[发明专利]基于导水管和约束机构联动的材料加工装置及方法

说明书

本发明涉及基于导水管和约束机构联动的材料加工装置及方法，包括位于待加工材料上方空间的激光发射器，激光发射器发出脉冲激光光束，激光发射器下方空间设有约束机构，脉冲激光光束的聚焦位置位于约束机构的内部，导水管末端朝向约束机构的内部；约束机构为空心圆锥台型，约束机构顶面直径不小于底面直径，约束机构的圆锥角不小于激光光束的汇聚角，约束机构底面与待加工材料之间具有间隙。材料表面承受更高强度的冲击波作用，从而引入更大的残余压应力场强度；空化效应的存在使得大气环境下的激光冲击处理最大程度避免残余应力洞的形成或降低残余应力洞的发生强度；实现等离子体冲击与空化的双效应的直接作用。

技术领域

本发明涉及材料加工领域，具体为基于导水管和约束机构联动的材料加工装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

激光冲击技术是将激光作为能量来源，利用激光冲击实现材料表面的加工。例如，通过脉冲激光诱导的等离子体冲击效应，实现金属等结构材料的表面强化或加工；这一类加工过程中，待加工材料表面具有使激光光束聚焦于材料表面的吸收层和约束层；一些水下激光冲击处理的过程中，待加工材料表面无吸收层，利用水下环境替代发挥约束层的作用。

在这类材料表面加工的过程中，激光光束使得位于水下的待加工材料表层发生烧蚀，形成高温高压等离子体，进而诱发高强冲击波实现材料表面的加工。类似的，还有利用激光诱导空化效应进行材料表面处理的技术，该技术的实施条件与水下激光冲击处理类似，区别在于激光空化处理所采用的激光光束的聚焦位置处于材料表面上方，即待加工材料表面具有正离焦量。

以上加工技术中，通过改变待加工材料表面离焦量和液体约束层厚度等参量，来获得所需的材料表面结构，然而在实际的加工过程中，材料所需的表面结构由脉冲激光诱导的等离子体冲击与空化效应共同耦合得到，而空化效应的实际冲击波强度并不能得到充分利用，使得材料表面所承受的实际冲击波强度不高，难以获得理想的加工效果。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供基于导水管和约束机构联动的材料加工装置及方法，采用特定结构的约束机构将去液体约束层限制在每一处激光光斑的辐照区域，被限制的液体约束层随光斑辐照位置移动，逐点移动和冲击以实现待加工区域的表面加工，从而利用脉冲激光诱导材料表面实现等离子体冲击与空化的双效应直接作用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供基于导水管和约束机构联动的材料加工装置，包括位于待加工材料上方空间的激光发射器，激光发射器发出脉冲激光光束，激光发射器下方空间设有约束机构，脉冲激光光束的聚焦位置位于约束机构的内部，导水管末端朝向约束机构的内部；

约束机构为空心圆锥台型，约束机构顶面直径不小于底面直径，约束机构的圆锥角不小于激光光束的汇聚角，约束机构底面与待加工材料之间具有间隙，该间隙不大于0.5mm。

约束机构容纳通过导水管输入的液体约束材料形成液体约束层，液体约束层的垂直厚度不小于正离焦量距离的2倍。

导水管末端朝向约束机构顶面，将液体约束材料导入约束机构的内部。

约束机构和导水管均通过连接件与激光发射器固定连接。

脉冲激光光束的聚焦位置为一具有截面面积的聚焦区域。

脉冲激光光束的聚焦位置与约束机构轴线重合，聚焦位置与待加工材料表面的距离不大于聚焦位置与约束机构内壁的距离。

聚焦位置与待加工材料表面的距离不大于聚焦位置与液体约束层上表面的距离。

本发明的第二个方面提供基于导水管和约束机构联动的材料加工方法，包括：

设定激光发射器的激光能量、脉冲宽度和光束聚焦面积；