[发明专利]针对工件表面的激光冲击强化装置及激光冲击强化处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及针对工件表面的激光冲击强化技术领域，具体涉及一种针对工件表面的激光冲击强化装置及利用该装置对工件表面进行激光冲击强化处理的方法。 

背景技术

激光冲击强化技术是一种将强激光产生的超高压冲击波用于工件表面进行激光冲击强化处理的技术。目前，激光冲击强化技术已经在航空、船舶、机械工程等领域得到了广泛应用，尤其是用于飞机发动机叶片的抗疲劳处理。 

现有的针对工件表面的激光冲击强化装置包括激光发生单元，位于工件表面的吸收保护层，以及位于吸收保护层表面的约束层。约束层的功能是让激光能量穿过并作用于吸收保护层，同时还要尽可能多地提供等离子体膨胀时的反作用力，提高冲击波耦合效率。目前国内外普遍采用光学玻璃等固体材料作为约束层，或者采用厚度约为0.5-1mm的水膜等柔性材料作为透明约束层。吸收保护层的功能是吸收激光，产生等离子体，同时具有阻挡能力，避免激光及等离子体对工件的损伤。目前普遍使用油漆、柔性胶带或一定厚度的金属箔片等作为吸收保护层。 

该激光冲击强化处理过程如图1所示：利用短脉冲(一般在50纳秒以内)、高功率密度(GW/cm²)的激光通过透明约束层，作用于金属等工件表面所涂覆或帖附的吸收保护层上；吸收保护层吸收激光能量后迅速气化，形成稠密的高温、高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量后急剧升温膨胀，形成冲击波，冲击波强度可达数个GPa（10⁹Pa）量级，远高于许多工件材料的屈服强度；该冲击波穿过吸收保护层，作用于工件表面并向其内部传播，使工件表面产生塑性变形和残余压应力场，导致表层材料的塑形变形，位错密度增加，导致晶粒细化，压应力和硬度升高，从而显著提高材料的抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能。 

例如，美国专利US5744781“激光冲击处理的方法和装置”、中国专利CN102212655B“一种激光冲击方法”、CN1102962C“采用低能激光的激光冲击处理”和CN101831529B“曲轴圆角激光冲击处理强化方法”等都是采用该激光冲击强化过程。但是，从图1中可以明显地看出施加在工件表面的吸收保护层吸收激光能量后形成的等离子体冲击波只有大约一半作用于工件表面，而其余一半则向外散失。也就是说，现有的激光冲击强化过程中将近50%的能量损失了，其能量利用率很低。因此，为了实现预定的处理效果，只好提高激光能量，目前激光冲击强化中的激光普遍倾向于使用脉冲能量远远超过一焦耳的纳秒脉冲。但是，这样的激光器售价昂贵，同时，由于激光系统工作于极限状态而可靠性偏低。因此，有必要提高激光冲击强化的能量利用效率，以降低对激光系统的能量要求，从而在保证激光可靠性的前提下提高处理效果。 

另外，对于约束层而言，水膜因其成本低、柔性好、可循环使用和对复杂曲面的适用性强等优点而被广泛使用；但是，水膜作为约束层却存在如下问题：（1）约为0.5-1mm的水膜厚度在实际的操作过程中很难稳定控制，例如，目前一般采用喷嘴从侧面施加水膜，但水膜的厚度却容易随着工件形状、位置的变化而发生变化，另外，加工过程中的冲击波容易造成水膜的破裂、溅射，从而影响加工的一致性和光路器件的可靠性；（2）相对于固体约束，水膜的约束刚性不足，因此对冲击波的约束效果不佳，容易出现不稳定约束等状况，最终导致激光冲击强化效果的削弱。 

相对于水膜，玻璃等固体类约束层对激光冲击波的约束效果较好。但是，其加工适应性差，无法满足形状比较复杂的局部冲击区域；另外，玻璃在等离子体和冲击波的作用下会发生碎裂，因此一般仅适应于单次冲击，很难重复使用。 

专利号为ZL02138338.3的发明专利“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”是利用两种不同组分的有机硅胶和添加剂，按一定的比例配比调和固化后形成约束层，再在其上喷涂86-1型黑漆的能量吸收保护层，形成集能量吸收保护层和约束层一体的柔性贴膜。该柔性贴膜虽然能形成集能量吸收保护层和约束层一体的柔性贴膜，但是其约束刚度达不到玻璃那样的约束强度，并且存在气泡等潜在质量隐患，同时柔性贴膜制作过程复杂、繁琐，不利于其在本领域的推广使用。 

发明内容

本发明的技术目的是针对上述现有激光冲击强化技术中存在的不足，提供一种针对工件表面的激光冲击强化装置，利用该装置对工件表面进行激光冲击强化，提高激光冲击强化的效率及可靠性。