利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法与装置制造方法及图纸

一种利用光水复合体对金属构件表面激光喷丸强化的方法与装置，涉及激光加工技术领域。本发明专利技术利用高能量密度激光束与具有一定压力的去离子水进行耦合后得到的光水复合体对材料表面进行喷丸强化。光水复合体喷丸强化解决了流水约束层由于厚度不均匀以及较高的柔性所带来的喷丸效果不理想的问题，具有一定压力的去离子水具备一定的动量，其约束效果可以近似于刚性约束，约束效果更好；同时，喷丸后，去离子水与激光诱导冲击压力叠加，使得材料表面产生的残余压应力幅值显著提高，残余压应力场分布更均匀，并且表层材料高度纳米化，有效地改善了材料的力学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光加工与材料表面改性领域，尤其是一种采用高能量密度激光束与高压去离子水进行耦合得到的光水复合体对金属构件表面进行喷丸强化以改善金属构件力学性能及疲劳性能的方法与装置。
技术介绍
科学技术的迅猛发展对金属构件的精度、性能和寿命提出了越来越高的要求，其使用环境日益苛刻，许多金属构件必须服役于高压、高温、高磨损和高腐蚀的外部条件，而金属构件在其加工制造过程中难免会在表面产生各类的微裂纹和缺陷，从而导致应力集中，致使金属构件破损直至失效。在现代工业的各个领域中，大约有80%的结构强度破坏是由于疲劳破坏造成的，这给工业技术各领域带来严重威胁和巨大损失，因此，金属构件的抗疲劳制造已成为现代工业
的热点研究问题。在生产实践中，金属构件的抗疲劳制造方法多种多样，常见的有表面淬火、化学热处理、机械加工如滚压、挤压、喷丸、抛光等。随着激光技术在工业各领域的广泛使用，一种新的抗疲劳制造技术应运而生-激光喷丸强化技术(Laser Shock Peening, LSP),其利用高能量(GW/cm2)短脉冲(ns)激光束辐照涂覆有能量吸收层和能量约束层的金属构件表面，能量吸收层吸收激光能量后迅速汽化生成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量后爆炸产生爆轰波(GPa级)作用于金属构件材料表面，并向其内部传播，使金属构件表面产生塑性变形和残余压应力场，表层材料晶粒细化，显著提高金属构件疲劳强度及抗腐蚀能力。目前，激光喷丸强化技术已经成功应用在汽车、航空航天的抗疲劳制造领域。在对金属构件实施激光喷丸强化工艺过程中，约束层的作用是限制等离子体爆轰波扩散，使其更为集中地作用于金属构件表面，目前，常用的约束层材料有K9玻璃、柔性贴膜、流动水帘等，其中流动水帘被广泛采用，其优势体现在①成本低，柔性好，可循环使用； ②对复杂曲面的适用性强；③不会产生废弃残渣，环保无污染，但流动水帘有一个难以克服的缺点，即流水的刚性不足，其对爆轰波约束效果不佳，大大地削弱了激光喷丸效果。一种性能优异的约束模式既需具备如K9玻璃的刚性，从而产生对等离子体爆轰波超强的阻抑作用，又需具备流动水帘的柔性，以满足多工位、多角度、复杂金属构件的喷丸强化；既能以较低的成本和较优的可操作性实现循环利用，达到绿色制造理念，又要符合环保、低碳、无污染的社会主流意识。挖掘与开发这样一种优良的约束模式已经成为激光喷丸强化抗疲劳制造领域的一个研究热点。公开号为1404954的中国专利“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”，其利用两种不同组分的有机硅胶和添加剂按一定的比例配比调和，通过有机玻璃模具将其涂覆在成形件或者强化件表面作为能量约束层，但是该装置仍然存在不足①柔性贴膜在激光冲击成形工艺中可以充分发挥其柔性优势，但是由于其约束刚度不高，达不到K9玻璃那样的约束强度，从而限制了其在激光冲击强化工艺中的应用；②柔性贴膜制作过程复杂、繁琐，不利于其在本领域的推广使用柔性贴膜对于激光能量吸收较多，降低了激光能量的利用率。公开号为1608786的中国专利“以冰为约束层的激光冲击处理方法及装置”，其利用冰约束层与受冲击工件在冰层形成时紧密结合，试样的轴向和径向均受到冰层约束。但是该方法仍然存在不足冰层在激光冲击过程中会有融化现象，致使冰层与工件结合处不再紧密，从而使冲击波压力降低。由物理学知识可知当水以一定的压力喷射到材料表面时，会在材料表面形成一个瞬时高压作用区，此高压作用区相比于在物体表面缓慢流动的水帘对等离子体爆轰波具有更强的阻抑作用，并且当水的压力达到一定值时，高压水本身也会实现自身能量转换液压能一动能一材料表面塑性变形能，最终实现材料表面的加工硬化。因此，寻求一种高压水动态约束模式以提高激光喷丸强化抗疲劳制造的整体工艺效果十分有必要。公开号为 CN201864747U的中国专利“光水同轴的激光冲击强化头”利用了水导光的基本原理，通过激光束和水珠的耦合作用，实现了光水同轴冲击强化，但是其存在一定缺陷①其中的水柱只是起到传导激光的作用，水柱在工件表面仍然相当于流水约束层，约束刚度不够其调焦机械装置复杂繁琐，加工费用高，不利于推广使用。通过对国内外文献进行检索，目前未发现将高压水作为动态约束以及冲击动力实现对材料表面激光喷丸强化的相关报道。本专利技术首次提出高压水动态约束模式这一概念， 并且充分利用高压水自身能量转换这一优势，结合水导光这一物理常识，提出了一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的抗疲劳制造方法及其装置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有表面强化方法和装置存在的不足，专利技术一种在高压水动态约束模式下利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化抗疲劳制造的方法及装置。其中，高压力去离子水的作用为第一，作为动态约束介质，可以近似看作刚性约束，增强激光诱导等离子体爆轰波压力;第二，作为传导介质，使激光束沿着高速传输的水柱传导，水束约束光束，使激光功率密度分布更为均匀；第三，高压力的水柱以较高速度冲击材料表面， 会对材料表面产生冷作硬化效应。本专利技术巧妙地将光和水耦合在一起形成光水复合体，进行金属构件喷丸强化，克服了目前流动水帘约束模式下激光诱导等离子体爆轰波约束强度不够的缺点，使得喷丸后金属构件材料表层残余压应力分布更加均匀，残余压应力幅值大幅提高，表层材料晶粒纳米化更加均匀，抗疲劳性能明显改善。本专利技术的技术方案之一是一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法，其特征在于利用水作为激光束的导光介质，使高能量密度激光束与具有一定压力的去离子水进行耦合，利用耦合后的光水复合体对材料表面进行喷丸强化，材料表面吸收层吸收激光能量后诱导等离子爆轰波产生的压力与高压水流产生的压力叠加，使得材料表面发生更加明显的塑性变形，产生更大的残余压应力场，同时材料表层晶粒高度纳米化，力学性能得到改善。本专利技术的利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法包括如下具体步骤A)用工业酒精清洗金属构件的表面，然后将能量吸收层涂覆在待处理区域，将金属构件试样放置于五轴联动数控工作台上；B)开启液压泵，调节液压调压阀压力，控制液压指示盘的压力显示在5(T80MPa压力范围之内，将储水腔内慢慢充满去离子水，此时的去离子水会流出喷嘴并且以5(T80MPa的冲击力冲击材料表面；C)开启气压泵，调节气压调压阀压力，控制气压指示盘的压力显示在5 30MPa之间， 将压力为5 30MPa的空气输送至高压气腔，经由下端喷嘴喷出；D)启动计算机系统控制Nd= YAG固体激光器和五轴联动数控工作台至预定加工轨迹， 通过调节聚焦透镜的高度调节焦点的位置，使Nd:YAG固体激光器发出激光能量为100 πιΓ2 J、光斑直径为O. 2^2 mm的激光束，激光束与水耦合生产光水复合体，此时进一步调节液压调压阀的压力，使其达到200 300 MPa，进行光水复合喷丸强化。E)喷丸完毕后，关闭激光器与计算机系统，然后依次关闭液压泵与气压泵，取下工件。对金属构件表面进行喷丸强化所使用的动力有两个来源一个是经由液压泵、液压调压阀、储水腔、喷嘴喷出的高压去离子水冲击在金属构件表面的压力；另一个是高能量密度激光束在金属构件表面诱导的等离子体爆轰波施加在材料表面的巨大冲击力，上述两个压力叠加后引起材料表面塑性变形继而诱导残余压应力场和晶粒纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法，其特征在于利用水作为激光束的导光介质，使高能量密度激光束与具有设定压力的去离子水进行耦合，以高压去离子水为约束层，同时利用耦合后的光水复合体对材料表面进行喷丸强化，材料表面吸收层吸收激光能量后诱导等离子爆轰波产生的压力与高压水流产生的压力叠加，使得材料表面发生塑性变形，产生残余压应力场，同时材料表层晶粒高度纳米化，力学性能得到改善。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄舒，左立党，周建忠，盛杰，孟宪凯，王宏宇，田清，钟辉，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：