一種可控約束的激光微噴丸強化裝置及其方法與流程

本發明涉及激光加工和表面改性技術領域，尤其涉及一種可控約束下金屬材料表面激光微噴丸強化的加工方法和裝置。

背景技術：

激光微噴丸強化是利用激光誘導沖擊波的力效應提高金屬材料表面力學性能的一種有效方法，具有潛在的應用前景。

激光微噴丸強化金屬零件表面時，約束層的作用是限制爆炸的等離子體自由擴散，使沖擊波的力效應更為集中地作用在金屬表面，常用的約束層有K9玻璃和流動的去離子水幕。激光微噴丸強化時，低能量脈沖激光產生的等離子體較弱，K9玻璃與金屬材料表面存在貼合縫隙，不能完全密封等離子體，嚴重影響了激光微噴丸的效果。流動的去離子水幕能適應零件不同形狀的表面，與零件表面貼合較緊，成本低、透光性好，可循環使用，且水流能夠帶走吸收層所產生的殘渣，但流動的去離子水幕也存在難以克服的問題：(1)由于流動的去離子水深度難以精確控制，影響了激光微噴丸過程中對等離子體約束的穩定性，從而使得激光微噴丸效果不能很好的控制。(2)激光焦點處汽化的去離子水形成氣泡，自然水流難以快速的將其帶走，從而影響了后續激光脈沖的入射，故在兩個相鄰的激光脈沖之間應留足夠的時間使焦點區域凈化，嚴重影響了激光微噴丸的效率。

技術實現要素：

發明目的：針對上述現有技術，提出一種可控約束的激光微噴丸強化裝置及其方法，改善金屬材料表面激光微噴丸強化質量，并提高效率。

技術方案：一種可控約束的激光微噴丸強化裝置，包括水管管路、儲水箱、液壓泵、流量控制閥、壓力控制閥、緩沖段、收縮段、軟管、三維移動平臺、樣品室、半透半反鏡、高速相機、聚焦鏡、激光器以及計算機；

其中，所述儲水箱、液壓泵、流量控制閥、壓力控制閥、緩沖段、收縮段通過水管管路級聯，再通過收縮段連接所述樣品室，形成整體回路，所述樣品室固定在三維移動平臺上；所述水管管路上安裝有流量計和壓力表；所述樣品室包括樣品室箱體，所述樣品室箱體的上蓋板中央設有開孔，開孔上覆蓋K9玻璃，所述樣品室箱體內設有固定金屬樣品的夾具；所述聚焦鏡、半透半反鏡、高速相機從下至上依次設置在樣品室上部并位于同一豎直軸線上，激光器設置在所述半透半反鏡一側；所述高速相機和三維移動平臺均連接所述計算機。

進一步的，還包括水浴溫度控制器，所述儲水箱與水浴溫度控制器連接。

一種可控約束的激光微噴丸強化方法，采用去離子水幕作為約束層，所述去離子水幕通過循環水系統提供，利用高速相機在線觀測激光微噴丸強化過程中氣泡的生長和聚集情況，利用電機帶動液壓泵使去離子水在整個循環水系統中循環流動，通過控制循環水系統中去離子水的壓力和流量，帶走激光微噴丸強化過程中焦點附近產生的氣泡，并通過調節去離子水的壓力提高激光微噴丸的效果。

進一步的，利用水浴溫度控制器控制所述循環水系統中去離子水的溫度恒定。

有益效果：本發明是一種可控約束的激光微噴丸強化裝置及其方法，在激光微噴丸過程中，利用電機帶動液壓泵使去離子水在整個系統中循環流動，利用高速相機在線觀測激光微噴丸強化過程中氣泡的生長和聚集情況，然后利用流量控制閥和流量計來控制和測量循環水系統中去離子水的流量，通過控制循環水系統中去離子水的壓力和流量，從而帶走激光微噴丸強化過程中焦點附近產生的氣泡，同時使循環水系統中去離子水保持一定壓力，其具體效果如下：

(1)通過增加去離子水的壓力和流量來去除激光微噴丸過程中產生的氣泡，大幅減小了脈沖之間的間隔時間，提高了激光微噴丸的效率。

(2)循環水系統中的去離子水保持一定壓力，增加了激光微噴丸金屬樣品表面去離子水幕的剛性，提高了去離子水幕對等離子體爆炸的約束作用，增強了材料表面激光誘導的沖擊波壓力，對提高激光微噴丸的強化效果起到積極作用。

(3)該激光微噴丸強化裝置中K9玻璃和樣品之間的距離是固定的，去離子水會在壓力的作用下充滿K9玻璃和樣品之間的空間，從而使樣品表面去離子水幕的高度恒定，提高激光微噴丸效果的穩定性。

附圖說明

圖1為本發明可控約束的激光微噴丸強化裝置的結構示意圖；

圖2為本發明裝置的樣品室結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。

如圖1所示，一種可控約束的激光微噴丸強化裝置，包括用于去離子水循環的水管管路1；用于存儲去離子水的儲水箱2；用于向循環水系統中去離子水輸入能量的電機4和液壓泵3；用于控制循環水系統中去離子水流量的流量控制閥5；用于測量循環水系統中去離子水流量的流量計6；用于控制循環水系統中去離子水中壓力的壓力控制閥7；用于穩定去離子水的緩沖段8；用于加速循環水系統中去離子水速度的收縮段9；用于顯示循環水系統中去離子水壓力的壓力表10；用于連接樣品室14與收縮段9的軟管11，并且軟管11具有較好的柔韌性，不影響樣品室14隨三維移動平臺12運動；用于帶動樣品室14及金屬樣品13運動的三維移動平臺12；用于放置和觀察金屬樣品13的樣品室14，用于反射脈沖激光的半透半反鏡15；用于觀察激光微噴丸過程中金屬樣品表面氣泡狀態的高速相機16；用于聚焦脈沖激光的聚焦鏡17；用于產生激光微噴丸所需脈沖激光的激光器18；用于控制循環水系統中去離子水溫度的水浴溫度控制器19；用于控制三維移動平臺12運動、顯示和記錄高速相機16拍攝到激光微噴丸過程中產生的氣泡狀態的計算機20。

如圖2所示，樣品室14包括用于鎖緊上蓋板的螺栓14-1；用于高速相機觀察和激光穿透的K9玻璃14-2；用于樣品室14的密封和安裝K9玻璃14-2的上蓋板14-3；用于連接樣品室14與軟管11的軟管接口14-4；用于構成樣品室14的樣品室箱體14-5；用于安裝金屬樣品13的夾具14-7。

樣品室14通過兩側的軟管接口14-4與軟管11相連接，軟管11與壓力表10相連接，壓力表10與收縮段9、緩沖段8、水管管路1、壓力控制閥7、流量計6、流量控制閥5按圖中依次連接；流量控制閥5通過水管管路1與液壓泵3相連接，液壓泵3與電機4相連接，儲水箱2通過水管管路1與液壓泵3相連接，水浴溫度控制器19與儲水箱2相連接。

首先將金屬樣品表面打磨處理，使表面粗糙度值小于Ra0.8，然后浸沒在酒精中進行超聲清洗5分鐘，清洗完畢后進行烘干處理，將吸收層14-6涂覆在金屬樣品表面，完成激光微噴丸強化的前期準備，吸收層14-6選用厚度為20μm的黑鋁箔。

樣品室14固定在三維移動平臺12上，打開樣品室14的上蓋板14-3，將金屬樣品13固定在樣品室14中的夾具14-7上，調整金屬樣品13的高度，使其表面距離上蓋板3mm，再將樣品室14的上蓋板14-3用螺栓14-1鎖緊密封。

啟動水浴溫度控制器19，使循環水系統中的去離子水加熱到設定溫度，加熱溫度范圍為0～90℃；改變設定溫度可以得到不同的噴丸效果。然后啟動電機4來驅動液壓泵3工作，使去離子水在整個系統中循環，通過調節流量控制閥5和壓力控制閥7使流量計6、壓力表10顯示的循環水系統中去離子水的流量和壓力均為設定值。

然后依次開啟計算機20、高速相機16、激光器18，調整高速相機16使其對焦在金屬樣品13表面，調整半透半反鏡15和聚焦鏡17使激光聚焦在金屬樣品13表面，使金屬樣品表面的激光功率密度達到1.5GW/cm²以上，通過計算機20控制三維移動平臺12運動，實現對金屬樣品13表面不同位置進行激光微噴丸強化，并在計算機20上記錄和顯示高速相機16在激光微噴丸強化過程觀測到的氣泡信息。

高速相機16觀測到氣泡后，利用壓力控制閥、流量控制閥、流量計和壓力表來控制循環水系統中去離子水的壓力和流量，通過增加去離子水的壓力和流量來去除激光微噴丸過程中產生的氣泡。其中，去離子水的流量調整到10～12L/min，循環水系統中壓力調節范圍為0.1～15MPa；在激光微噴丸強化過程中，根據高速相機觀察氣泡產生和去除的情況，來調整壓力值，壓力越大氣泡除去效果越好；同時，當壓力較小時，去離子水對等離子體的約束較弱，對增強激光微噴丸強化有較小的促進作用；當壓力較大時，去離子水對等離子體的約束較強，能夠顯著提高激光微噴丸強化的效果。

上述操作完成后，依次關閉激光器18、高速相機16、電機4，關閉水浴溫度控制器19，打開樣品室14，取出金屬樣品13，完成整個激光微噴丸強化過程。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。