激光混强场装置制造方法及图纸

激光混强场装置，包括内腔为球形结构的壳体，在壳体的球形内腔中镶嵌有若干个半导体激光器阵列，除半导体激光器陈列出射口处的壳体内壁上设置有一层耐高温全反射层，在各半导体激光器的出射口均设置有挡板，壳体的一侧开设有一面积为S1的开口，该开口上安装有内壁设置有耐高温全反射层的封闭门。本实用新型专利技术使入射激光经过多次反射能够产生强度均匀分布的激光场，这样无论零部件的结构简单还是复杂，零部件的不同部位都可以在激光混强场中受到均匀激光束的激光冲击，达到激光冲击强化的效果，解决了现有技术存在的问题。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于激光加工领域，具体涉及一种激光冲击强化处理的激光混强场装置，可以对形状简单或外形复杂的工件进行高效地激光冲击强化处理。
技术介绍
随着科学技术的发展，对机械零部件的性能要求也越来越高，其使用环境也变得越来越苛刻。许多机械结构必须在高压、高温、高磨损和高腐蚀的外部条件下使用，从而导致零部件极易破损和失效。为了提高零部件的使用性能，继激光热处理、激光非晶化及和激光毛化等表面处理技术之后，近几年又出现了激光冲击处理新技术(Laser Shock Processing, LSP)技术(也称激光喷丸技术)。激光冲击处理能够改善零件表层材料的亚结构以及产生有益的残余压应力，从而提高零部件的疲劳寿命和增强抗应力腐蚀能力，延长零件使用寿命。作为当今世界上最先进的金属表面强化手段，激光冲击强化技术是提升装备安全可靠性，提高其经济性指标的有效途径和重要手段，可广泛应用于国内与机械制造相关的航空、船舶、汽车、石油化工、装备制造和核工业等众多领域。激光冲击强化是利用强激光束产生等离子冲击波来对材料进行强化处理，在材料表层产生深达Imm及以上的残余压应力层，从而提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。是利用强激光诱导冲击波来强化金属表面的一种新技术。为了提高对激光能量的吸收和保护金属材料表面不受到激光的热损伤，在激光冲击前，一般在工件的待冲击表面区域涂上一层不透光的材料，称之为涂层，然后再覆盖一层透明材料，称之为约束层。当高功率密度短脉冲的强激光穿过透明约束层冲击金属板料表面的能量吸收层时，能量吸收层充分吸收高能激光的能量，而在极短时间内汽化电离形成一个高温高压的等离子体层，概等离子层迅速向外喷射，由于约束层的存在，等离子体的膨胀受到约束限制，导致等离子体压力迅速升高，结果施于靶面一个冲击加载，产生向金属内部传播的强冲击波。由于这种冲击波压力高达数GPa，远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生屈服和塑性变形，同时在成形区域产生残余压缩力，改善了成形件的疲劳和腐蚀性能，当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。自2003年起，美国空军已经将激光冲击处理技术应用于航空发动机的整体叶盘。 整体叶盘结构是提高发动机性能、简化结构、减重、提高可靠性的重要措施。经激光冲击强化的叶片的抗异物破坏能力和疲劳性能大幅度提升，甚至已强化叶片边缘缺口小于3mm 时，其使用寿命仍与完好的未强化叶片相当。由于单体叶片性能的提升，减少了因单个叶片损坏而报废整个叶盘的几率。在役未强化的整体叶盘叶片出现微小裂纹后，可对其进行激光冲击处理再制造，疲劳强度仍满足设计要求。到2009年，F22战斗机上75%的整体叶盘都经过了激光冲击处理。目前，该项技术的基础应用领域还在不断扩展。美国应用该技术在航空发动机结构上解决了许多关键技术问题，但对我国是技术封锁的。激光冲击强化处理会在材料表面留下较大的残余压应力，当冲击件两面受到的激光冲击不对称时，由于激光冲击强化处理产生的残余压应力也不对称，从而导致冲击件的宏观变形，致使冲击件受损，尤其在冲击件厚度小于6. 3mm时，宏观变形的现象就更加明显。为了避免激光冲击后整体叶盘叶片产生宏观变形，通常要采用双面冲击的方式，即使得作用于叶片正反两面的两束激光的作用时间一致、光斑尺寸大小相同，但是，由于受到整体叶盘相邻叶片空间尺寸的限制，激光冲击强化采用双面对称斜入射方式在相邻叶片尺寸较小的情况下是不可行的。此外，以该技术在航空发动机叶片的强化的应用为例说明现有的激光冲击强化技术的局限性。与单体叶片相比，整体叶盘的激光冲击处理需要考虑两相邻叶片之间的干涉和可达性问题。对于整体叶盘而言，其叶片具有不可拆卸性。由于相邻叶片的间距比较小， 在对叶身及叶根部分进行激光冲击强化时，垂直入射的激光会被相邻叶片遮挡，无法直接作用于待冲击叶片的表面。这就迫使在进行激光冲击强化处理时入射激光束需要以一定角度斜入射作用于待处理的叶片表面，从而避免其它叶片对入射激光的遮挡，提高激光强化处理的效果。在双面对称入射的方案中，对入射激光的斜入射角度也有一定要求。由于光在空气和透明介质之间传播时入射角越大，反射率越高，因而为了减少激光在水约束层表面的反射损失，一般要求入射角度选在30° 60°之间。在入射激光的入射角度得到控制后， 以上对整体叶盘的激光强化技术上是可行的。但是通过实践应用的总结发现，上述技术存在两个主要问题第一是该技术方案在加工过程中需要频繁的转动待强化处理的叶盘，使得激光强化处理的过程工作效率较低；第二是在每次转动待强化处理的叶盘之后，都需要重新调整入射激光入射角度，由于入射角度改变，激光入射能量分布不均勻，对叶片表面强化效果也就不理想。此外，在对整体叶盘进行激光冲击强化时，激光冲击每次在叶片上产生圆光斑，为了保证叶片冲击区域达到100%的覆盖率，这就对圆光斑之间的搭接方式有较高的要求。由此可见，采用双面对称斜入射激光冲击进行激光冲击强化处理时的工作效率是比较低的。除此之外，在用上述技术和方法对薄板结构整个表面进行双面对称激光冲击强化之后，经过试验测试却发现经过上述处理的薄板的疲劳寿命反而出现大幅度的降低。疲劳寿命降低的主要原因是薄板表面的逐点激光强化后引起的局部应力集中造成的。由于逐点进行激光强化时材料的应变率很高，造成局部应力集中，容易产生裂纹，从而大大降低了激光强化后的疲劳寿命。现有技术在加工过程中需要频繁的转动待强化处理的叶盘，使得激光强化处理的过程工作效率较低；在每次转动待强化处理的叶盘之后，都需要重新调整入射激光入射角度，由于入射角度改变，激光入射能量分布不均勻，对叶片表面强化效果也就不理想针对上述情况。
技术实现思路
本技术的目的在于克服整体叶盘在激光冲击时相邻叶片干涉和需要双面冲击的技术难题，提供一种能够提高冲击强化效率，而且能够解决靶材激光强化后疲劳寿命降低的问题，对叶盘表面进行一次性整体激光强化的激光混强场装置。即提供一个强度均勻的激光场来对同一靶材表面进行同时性激光强化的激光混强场装置。为达到上述目的，本技术采用的技术方案是包括内腔为球形结构的壳体，在壳体的球形内腔中镶嵌有若干个半导体激光器阵列，除半导体激光器陈列出射口处的壳体内壁上设置有一层耐高温全反射层，在各半导体激光器阵列的出射口均设置有挡板，壳体的一侧开设有一面积为S1的开口，该开口上安装有内壁设置有耐高温全反射层的封闭门。所述的开口的面积S1ZiS ( 0. 0025，其中S为壳体的内表面面积。所述的半导体激光器阵列的出射光偏离开口。所述的挡板为石英玻璃板。所述的壳体的外侧设置有水冷却装置。所述的耐高温全反射层采用三维光子晶体结构材料。所述的三维光子晶体结构材料通过反蛋白石(Inverted Opal)光子晶体合成的方法制得，按体积比填充材料占对％，空气占76%，所述的填充材料为砷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴九汇，胡志平，张铁山，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：实用新型
国别省市：