一种可控约束的激光微喷丸强化装置及其方法与流程

本发明涉及激光加工和表面改性技术领域，尤其涉及一种可控约束下金属材料表面激光微喷丸强化的加工方法和装置。

背景技术：

激光微喷丸强化是利用激光诱导冲击波的力效应提高金属材料表面力学性能的一种有效方法，具有潜在的应用前景。

激光微喷丸强化金属零件表面时，约束层的作用是限制爆炸的等离子体自由扩散，使冲击波的力效应更为集中地作用在金属表面，常用的约束层有K9玻璃和流动的去离子水幕。激光微喷丸强化时，低能量脉冲激光产生的等离子体较弱，K9玻璃与金属材料表面存在贴合缝隙，不能完全密封等离子体，严重影响了激光微喷丸的效果。流动的去离子水幕能适应零件不同形状的表面，与零件表面贴合较紧，成本低、透光性好，可循环使用，且水流能够带走吸收层所产生的残渣，但流动的去离子水幕也存在难以克服的问题：(1)由于流动的去离子水深度难以精确控制，影响了激光微喷丸过程中对等离子体约束的稳定性，从而使得激光微喷丸效果不能很好的控制。(2)激光焦点处汽化的去离子水形成气泡，自然水流难以快速的将其带走，从而影响了后续激光脉冲的入射，故在两个相邻的激光脉冲之间应留足够的时间使焦点区域净化，严重影响了激光微喷丸的效率。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术，提出一种可控约束的激光微喷丸强化装置及其方法，改善金属材料表面激光微喷丸强化质量，并提高效率。

技术方案：一种可控约束的激光微喷丸强化装置，包括水管管路、储水箱、液压泵、流量控制阀、压力控制阀、缓冲段、收缩段、软管、三维移动平台、样品室、半透半反镜、高速相机、聚焦镜、激光器以及计算机；

其中，所述储水箱、液压泵、流量控制阀、压力控制阀、缓冲段、收缩段通过水管管路级联，再通过收缩段连接所述样品室，形成整体回路，所述样品室固定在三维移动平台上；所述水管管路上安装有流量计和压力表；所述样品室包括样品室箱体，所述样品室箱体的上盖板中央设有开孔，开孔上覆盖K9玻璃，所述样品室箱体内设有固定金属样品的夹具；所述聚焦镜、半透半反镜、高速相机从下至上依次设置在样品室上部并位于同一竖直轴线上，激光器设置在所述半透半反镜一侧；所述高速相机和三维移动平台均连接所述计算机。

进一步的，还包括水浴温度控制器，所述储水箱与水浴温度控制器连接。

一种可控约束的激光微喷丸强化方法，采用去离子水幕作为约束层，所述去离子水幕通过循环水系统提供，利用高速相机在线观测激光微喷丸强化过程中气泡的生长和聚集情况，利用电机带动液压泵使去离子水在整个循环水系统中循环流动，通过控制循环水系统中去离子水的压力和流量，带走激光微喷丸强化过程中焦点附近产生的气泡，并通过调节去离子水的压力提高激光微喷丸的效果。

进一步的，利用水浴温度控制器控制所述循环水系统中去离子水的温度恒定。

有益效果：本发明是一种可控约束的激光微喷丸强化装置及其方法，在激光微喷丸过程中，利用电机带动液压泵使去离子水在整个系统中循环流动，利用高速相机在线观测激光微喷丸强化过程中气泡的生长和聚集情况，然后利用流量控制阀和流量计来控制和测量循环水系统中去离子水的流量，通过控制循环水系统中去离子水的压力和流量，从而带走激光微喷丸强化过程中焦点附近产生的气泡，同时使循环水系统中去离子水保持一定压力，其具体效果如下：

(1)通过增加去离子水的压力和流量来去除激光微喷丸过程中产生的气泡，大幅减小了脉冲之间的间隔时间，提高了激光微喷丸的效率。

(2)循环水系统中的去离子水保持一定压力，增加了激光微喷丸金属样品表面去离子水幕的刚性，提高了去离子水幕对等离子体爆炸的约束作用，增强了材料表面激光诱导的冲击波压力，对提高激光微喷丸的强化效果起到积极作用。

(3)该激光微喷丸强化装置中K9玻璃和样品之间的距离是固定的，去离子水会在压力的作用下充满K9玻璃和样品之间的空间，从而使样品表面去离子水幕的高度恒定，提高激光微喷丸效果的稳定性。

附图说明

图1为本发明可控约束的激光微喷丸强化装置的结构示意图；

图2为本发明装置的样品室结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种可控约束的激光微喷丸强化装置，包括用于去离子水循环的水管管路1；用于存储去离子水的储水箱2；用于向循环水系统中去离子水输入能量的电机4和液压泵3；用于控制循环水系统中去离子水流量的流量控制阀5；用于测量循环水系统中去离子水流量的流量计6；用于控制循环水系统中去离子水中压力的压力控制阀7；用于稳定去离子水的缓冲段8；用于加速循环水系统中去离子水速度的收缩段9；用于显示循环水系统中去离子水压力的压力表10；用于连接样品室14与收缩段9的软管11，并且软管11具有较好的柔韧性，不影响样品室14随三维移动平台12运动；用于带动样品室14及金属样品13运动的三维移动平台12；用于放置和观察金属样品13的样品室14，用于反射脉冲激光的半透半反镜15；用于观察激光微喷丸过程中金属样品表面气泡状态的高速相机16；用于聚焦脉冲激光的聚焦镜17；用于产生激光微喷丸所需脉冲激光的激光器18；用于控制循环水系统中去离子水温度的水浴温度控制器19；用于控制三维移动平台12运动、显示和记录高速相机16拍摄到激光微喷丸过程中产生的气泡状态的计算机20。

如图2所示，样品室14包括用于锁紧上盖板的螺栓14-1；用于高速相机观察和激光穿透的K9玻璃14-2；用于样品室14的密封和安装K9玻璃14-2的上盖板14-3；用于连接样品室14与软管11的软管接口14-4；用于构成样品室14的样品室箱体14-5；用于安装金属样品13的夹具14-7。

样品室14通过两侧的软管接口14-4与软管11相连接，软管11与压力表10相连接，压力表10与收缩段9、缓冲段8、水管管路1、压力控制阀7、流量计6、流量控制阀5按图中依次连接；流量控制阀5通过水管管路1与液压泵3相连接，液压泵3与电机4相连接，储水箱2通过水管管路1与液压泵3相连接，水浴温度控制器19与储水箱2相连接。

首先将金属样品表面打磨处理，使表面粗糙度值小于Ra0.8，然后浸没在酒精中进行超声清洗5分钟，清洗完毕后进行烘干处理，将吸收层14-6涂覆在金属样品表面，完成激光微喷丸强化的前期准备，吸收层14-6选用厚度为20μm的黑铝箔。

样品室14固定在三维移动平台12上，打开样品室14的上盖板14-3，将金属样品13固定在样品室14中的夹具14-7上，调整金属样品13的高度，使其表面距离上盖板3mm，再将样品室14的上盖板14-3用螺栓14-1锁紧密封。

启动水浴温度控制器19，使循环水系统中的去离子水加热到设定温度，加热温度范围为0～90℃；改变设定温度可以得到不同的喷丸效果。然后启动电机4来驱动液压泵3工作，使去离子水在整个系统中循环，通过调节流量控制阀5和压力控制阀7使流量计6、压力表10显示的循环水系统中去离子水的流量和压力均为设定值。

然后依次开启计算机20、高速相机16、激光器18，调整高速相机16使其对焦在金属样品13表面，调整半透半反镜15和聚焦镜17使激光聚焦在金属样品13表面，使金属样品表面的激光功率密度达到1.5GW/cm²以上，通过计算机20控制三维移动平台12运动，实现对金属样品13表面不同位置进行激光微喷丸强化，并在计算机20上记录和显示高速相机16在激光微喷丸强化过程观测到的气泡信息。

高速相机16观测到气泡后，利用压力控制阀、流量控制阀、流量计和压力表来控制循环水系统中去离子水的压力和流量，通过增加去离子水的压力和流量来去除激光微喷丸过程中产生的气泡。其中，去离子水的流量调整到10～12L/min，循环水系统中压力调节范围为0.1～15MPa；在激光微喷丸强化过程中，根据高速相机观察气泡产生和去除的情况，来调整压力值，压力越大气泡除去效果越好；同时，当压力较小时，去离子水对等离子体的约束较弱，对增强激光微喷丸强化有较小的促进作用；当压力较大时，去离子水对等离子体的约束较强，能够显著提高激光微喷丸强化的效果。

上述操作完成后，依次关闭激光器18、高速相机16、电机4，关闭水浴温度控制器19，打开样品室14，取出金属样品13，完成整个激光微喷丸强化过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。