本發(fā)明涉及激光加工和表面改性技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可控約束下金屬材料表面激光微噴丸強(qiáng)化的加工方法和裝置。

背景技術(shù)：

激光微噴丸強(qiáng)化是利用激光誘導(dǎo)沖擊波的力效應(yīng)提高金屬材料表面力學(xué)性能的一種有效方法，具有潛在的應(yīng)用前景。

激光微噴丸強(qiáng)化金屬零件表面時(shí)，約束層的作用是限制爆炸的等離子體自由擴(kuò)散，使沖擊波的力效應(yīng)更為集中地作用在金屬表面，常用的約束層有K9玻璃和流動(dòng)的去離子水幕。激光微噴丸強(qiáng)化時(shí)，低能量脈沖激光產(chǎn)生的等離子體較弱，K9玻璃與金屬材料表面存在貼合縫隙，不能完全密封等離子體，嚴(yán)重影響了激光微噴丸的效果。流動(dòng)的去離子水幕能適應(yīng)零件不同形狀的表面，與零件表面貼合較緊，成本低、透光性好，可循環(huán)使用，且水流能夠帶走吸收層所產(chǎn)生的殘?jiān)?，但流?dòng)的去離子水幕也存在難以克服的問(wèn)題：(1)由于流動(dòng)的去離子水深度難以精確控制，影響了激光微噴丸過(guò)程中對(duì)等離子體約束的穩(wěn)定性，從而使得激光微噴丸效果不能很好的控制。(2)激光焦點(diǎn)處汽化的去離子水形成氣泡，自然水流難以快速的將其帶走，從而影響了后續(xù)激光脈沖的入射，故在兩個(gè)相鄰的激光脈沖之間應(yīng)留足夠的時(shí)間使焦點(diǎn)區(qū)域凈化，嚴(yán)重影響了激光微噴丸的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種可控約束的激光微噴丸強(qiáng)化裝置及其方法，改善金屬材料表面激光微噴丸強(qiáng)化質(zhì)量，并提高效率。

技術(shù)方案：一種可控約束的激光微噴丸強(qiáng)化裝置，包括水管管路、儲(chǔ)水箱、液壓泵、流量控制閥、壓力控制閥、緩沖段、收縮段、軟管、三維移動(dòng)平臺(tái)、樣品室、半透半反鏡、高速相機(jī)、聚焦鏡、激光器以及計(jì)算機(jī)；

其中，所述儲(chǔ)水箱、液壓泵、流量控制閥、壓力控制閥、緩沖段、收縮段通過(guò)水管管路級(jí)聯(lián)，再通過(guò)收縮段連接所述樣品室，形成整體回路，所述樣品室固定在三維移動(dòng)平臺(tái)上；所述水管管路上安裝有流量計(jì)和壓力表；所述樣品室包括樣品室箱體，所述樣品室箱體的上蓋板中央設(shè)有開(kāi)孔，開(kāi)孔上覆蓋K9玻璃，所述樣品室箱體內(nèi)設(shè)有固定金屬樣品的夾具；所述聚焦鏡、半透半反鏡、高速相機(jī)從下至上依次設(shè)置在樣品室上部并位于同一豎直軸線(xiàn)上，激光器設(shè)置在所述半透半反鏡一側(cè)；所述高速相機(jī)和三維移動(dòng)平臺(tái)均連接所述計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步的，還包括水浴溫度控制器，所述儲(chǔ)水箱與水浴溫度控制器連接。

一種可控約束的激光微噴丸強(qiáng)化方法，采用去離子水幕作為約束層，所述去離子水幕通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)提供，利用高速相機(jī)在線(xiàn)觀(guān)測(cè)激光微噴丸強(qiáng)化過(guò)程中氣泡的生長(zhǎng)和聚集情況，利用電機(jī)帶動(dòng)液壓泵使去離子水在整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)控制循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水的壓力和流量，帶走激光微噴丸強(qiáng)化過(guò)程中焦點(diǎn)附近產(chǎn)生的氣泡，并通過(guò)調(diào)節(jié)去離子水的壓力提高激光微噴丸的效果。

進(jìn)一步的，利用水浴溫度控制器控制所述循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水的溫度恒定。

有益效果：本發(fā)明是一種可控約束的激光微噴丸強(qiáng)化裝置及其方法，在激光微噴丸過(guò)程中，利用電機(jī)帶動(dòng)液壓泵使去離子水在整個(gè)系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，利用高速相機(jī)在線(xiàn)觀(guān)測(cè)激光微噴丸強(qiáng)化過(guò)程中氣泡的生長(zhǎng)和聚集情況，然后利用流量控制閥和流量計(jì)來(lái)控制和測(cè)量循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水的流量，通過(guò)控制循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水的壓力和流量，從而帶走激光微噴丸強(qiáng)化過(guò)程中焦點(diǎn)附近產(chǎn)生的氣泡，同時(shí)使循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水保持一定壓力，其具體效果如下：

(1)通過(guò)增加去離子水的壓力和流量來(lái)去除激光微噴丸過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡，大幅減小了脈沖之間的間隔時(shí)間，提高了激光微噴丸的效率。

(2)循環(huán)水系統(tǒng)中的去離子水保持一定壓力，增加了激光微噴丸金屬樣品表面去離子水幕的剛性，提高了去離子水幕對(duì)等離子體爆炸的約束作用，增強(qiáng)了材料表面激光誘導(dǎo)的沖擊波壓力，對(duì)提高激光微噴丸的強(qiáng)化效果起到積極作用。

(3)該激光微噴丸強(qiáng)化裝置中K9玻璃和樣品之間的距離是固定的，去離子水會(huì)在壓力的作用下充滿(mǎn)K9玻璃和樣品之間的空間，從而使樣品表面去離子水幕的高度恒定，提高激光微噴丸效果的穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明可控約束的激光微噴丸強(qiáng)化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明裝置的樣品室結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

如圖1所示，一種可控約束的激光微噴丸強(qiáng)化裝置，包括用于去離子水循環(huán)的水管管路1；用于存儲(chǔ)去離子水的儲(chǔ)水箱2；用于向循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水輸入能量的電機(jī)4和液壓泵3；用于控制循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水流量的流量控制閥5；用于測(cè)量循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水流量的流量計(jì)6；用于控制循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水中壓力的壓力控制閥7；用于穩(wěn)定去離子水的緩沖段8；用于加速循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水速度的收縮段9；用于顯示循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水壓力的壓力表10；用于連接樣品室14與收縮段9的軟管11，并且軟管11具有較好的柔韌性，不影響樣品室14隨三維移動(dòng)平臺(tái)12運(yùn)動(dòng)；用于帶動(dòng)樣品室14及金屬樣品13運(yùn)動(dòng)的三維移動(dòng)平臺(tái)12；用于放置和觀(guān)察金屬樣品13的樣品室14，用于反射脈沖激光的半透半反鏡15；用于觀(guān)察激光微噴丸過(guò)程中金屬樣品表面氣泡狀態(tài)的高速相機(jī)16；用于聚焦脈沖激光的聚焦鏡17；用于產(chǎn)生激光微噴丸所需脈沖激光的激光器18；用于控制循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水溫度的水浴溫度控制器19；用于控制三維移動(dòng)平臺(tái)12運(yùn)動(dòng)、顯示和記錄高速相機(jī)16拍攝到激光微噴丸過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡狀態(tài)的計(jì)算機(jī)20。

如圖2所示，樣品室14包括用于鎖緊上蓋板的螺栓14-1；用于高速相機(jī)觀(guān)察和激光穿透的K9玻璃14-2；用于樣品室14的密封和安裝K9玻璃14-2的上蓋板14-3；用于連接樣品室14與軟管11的軟管接口14-4；用于構(gòu)成樣品室14的樣品室箱體14-5；用于安裝金屬樣品13的夾具14-7。

樣品室14通過(guò)兩側(cè)的軟管接口14-4與軟管11相連接，軟管11與壓力表10相連接，壓力表10與收縮段9、緩沖段8、水管管路1、壓力控制閥7、流量計(jì)6、流量控制閥5按圖中依次連接；流量控制閥5通過(guò)水管管路1與液壓泵3相連接，液壓泵3與電機(jī)4相連接，儲(chǔ)水箱2通過(guò)水管管路1與液壓泵3相連接，水浴溫度控制器19與儲(chǔ)水箱2相連接。

首先將金屬樣品表面打磨處理，使表面粗糙度值小于Ra0.8，然后浸沒(méi)在酒精中進(jìn)行超聲清洗5分鐘，清洗完畢后進(jìn)行烘干處理，將吸收層14-6涂覆在金屬樣品表面，完成激光微噴丸強(qiáng)化的前期準(zhǔn)備，吸收層14-6選用厚度為20μm的黑鋁箔。

樣品室14固定在三維移動(dòng)平臺(tái)12上，打開(kāi)樣品室14的上蓋板14-3，將金屬樣品13固定在樣品室14中的夾具14-7上，調(diào)整金屬樣品13的高度，使其表面距離上蓋板3mm，再將樣品室14的上蓋板14-3用螺栓14-1鎖緊密封。

啟動(dòng)水浴溫度控制器19，使循環(huán)水系統(tǒng)中的去離子水加熱到設(shè)定溫度，加熱溫度范圍為0～90℃；改變?cè)O(shè)定溫度可以得到不同的噴丸效果。然后啟動(dòng)電機(jī)4來(lái)驅(qū)動(dòng)液壓泵3工作，使去離子水在整個(gè)系統(tǒng)中循環(huán)，通過(guò)調(diào)節(jié)流量控制閥5和壓力控制閥7使流量計(jì)6、壓力表10顯示的循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水的流量和壓力均為設(shè)定值。

然后依次開(kāi)啟計(jì)算機(jī)20、高速相機(jī)16、激光器18，調(diào)整高速相機(jī)16使其對(duì)焦在金屬樣品13表面，調(diào)整半透半反鏡15和聚焦鏡17使激光聚焦在金屬樣品13表面，使金屬樣品表面的激光功率密度達(dá)到1.5GW/cm²以上，通過(guò)計(jì)算機(jī)20控制三維移動(dòng)平臺(tái)12運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬樣品13表面不同位置進(jìn)行激光微噴丸強(qiáng)化，并在計(jì)算機(jī)20上記錄和顯示高速相機(jī)16在激光微噴丸強(qiáng)化過(guò)程觀(guān)測(cè)到的氣泡信息。

高速相機(jī)16觀(guān)測(cè)到氣泡后，利用壓力控制閥、流量控制閥、流量計(jì)和壓力表來(lái)控制循環(huán)水系統(tǒng)中去離子水的壓力和流量，通過(guò)增加去離子水的壓力和流量來(lái)去除激光微噴丸過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡。其中，去離子水的流量調(diào)整到10～12L/min，循環(huán)水系統(tǒng)中壓力調(diào)節(jié)范圍為0.1～15MPa；在激光微噴丸強(qiáng)化過(guò)程中，根據(jù)高速相機(jī)觀(guān)察氣泡產(chǎn)生和去除的情況，來(lái)調(diào)整壓力值，壓力越大氣泡除去效果越好；同時(shí)，當(dāng)壓力較小時(shí)，去離子水對(duì)等離子體的約束較弱，對(duì)增強(qiáng)激光微噴丸強(qiáng)化有較小的促進(jìn)作用；當(dāng)壓力較大時(shí)，去離子水對(duì)等離子體的約束較強(qiáng)，能夠顯著提高激光微噴丸強(qiáng)化的效果。

上述操作完成后，依次關(guān)閉激光器18、高速相機(jī)16、電機(jī)4，關(guān)閉水浴溫度控制器19，打開(kāi)樣品室14，取出金屬樣品13，完成整個(gè)激光微噴丸強(qiáng)化過(guò)程。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。