一种提高激光诱导冲击波压力的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 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
[0002] 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 4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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] -种提高激光诱导冲击波压力的方法，利用激光诱导铝箱产生等离子体，高压脉 冲电极对离子体放电，诱发形成光电复合能场，进而诱导产生具有超高密度、超高速膨胀特 征的高温等离子体，使高温等离子体在约束状态下撞击待加工表面，大幅提高激光诱导的 冲击波压力，使高强材料表面强化，提高其强度、硬度、抗磨损以及抗疲劳性能，该方法可以 在固定激光能量下将激光诱导的冲击波压力提高数至数十倍，解决了目前激光冲击强化技 术受激光器功率所限制的技术难题，适用于高强合金材料的激光冲击强化。其方法步骤如 下：1)将纳秒脉冲激光照射在贴有铝箱的工件表面上；2)铝箱吸收激光产生气化；3)在激 光作用下，气化物质电离产生具有导电特性的等离子体团；4)等离子体团继续吸收激光能 量而膨胀，促使等离子体团外表面迅速向外扩展；5)等离子体团外表面进入对称电极的放 电间隙后，对称电极自动放电，从而自动诱发形成光电复合能场，产生数千甚至数万摄氏度 的高温，该温度远高于激光自身温度以及脉冲放电温度；6 )受高温作用，等离子体密度迅速 增加并产生爆炸，实现了等离子体的超高速膨胀，膨胀速度远高于激光自身诱导的等离子 体膨胀速度；7)在放电介质的约束下，超高速膨胀态的等离子体气体以超高压力冲击工件 表面产生显著的强化效应，如高密度位错，高幅残余压应力等。
[0009] 本发明所需激光脉宽为10~100ns，以保证冲击波具有充分的响应时间。为保证 在空间各方向上放电的均匀性以及等离子体膨胀速度的一致性，对称电极在水平面内围绕 光斑中心点对称布置，数量为2~6个。
[0010] 本发明高压电源的临界电压
，其中忍 为放电介质击穿时的临界电场强度，妙3放电介质击穿时等离子体外表面与电极之间的距 离，A为电极放电端与铝箱表面光斑中心的距离，伪等离子体膨胀速度，（为放电介质击穿 的时间，i「为激光能量，r为脉冲宽度，功激光光斑直径，常数可通过实验数据获得。对 称电极的极间距4为〇. 8~1. 0化电极放电端与铝箱表面光斑中心的距离Li保持在0. 5~ 0. 8允τ?为激光光斑直径。
[0011] 激光诱导冲击波的时间分布可以通过放电介质击穿时间?〇调节，放电介质击穿时 间?ο由电极放电端与铝箱表面光斑中心的距离A调节，具体为
冲击波压力 时间分布函数为:
，其中J ( 为激光诱导冲击波的压力因子，平 均冲击波压力
，其中，σ为激光吸收系数，Ζ为相对声阻抗，为激光 功率密度，复合场系数Γ 战/高压电源电压。
[0012] -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装置包括激光冲击 系统、脉冲放电系统以及运动平台系统；所述激光冲击系统包括激光器、控制系统、45°全 反镜，所述激光器与控制系统之间使用数据线链接；脉冲放电系统包括对称电极、吊架、水 平滑轨、流体栗、存贮池和高压电源，所述对称电极设于水平滑轨上，水平滑轨与吊架连接， 对称电极之间的极间距L2在水平滑轨上可调，所述对称电极通过高功率电线与高压电源相 连接；流体栗将放电介质从存贮池抽出，并通过放电池入口进入放电池，放电池中的放电介 质通过放电池出口回流至存贮池；流体栗与存贮池间设置滤清器；所述运动平台系统包含 X方向工作台、Y方向工作台以及Z方向工作台，且分别设置有X方向手动调节旋钮、Y方向 手动调节旋钮、Z方向手动调节旋钮。放电介质采用矿物质油或者去离子水，电极采用电铸 Cu或Cu基复合材料。其特征在于操作步骤如下： A.调节对称电极的极间距1^至0. 8~1. 0 #以及电极放电端与铝箱20表面光斑中心 的距离A至〇. 5~0. 8化调整高压电源输出电压至临界电压，保证对称电极可被激光诱导 等离子体云自动诱发放电。
[0013] B.开启流体栗，将放电介质输送至放电池，并保证放电池内放电介质的液面高度 高于对称电极的放电端，随后调整流体栗流量使放电介质的液面高度保持恒定。
[0014] C.依次开启激光冲击系统、脉冲放电系统以及运动平台系统，预热5~15分钟。
[0015] D.通过外部计算机将激光器控制系统与运动平台控制系统实现协同控制，使激光 器与运动平台完成光电复合能场下的激光冲击强化。
[0016] E.依次关闭激光器、运动平台以及脉冲电源，取出试样，并对整个系统进行清洁维 护。
[0017] 本发明专利可以实现的有益效果为： 1.本发明方法中，激光可以利用等离子体导电特性以及膨胀特性而自动诱发脉冲放电 过程，形成复合能场，诱发过程无需外部控制，易于实现。
[0018] 2.本发明方法通过复合能场显著增加等离子体密度，有助于冲击波压力的增加。
[0019] 3.本发明方法中，光电复合能场产生的局部高温环境会促使等离子体超高速膨 胀，故可以成倍的增加冲击波压力，增幅高达数至数十倍； 4.本发明方法通过调整放电介质击穿时间控制冲击波波形，改善冲击波压力的时空分 布。
[0020] 5.本发明方法原理简单，易于实施，加工效率高； 6.本发明装置结构简单，自动化程度高，成本低廉。
【附图说明】
[0021] 图1为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的原理 图。
[0022] 图2为一种提高激光诱导冲击波压力的装置图。其中，1.激光器控制系统，2.纳秒 激光器，3. 45°全反镜，4.高压电源，5.运动平台控制系统，6.放电池，7. Z方向运动平台， 8. X方向平台手动旋钮，9. X方向运动平台，10. Y方向平台手动旋钮，11. Y方向运动平台， 12.放电介质，