[发明专利]一种提高激光诱导冲击波压力的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光冲击加工技术领域，特别是激光冲击强化技术，特指一种利用自动诱发复合能场大幅提高激光诱导冲击波压力的方法及装置。

技术背景

激光冲击强化作为一种新型的表面形变强化技术，其利用高能短脉冲激光冲击诱导的应力强化和组织强化效应实施材料表面改性，与传统表面强化技术相比，具有高压(GPa)、超快(ns)、高应变率(10⁷s^-1)等鲜明特点，在航空薄壁件关键结构应力集中区域的可控强化处理方面具有显著的技术优势。

但是激光冲击强化的效果需要根据材料的类型和力学性能对激光能量、光斑直径等工艺参数进行调整。由于降低光斑直径会降低表面质量和加工效率并会增加加工成本，目前工程领域普遍采用增加激光能量的方法实现高强材料（高强不锈钢，钛合金以及镍基合金等）的激光冲击强化，这必然使得激光能量高达数十焦耳，而高功率激光器受出光频率、控制精度、运行成本以及体积规模等因素的限制目前无法在激光冲击强化领域得到实际应用。因此，在现有能量水平的基础上大幅提高激光诱导冲击波的压力成为激光冲击强化领域的关键技术难题。

针对这一难题，CN201210001123、CN200510094810以及CN201310304179分别采用高压气体、新型水约束层以及高分子材料代替常规水帘作为约束层以提高激光诱导冲击波压力，该类方法虽然从一定程度上弥补了常规水帘约束层的部分不足，进而提高了激光诱导冲击波的压力，但是这类方法没有改变冲击波的产生过程，因此无法实现激光冲击波压力的成倍增长，且约束装置复杂，成本高昂。专利号为CN201310305606的专利申请提出一种激光冲击强化的增压装置，通过设置锥形挡套约束激光冲击波的横向冲击力，进而提高激光诱导冲击波的压力，但是该方法同样无法实现激光冲击波压力的成倍增长，同时因为水膜难以维持洁净、易飞溅以及更换繁琐等原因难以实现多点连续或多点搭接冲击。另外，专利号为CN201110120822的授权专利提出一种利用激光诱导的等离子体连续爆炸产生强冲击波在金属表面获得纳米涂层的方法及装置，其利用激光在耐高压玻璃导管中连续爆炸显著提高激光诱导的冲击波压力，但仍存在以下几点不足：（1）冲击波在导管中传播时压力会快速衰减，这使得等离子体连续爆炸产生的冲击波压力增幅有限，难以成倍增长；（2）多次连续爆轰产生冲击波需多次叠加，这对多次爆轰的时间要求很高，多次误差累积后必然会影响冲击波的叠加进而削减冲击波压力；（3）连续爆炸所需时间较长，降低了加工效率。

与本专利最接近的为专利号CN201210571521的授权专利，其提出一种以强磁场和电场提高激光等离子体冲击波压力进而强化处理材料表面的方法，对于提高冲击波压力有一定效果，但相比本专利有以下几点不足：（1）由于等离子体内带电粒子的浓度及电荷数不均匀，且运动状态随时间不断变化，故难以通过调整磁场与电场的大小和方向与之相匹配，不易实现冲击波压力的成倍提高；（2）在等离子体中，电子等带电粒子的质量很小且速度极高，不易通过磁场与电场实现约束，约束效果的降低致使难以实现冲击波压力的大幅增加；（3）高技术难度必然会致使装置复杂，操作繁琐，成本高昂，因此不易实现工程应用。

为了大幅提高激光冲击波压力，同时克服现有问题的不足，本专利提出使用自动诱发的光电复合能场诱导产生超高密度及超高膨胀态的等离子体，并在约束状态下成倍提高激光诱导的冲击波压力，方法简单易于实现，装置成本低廉。通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现自动诱发光电复合能场，并使用其诱导产生超高密度及超高膨胀态的等离子体，进而提高激光诱导冲击波压力的相关报道，本发明为首次提出该方法及装置。

发明内容

本发明旨在提出一种利用自动诱发复合能场大幅提高激光诱导冲击波压力的方法及装置，在解决激光冲击加工领域技术难题的同时，克服现有技术的缺点与不足，可以在相同激光能量下将激光诱导的冲击波压力提高数至数十倍，方法简单易于实现，装置成本低廉，自动化程度高。