一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种基于光子晶体混强场的激光冲击设 备及方法。
【背景技术】
[0002] 喷丸是一种提高金属材料特性的工艺。传统喷丸，通常是用机械的方法，例如锤击 或者射击，使得金属表面产生塑性变形，因此在工件的表面产生残余压应力。但机械喷丸会 引起工件表面变得粗糙，使得工件抗疲劳、抗腐蚀性能不能得到良好的提高。然而用激光脉 冲替代弹珠作为喷丸工具，能更好在金属表面起到冲击强化作用。通常在激光冲击强化中， 在工件的表面黏贴上一种不透明的涂层如，黑漆或者铝箱贴在金属表面上，用来吸收激光 能量从而产生等离子体，并在吸收层上面添加一层透明的约束层，一般是水流或者玻璃，用 来提高冲击波峰值压力，延长等离子爆炸时间。激光冲击强化技术因具有高效、清洁、灵活、 非接触等特点而被广泛用于航空航天、核电站等工业中。
[0003] 国内外现有的双面激光冲击强化技术有较大的局限性，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；同时，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。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备及方法，以克服 上述现有技术存在的缺陷，本发明对工件整体进行冲击强化，因而效率更高，且不易造成工 件宏观变形，并可作用于复杂型面。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种基于光子晶体混强场的激光冲击设备，包括两个对称设置的腔体，两个腔体 上均设有若干用于设置激光器的激光入射口，且两个腔体上的激光入射口关于两个腔体的 对称轴对称设置;两个腔体上相对的位置对称设有激光出射口，且两个腔体上的激光出射 口通过腔体连接板连通，腔体连接板上固定有用于夹持工件的夹紧装置，两个腔体上的激 光出射口处均设有能够打开或关闭的挡板，腔体、腔体连接板以及挡板的内侧均设有光子 晶体结构材料。
[0007] 进一步地，工件的表面贴有柔性贴膜，柔性贴膜的厚度为1~2mm。
[0008] 进一步地，光子晶体结构材料由GaAs与Al2〇3周期排列组成，且光子晶体结构材料 的底层为GaAs，表层为Al 2〇3。
[0009] 进一步地，GaAs的厚度为149nm，Al2〇3的厚度为80nm，且光子晶体结构材料的结构 周期为17。
[0010]进一步地，腔体为球形腔体。
[0011]进一步地，腔体的半径为1000mm，激光入射口的半径为2.5mm，激光出射口尺寸为 20mm X 20mm 〇
[0012] 进一步地，两个腔体上各设有三个激光入射口和一个激光出射口，其中一个腔体 上三个激光入射口的方位为:天顶角60度，方位角0度;天顶角120度，方位角120度;天顶角 90度，方位角240度;激光出射口的方位为:天顶角90度，方位角180度。
[0013] -种基于光子晶体混强场的激光冲击方法，采用上述激光冲击设备，包括以下步 骤：
[0014] 步骤一:根据待加工工件的尺寸，确定激光出射口处的挡板的尺寸，挡板的尺寸大 于工件待加工面的尺寸；
[0015] 步骤二:在工件的待加工面贴上柔性贴膜；
[0016] 步骤三:用夹紧装置将待加工面贴有柔性贴膜的工件固定在激光冲击设备中；
[0017]步骤四：根据待加工工件材料特性确定激光器的参数；
[0018]步骤五:关闭挡板，打开所有激光器；
[0019]步骤六:经过充能时间以后，打开挡板，对工件进行双面整体激光冲击。
[0020] 进一步地，激光器的参数包括:波长1064nm，脉宽10~30ns，激光脉冲能量5~25J， 光斑直径5mm。
[0021] 进一步地，充能时间乜为80~100s。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0023] 本发明提出通过激光在腔体内往复反射来形成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，零部件的不同位置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，很好地解决了现有激光冲击强化技术易导致冲击件 宏观变形、效率较低、难以对复杂型面冲击等问题。本发明利用激光混强场设备产生激光混 强场，实现对工件两侧整个表面整体激光冲击强化，在工件表面形成均匀的残余压应力层， 能显著提高工件的强度、抗磨损、抗腐蚀和抗疲劳性能，不仅可以高效地对工件进行整体冲 击强化，不易造成工件宏观变形，而且具有更好的强化效果，且适合于复杂曲面的工件的冲 击强化。
[0024] 进一步地，本发明选用柔性贴膜作为激光冲击的约束层与吸收层，这种柔性贴膜 作为吸收层和约束层，能达到均匀的冲击效果。
[0025] 进一步地，采用本发明的光子晶体结构材料，对于以任意方向入射到该光子晶体 结构材料的波长为1064nm的激光，该光子晶体结构材料具有99.96%以上的反射率。
[0026] 进一步地，通过本发明中激光出射口和激光入射口的位置设置，可以避免某个激 光入射口中的激光器直射到其余激光入射口或者激光出射口。
[0027] 本发明方法利用激光混强场设备产生激光混强场，然后依据待加工工件材料特 性、尺寸来确定对工件进行整体冲击的激光器参数，实现对工件两侧整个表面整体激光冲 击强化，在工件表面形成均匀的残余压应力层，能显著提高工件的强度、抗磨损、抗腐蚀和 抗疲劳性能，不仅可以高效地对工件进行整体冲击强化，不易造成工件宏观变形，而且具有 更好的强化效果，且适合于复杂曲面的工件的冲击强化。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明的激光冲击设备结构示意图；
[0029] 图2是图1中腔体连接处放大图；
[0030] 图3是光子晶体结构材料的示意图。
[0031 ]其中，1、腔体;2、光子晶体结构材料;3、激光器;4、工件;5、夹紧装置;6、柔性贴膜； 7、挡板;8、腔体连接板。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0033] 参见图1至图3,一种基于光子晶体混强场的激光冲击设备，包括两个对称设置的 腔体1，腔体1为球形、椭球形、正方体等多种形状，当为球形时，腔体1的半径为1000mm，两个 腔体1上均设有三个用于设置激光器3的激光入射口，激光入射口的半径为2.5mm，且两个腔 体1上的激光入射口关于两个腔体1的对称轴对称设置;两个腔体1上相对的位置各设有一 个激光出射口，激光出射口尺寸为20mm X 20mm，且两个腔体1上的激光出射口关于两个腔体 1的对称轴对称设置，两个腔体1上的激光出射口通过腔体连接板8连通，腔体连接板8上固 定有用于夹持工件4的夹紧装置5,且工件4的表面设有柔性贴膜6,柔性贴膜6的厚度为1~ 2mm，柔性贴膜6采用两组不同组分的GN-521有机硅凝胶液以及添加剂按一定配方混合，固 化后形成对激光透明的约束层，再在其上喷涂86-1型黑漆的能量吸收层，两个腔体1上的激 光出射口处均设有能够打开或关闭的挡板7,腔体1、腔体连接板8以及挡板7的内侧均设有 光子晶体结构材料2，光子晶体结构材料2由G a A s与A12 03周期排列组成，且光子晶体结构材 料2的底层为GaAs，表层为Al2〇3,且GaA