本发明专利技术提供了一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化装置，包括工控机、激光器、光纤、激光加工头、工件、上电磁线圈、上磁极夹具、下电磁线圈和下磁极夹具；激光器通过光纤与激光加工头相连，使得激光器输出的激光束通过光纤的传导进入激光加工头；上电磁线圈安装在上磁极夹具上，下电磁线圈安装在下磁极夹具上；上磁极夹具与下磁极夹具通过上电磁线圈与下电磁线圈的磁力固定在工件表面；工控机控制上电磁线圈、下电磁线圈中的电流大小，并控制激光器的脉冲输出。其具有安全环保、加工效率高、冲击力增效调控方便、均匀性好、适应性强、结构简单、操作方便、成本低的优点。本发明专利技术还同时提供了一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光加工领域，具体涉及一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化方法及装置。
技术介绍
激光冲击强化(Laser shock processing,简称LSP)技术是一种新型表面强化技术，是利用高功率密度(大于109W/cm2)、短脉冲(ns级)的激光束透过约束层辐照到金属材料表面，使金属表面吸收层充分吸收激光能量，在极短时间内汽化、电离形成等离子体，膨胀的等离子体受约束层限制产生冲击金属靶材表面并向金属内部传播的高强度(GPa级)冲击波，使材料产生屈服和塑性变形，同时在冲击区域产生残余压应力，提高材料的强度、硬度、耐磨性和耐应力腐蚀性能，尤其能有效改善材料的抗疲劳断裂性能。约束层是增强激光冲击强化效果的有效手段，无约束层的激光冲击只能产生MPa级的冲击力，而施加约束层后却能将冲击力增至GPa级，显著提高激光冲击强化效果。然而，采用施加约束层增强冲击力的方法降低了一般激光加工技术均具备的柔性化特点，使激光冲击强化工艺变得复杂且应用范围变窄。例如:利用玻璃作为约束层时必须要求被冲击表面为平面，且玻璃极易破碎，冲击后常需要更换，且冲击时会产生玻璃碎片飞溅的现象，对仪器和人员存在安全隐患，而且清理也十分麻烦；利用冰作为约束层能解决玻璃约束层存在的安全隐患，清理方便，但冰易于融化，对实验装置具有一定的影响，而且冰约束层需现场制备，严重影响了冲击连续性和冲击效率；利用柔性贴膜作为约束层虽然能解决上述的一些缺陷，但由于约束层为柔性，对冲击力的增效不如刚性的约束层明显，且柔性贴膜的选材、制造要求较高，成本也相对较高；利用水作为约束层时虽能解除对加工表面形状的限制，但用水作为约束层的激光冲击强化装置复杂、操作繁杂，不能保证水约束层厚度的均匀性，对激光参数有一定要求，对冲击效果也有一定影响，增效效果不明显；其他如利用高压气体作为约束层的一些方法也具有类似的缺点。可见，现有的激光冲击强化方法所采用的约束层均存在一定的局限性，主要是由于所采用的是实体约束层，从而导致存在飞溅安全隐患、效率低下、冲击力增效受局限、均匀性不足、装置复杂、操作繁杂。因此，若能不使用实体约束层也能实现增强激光冲击力无疑是对激光冲击强化方法的一次巨大提升。
技术实现思路
本专利技术针对现有激光冲击强化方法必须采用实体约束层所带来的不足，提出一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化装置，具有安全环保、加工效率高、冲击力增效调控方便、均匀性好、适应性强、结构简单、操作方便、成本低的优点。本专利技术还同时提供了一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化方法。本专利技术采用的 技术方案如下:—种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化装置，包括工控机、激光器、光纤、激光加工头、工件、上电磁线圈、上磁极夹具、下电磁线圈和下磁极夹具；激光器通过光纤与激光加工头相连，使得激光器输出的激光束通过光纤的传导进入激光加工头，然后经过激光加工头出口处的聚焦透镜，会聚辐照在工件上需要进行冲击强化的区域表面；上电磁线圈安装在上磁极夹具上，下电磁线圈安装在下磁极夹具上；上磁极夹具与下磁极夹具通过上电磁线圈与下电磁线圈的磁力固定在工件表面；所述上电磁线圈与下电磁线圈均为中空结构，使得激光束正好可从中穿过；[0011 ] 上电磁线圈、下电磁线圈和激光器均与工控机相连，工控机控制上电磁线圈、下电磁线圈中的电流大小，并控制激光器的脉冲输出。本专利技术还同时提供了一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化方法，包括如下步骤: 第一步:在工件需要进行冲击强化的区域喷涂吸收层；第二步:安装工件，使得工件与激光加工头的空间方位满足:激光束通过光纤传导进入激光加工头，然后经过激光加工头出口处的聚焦透镜，垂直辐照在第一步中工件需要进行冲击强化的区域，并使聚焦焦点位于区域表面；第三步:调节上磁极夹具与下磁极夹具，使其与工件的空间方位满足:上磁极夹具与下磁极夹具通过上电磁线圈与下电磁线圈的磁力固定在工件的表面，其中上电磁线圈及下电磁线圈为中空结构，使得激光束可以正好从中穿过；第四步:通过工控机控制上电磁线圈、下电磁线圈中的电流大小，将上磁极夹具及下磁极夹具分别吸附于工件预冲击区域的正反面，并保证磁感线方向与激光入射方向一致；第五步:工控机控制激光器产生脉冲的激光束，激光束通过光纤传输后，经由激光加工头的聚焦透镜射出，激光束穿过电磁线圈作用于工件上喷涂有吸收层的需要进行冲击强化的区域，通过磁场对激光诱导等离子体的纵向约束，压缩等离子体，限制其扩散，产生激光冲击强化效应；第六步:按第五步所述方法重复多次激光冲击强化处理后，工控机控制激光器停止输出激光束；第七步:取下工件，清洗表面残余吸收层。本专利技术的有益效果在于:1、本专利技术的激光冲击强化方法，利用电磁线圈或永磁体形成垂直于工件表面的磁场，通过磁场对激光诱导等离子体的纵向约束，压缩等离子体，限制其扩散从而达到增加激光冲击力的效果，代替传统的实体约束层，实现用磁场作为约束层的激光冲击强化；2、安全环保，这是由于磁场约束对环境无污染，不存在玻璃约束层存在的破裂问题和水约束层存在的溅射问题，不会对激光设备和人员造成危害；3、加工效率高，这是由于用磁场代替实体约束层，省去了传统激光冲击强化方法对工件布置实体约束层的前处理工序和清除实体约束层的后处理工序，磁极夹具调整方便，使得加工效率大大提闻;4、冲击力增效调控方便，通过工控机控制上电磁线圈、下电磁线圈中的电流大小，可以很方便的调节所产生的磁场对激光诱导等离子体的纵向约束和压缩能力，亦即调节约束力的大小，从而控制冲击力增效的程度。因此，利用磁场对等离子体进行约束，约束力可以根据实验需要进行设定调节，并控制整个冲击过程中的压力的变化。5、均匀性好、适应性强，利用磁场约束，磁场约束力均匀分布，完全解决了实体约束层不均匀的问题，并且能对表面复杂或带有凹凸坑的试件起到很好的约束作用，并且可以再任意倾角的工件上进行加工，适应性强。6、装置结构简单，磁极夹具相比传统的流体约束层更加简单，若工件较厚可不需要下下电磁线圈，单独使用上电磁线圈，但此时上电磁线圈中需流过较大的电流。7、操作方便，降低成本，不存在约束层的损耗问题，可以对试样实现单点多次和多点连续冲击。【附图说明】图1是激光冲击强化装置的结构示意图；图2是磁约束原理图；图3是有磁场和无磁场作用下激光冲击产生残余应力对比图；图中各标号的含义如下:1、工控机；2、激光器；3、光纤；4、激光加工头；5、激光；6、上电磁线圈；7、上磁极夹具；8、吸收层；9、等离子体；10、下磁极夹具；11、下电磁线圈；12、磁感线；13、工件；14、带电粒子。【具体实施方式】下面结合附图详细说明本专利技术方法和装置的细节和工作情况。如图1所示，本专利技术提供了一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化装置，包括工控机1、激光器2、光纤3、激光加工头4、工件13、上电磁线圈6、上磁极夹具7、下电磁线圈11和下磁极夹具10 ；激光器2通过光纤3与激光加工头4相连，使得激光器2输出的激光束5通过光纤3的传导进入激光加工头4，然后经过激光加工头4出口处的聚焦透镜，会聚辐照在工件13上需要进行冲击强化的区域表面；上电磁线圈6安装在上磁极夹具7上，下电磁线圈11安装在下磁极夹具10上；上磁极夹具7与下磁极夹具10通过上电磁本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化装置，其特征在于，包括工控机(1)、激光器(2)、光纤(3)、激光加工头(4)、工件(13)、上电磁线圈(6)、上磁极夹具(7)、下电磁线圈(11)和下磁极夹具(10)；激光器(2)通过光纤(3)与激光加工头(4)相连，使得激光器(2)输出的激光束(5)通过光纤(3)的传导进入激光加工头(4)，然后经过激光加工头(4)出口处的聚焦透镜，会聚辐照在工件(13)上需要进行冲击强化的区域表面；上电磁线圈(6)安装在上磁极夹具(7)上，下电磁线圈(11)安装在下磁极夹具(10)上；上磁极夹具(7)与下磁极夹具(10)通过上电磁线圈(6)与下电磁线圈(11)的磁力固定在工件表面；所述上电磁线圈(6)与下电磁线圈(11)均为中空结构，使得激光束正好可从中穿过；上电磁线圈(6)、下电磁线圈(11)和激光器(2)均与工控机(1)相连，工控机(1)控制上电磁线圈(6)、下电磁线圈(11)中的电流大小，并控制激光器(2)的脉冲输出。
【技术特征摘要】
1.一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化装置，其特征在于，包括工控机(I)、激光器(2)、光纤(3)、激光加工头(4)、工件(13)、上电磁线圈(6)、上磁极夹具(7)、下电磁线圈(11)和下磁极夹具(10)； 激光器(2)通过光纤(3)与激光加工头(4)相连，使得激光器(2)输出的激光束(5)通过光纤(3)的传导进入激光加工头(4)，然后经过激光加工头(4)出口处的聚焦透镜，会聚辐照在工件(13)上需要进行冲击强化的区域表面； 上电磁线圈(6)安装在上磁极夹具(7)上，下电磁线圈(11)安装在下磁极夹具(10)上； 上磁极夹具(7)与下磁极夹具(10)通过上电磁线圈(6)与下电磁线圈(11)的磁力固定在工件表面；所述上电磁线圈(6)与下电磁线圈(11)均为中空结构，使得激光束正好可从中穿过； 上电磁线圈(6)、下电磁线圈(11)和激光器(2)均与工控机⑴相连，工控机⑴控制上电磁线圈(6)、下电磁线圈(11)中的电流大小，并控制激光器(2)的脉冲输出。2.一种用磁场代替实体约束层的激光冲击强化方法，其特征在于，包括如下步骤: 第一步:在工件(13)需要进行冲击强化的区域喷涂吸收层； 第二步:安装工件(13)，使得工件(13)与激光加工头(4)的空间方位满足:激光束...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯爱新，薛伟，何叶，李峰平，卢轶，曹宇鹏，曹宇，瞿建武，朱德华，许炎，周俭，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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