一种基于相对激光冲击强度的表征方法
【专利摘要】本发明涉及激光加工制造领域，特指一种通过激光冲击单摆摆锤实现激光冲击强度表征的方法，用以指导激光冲击成形、激光冲击强化以及激光系统工作状态的衡量，实现激光冲击加工的最佳冲击效果；采用大功率脉冲激光器，经外光路系统冲击摆锤，摆锤获得冲量，通过摆锤的冲量大小来衡量激光冲击强度大小以及统一标准状态下，不同材料靶材激光冲击强度大小，并用激光冲击相对强度系数表征其不同激光冲击强度效应相异性，实现了对激光冲击强度的表征；同时，通过激光冲量大小可以衡量激光系统工作状态的稳定连续性，并以此为依据调整激光工作系统参数。本发明操作方便，精确度高，使用效果好。
【专利说明】一种基于相对激光冲击强度的表征方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种激光冲击单摆摆锤，通过单摆摆锤冲量大小衡量激光冲击强度的方法。
【背景技术】
[0002]激光技术是二十世纪六十年代迅速兴起的一门崭新的科学技术，也是本世纪发展快、成果多、学科渗透广、应用范围大的综合性高技术。随着激光技术的发展，激光冲击成形和激光冲击强化日益成为人们研究的热点课题，其主要特征是依靠激光冲击波作用靶材形成爆炸能量波，冲击后使靶材达到成形和材料改性强化的目的，这种效应的主要因素是激光冲击强度大小。所以，对某一材料，正确依据材料性能和激光冲击强度效应，调整激光冲击参数，冲击靶材使其达到最佳的冲击效果，这对于预测板料的成形性、材料表面改性强化程度和效果、合理优化的工艺参数，使激光冲击生产化，具有重要的理论意义和现实意义。
[0003]经检索有LU等人采用靶摆偏移技术测量了高功率激光与靶相互作用时的靶表面的位移，获得了不同条件下的靶冲量和冲量耦合系数。ZHU等人采用悬摆法运动，建立悬摆运动方程，计算靶摆的初始速度，得到悬摆在激光作用下获得的冲量。WEN等人利于复摆模型，测量出冲量耦合系数。目前表征激光冲击强度大多数是依靠用相同参数的激光冲击靶材，检测靶材强化层残余应力大小和残余压应力的深度分布，以及依据激光冲击后形变量的大小来衡量其对应激光冲击强度效果，这些测量方法比较繁琐，实验费用昂贵，而且残余应力大小和残余应力深度分布的检测时间长，精确度也不高，在一定的程度上限制了激光冲击成形和激光冲击强化的发展和应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种表征激光冲击强度的新方法，该方法原理简单、经济易行，装置结构设计简单，操作方便，能较精确衡量不同靶材激光冲击强度效果，实现对激光冲击强度的表征，而且通过单摆摆锤冲量大小可以衡量激光系统工作状态稳定性和激光能量大小，对激光系统调节和激光冲击、激光强化等试验研究有很好的指导意义。
[0005]本发明是按下述技术方案实现的:
采用大功率脉冲激光器，调整激光冲击参数，在激光系统工作状态连续稳定的情况下，冲击单摆靶材，通过摆锤的冲量大小衡量激光冲击强度的大小。一方面，选取标准靶材，按质量标准，分为不同等级:5g，10g, 50g, 100g，150g，不同等级的靶材按照形状相同、尺寸不同进行设计，根据几何尺寸摆放，以悬挂点为基准，保证摆锤与支撑架临界接触。调整激光参数，冲击标准祀材，通过不同质量标准祀材的冲量大小衡量不同激光参数下对应激光冲击强度效果。选择靶材重量，使其冲击后摆动角度适中。另一方面，选取几种不同材料的靶材，如铝合金，镁合金，外形与标准靶材相同。同一尺寸标准下，保证不同材料靶材其激光工作系统和激光冲击参数相同。由激光器发出脉冲激光束冲击各靶材，测量并计算各靶材下对应激光参数下的冲量大小计为标准祀材在激光冲击下对应冲量大小计为Pgp由于不同材料，其表面硬度、强度、塑性变形以及激光冲击表现的冲量不同，因此，不同材料靶材激光冲击下激光冲击强度效果表现不同，将同一质量标准下各种靶材的激光冲击强度与对应标准靶材的激光冲击强度进行对比，将此差值与标准靶材在激光冲击下对应冲量的比值定义为激光冲击强度相对系数△，即:
A= (P标准-P实际)/P标准(I)
通过对比不同材料激光冲击强度相对系数，说明不同靶材对应激光冲击强度效果。
[0006]选取一组标准靶材，由激光器发出脉冲激光波作用于附有黑漆和玻璃(吸收层+约束层)的标准靶材摆锤上，根据激光参数和靶材质量以及激光能量与靶材的耦合系数的大致范围，估算出此激光参数下冲量的大致范围，如果冲击后靶材冲量不在此范围之内，说明激光系统工作状态不正常；如果在冲击范围之内，说明激光系统工作状态正常，同时，在此参数下进行多次冲击，可验证激光系统工作状态稳定连续性。
[0007]标准靶材，可定义一种理想材料，即材料塑性变形极小，对激光能量的吸收为零，激光对其冲击为一种理想冲击效果，现实材料与其对比时，具有很好的可比意义。
[0008]采用大功率脉冲激光器，通过改变激光脉宽(4ns~10ns)、能量(O~200J)、光束直径(0.2~20_)等激光参数来调整冲击强度大小，作用于附有黑漆+玻璃(吸收层+约束层)的摆锤上，产生强大的冲击波，使靶材获得一定的冲量，在该冲量下靶材获得一定的速度^偏离平衡位置，通过高速相机拍摄重锤靶材的起始位置和最大摆角位置，测算出最大摆角，计为〃，根据能量守恒定理可得:
【权利要求】
1.一种基于相对激光冲击强度的表征方法，其特征在于，米用标准IE材摆锤，在稳定激光系统和标准参数试验条件下，通过激光冲击摆锤，用此摆锤冲量的大小衡量作为标准P# 实际靶材或工艺状态下激光冲击后冲量大小P3*,计算其相对激光冲击强度系数Λ =通过相对激光冲击强度系数Λ表征激光系统工作状态、工艺状态以及不同靶材的相对激光冲击强度。
2.根据权利要求1所述的一种基于相对激光冲击强度的表征方法，其特征在于，选取一标准靶材，在激光系统稳定和参数相同的条件下，改变实际靶材材料后对比标准靶材所对应的冲量大小，计算其不同材料相对激光冲击强度系数Λ = (Pfem-P,通过对比相对激光冲击强度系数说明不同靶材对应激光冲击强度效果。
3.根据权利要求1所述的一种基于相对激光冲击强度的表征方法，其特征在于，调整好激光系统装置后不变，调整激光参数，发出不同能量的脉冲激光波作用于附有能量吸收层和约束层的摆锤上，使摆锤获得冲量，偏离平衡位置，通过高速相机拍摄重锤靶材的起始位置和最大摆角位置，测算出最大摆角，然后根据最大摆角由能量守恒定理计算出摆锤起始运动的冲量大小，用此冲量衡量其对应激光系统能量大小、激光系统状态的稳定连续性及激光系统的工作状态情况。
4.根据权利要求1所述的一种基于相对激光冲击强度的表征方法，其特征在于，安装靶材摆锤时，调整单摆装置和定位支撑架位置，确保摆锤的重心与激光冲击点重合和约束层的正确定位，使测量结果准确。
5.根据权利要求3所述的一种基于相对激光冲击强度的表征方法,其特征在于,所述能量吸收层为黑漆，所述约束层为Κ9透明玻璃，约束层与吸收层之间设有甘油。
6.根据权利要求3所述的一种基于相对激光冲击强度的表征方法,其特征在于，所述激光参数为:激光脉宽4ns?10ns，能量O?200J，光束直径0.2?20mm。
【文档编号】G01L5/00GK103712724SQ201310737194
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】姜银方, 姜文帆, 李娟 , 潘禺 申请人:江苏大学