该方法利用有机硅凝胶材料制作成柔性贴膜，覆盖在基体表面实现约束，但是存在以下几点不足：（1）有机硅凝胶材料在高温下融化为液态，由于贴合过程中贴膜与基体之间很容易进入空气，所以溶化后形成气泡，降低约束效果；（2）激光冲击过程中等离子体温度极高，有机硅凝胶材料容易燃烧，降低约束效果，安全性不高。刚性约束，主要是通过刚性透明介质对激光诱导压力进行约束，目前主要是耐高压玻璃，例如K9玻璃。例如专利号为CN102492805A的专利申请，提出了一种采用深冷激光冲击强化金属材料的方法与装置，该方法在激光冲击过程中采用K9玻璃作为约束层对激光诱导压力进行约束，  虽然这种方法可以在常温以及低温下起到约束效果，但是也存在以下缺点：（1）由于激光诱导产生的冲击压力容易在玻璃上产生应力集中，从而导致玻璃上产生裂纹甚至破裂，降低喷丸效果；（2）K9玻璃在高温下会产生软化效应，更容易产生裂纹甚至断裂，从而导致喷丸的效果降低。

与本发明最为接近的为公开号为CN102560079A的专利申请，该专利申请提出了一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置，该方法是采用高压气体连续喷射到基体表面，对激光诱导冲击压力进行约束，这种方法在常温下可以起到约束的效果，但是还存在以下缺点：（1）激光诱导冲击是利用激光诱导的等离子体爆炸所产生的压力对材料表面进行喷丸，连续高压气体在等离子凝聚之前已经存在，高压气体脱离基体表面会带走部分等离子体，从而影响等离子体在基体表面的凝聚，降低激光诱导冲击压力；（2）对于激光温喷丸而言，连续高压气体会明显降低基体表面的温度，从而该方法不适用于激光温喷丸的场合。

本发明提出了一种使用高压脉冲气体作为激光温喷丸约束层的方法及装置。该方法可以克服上述技术的缺点，适用于较高温度和复杂表面的情形，同时优化了对激光诱导冲击压力的约束效果，大幅提高激光温喷丸约束层的有效性和可靠性。

通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现使用高压脉冲气体作为激光诱导压力约束层的方法及装置，本发明为首次提出该方法及装置。

发明内容