專利名稱：以冰為約束層的激光沖擊處理方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造與激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特指一種以冰為約束層的激光沖擊處理技術(shù)方法及其裝置。
背景技術(shù)：
激光沖擊處理技術(shù)(LSP)是一種具有良好前景的加工手段，其原理是高能量短脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波與材料相互作用。這一技術(shù)已在機(jī)械工程、航空航天、微電子、軍事等各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，目前該技術(shù)主要用于材料改性，沖擊成型，以及無(wú)損檢測(cè)等方面。
激光沖擊處理技術(shù)中的約束層是指覆蓋在受沖擊材料表面的一層透明(對(duì)激光波長(zhǎng)有良好的穿透性)物質(zhì)，其對(duì)激光誘導(dǎo)的沖擊波起到了約束作用，從而有效加大了沖擊波對(duì)受沖擊材料的作用時(shí)間和作用力。所以約束層是激光沖擊技術(shù)中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。
目前可查閱文獻(xiàn)，專利中的激光沖擊處理的約束層一般為水或玻璃，如美國(guó)專利US5744781“激光沖擊處理的方法和裝置”就是采用水為約束層，此外還有使用柔性貼膜作為約束層的，如我國(guó)專利CN 1404954“一種用于激光沖擊處理的柔性貼膜”。水約束層裝置復(fù)雜，操作繁雜，增效效果不明顯；玻璃約束層則成本較高，沖擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生玻璃碎片飛濺的現(xiàn)象，對(duì)儀器和人員存在安全隱患，而且清理也十分麻煩，此外一些特殊曲面(如曲面等)的工件也不能起到約束作用；而柔性貼模則雖然能解決前兩者的一些缺陷，但由于約束層為柔性，增效不如剛性的約束層明顯，且柔性貼膜的選材、制作要求較高，因此成本也相對(duì)較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是使用一種新材料做約束層來(lái)解決現(xiàn)有約束層的缺陷。
一種以冰為約束層的激光沖擊處理方法，其特征在于；激光沖擊之前可用定位基準(zhǔn)座調(diào)校光路、光斑，在夾具底內(nèi)部放入涂有能量吸收層的工件；旋轉(zhuǎn)螺旋壓塊至所需位置用于控制冰層高度，向螺旋壓塊的中孔內(nèi)注凈水，略低于螺旋壓塊的底部，將注入水的夾具底座放入對(duì)準(zhǔn)基座內(nèi)；對(duì)注入水進(jìn)行冷凍形成冰約束層，使得冰約束層與受沖擊工件在冰層形成時(shí)緊密結(jié)合，試樣的軸向和徑向均受到冰層約束；再次旋上螺旋壓塊直至冰約束層表面，使之緊密結(jié)合，實(shí)行激光沖擊。
所述的一種以冰為約束層的激光沖擊處理方法，其特征在于冰約束層是使用高壓氮?dú)庵评湎到y(tǒng)對(duì)注入水迅速制冷得到的。
以冰為約束層的激光沖擊裝置，包括產(chǎn)生激光束的外光路系統(tǒng)、工件，其特征在于采用冰約束層，以及使冰約束層快速形成的制冷系統(tǒng)、對(duì)冰約束層進(jìn)行約束的螺旋壓塊，用于校對(duì)光路的定位基準(zhǔn)座；其中，螺旋壓塊位于冰約束層上方，底部與冰層緊密貼合；冰約束層與工件緊密結(jié)合為一體，位與夾具底座的上方；夾具底座與定位基準(zhǔn)座同心，并位于定位基準(zhǔn)座上方；制冷系統(tǒng)經(jīng)氮?dú)夤苈放c冰約束層相連。
夾具、工件、和冰約束層在制備冰時(shí)形成一體。且冰層厚度＜10mm，冰層溫度-7℃左右。
由于冰層厚度，冰層的溫度，冰層的制備時(shí)間等參數(shù)，對(duì)冰晶體的均勻性，致密性，以及對(duì)激光能量的吸收均有重要的影響，是影響沖擊效果的重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，一般冰層厚度控制在10mm以下，冰的溫度控制在-7℃左右，在能量密度為GW/cm2級(jí)，脈沖時(shí)間為ns級(jí)的激光沖擊中可以得到良好的沖擊效果。
實(shí)施過(guò)程為將定位基準(zhǔn)座放在激光光路系統(tǒng)中，調(diào)校好光路、光斑，在夾具底內(nèi)部放入涂有能量吸收層的工件；旋轉(zhuǎn)螺旋壓塊至所需位置用于控制冰約束層高度，一般控制在10mm以內(nèi)，向螺旋壓塊的中孔內(nèi)注凈水，略低于螺旋壓塊的底部。將注入水的夾具底座放入定位基準(zhǔn)座內(nèi)，旋開螺旋壓塊然后用制冷裝置向工件吹入高壓氮?dú)猓煽焖俚卦诠ぜ砻嫘纬伤韬穸鹊谋鶎?。再次旋上螺旋壓塊直至冰約束層表面，使之緊密結(jié)合。由于夾具與定位基準(zhǔn)座同心，因此上述工作做好后即可實(shí)行沖擊。沖擊一次后，按照與第一次沖擊相同的方法可快速施行多次，多點(diǎn)激光沖擊。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下(1)取材簡(jiǎn)單，只需使用普通的純凈水制備冰約束層；(2)由于水與試件在冰約束層制備完畢后與試件結(jié)合緊密，可以起到良好的約束作用；(3)冰由于是剛性材料，在約束沖擊波時(shí)，不會(huì)象柔性約束層吸收沖擊波的能量，因此能起到較好的增效效果；(4)可以對(duì)復(fù)雜表面的試件起到良好的約束作用；
(5)沖擊后冰塊迅速融化，對(duì)儀器和操作人員不存在安全問(wèn)題，也無(wú)須清理；(6)由于可快速實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)，多次沖擊，并且成本低廉，制備方便，可用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意2圖1俯視3冰約束層沖擊效果圖(沖擊前)圖4冰約束層沖擊效果圖(沖擊后)①激光光路系統(tǒng) ②制冷系統(tǒng) ③螺旋壓塊 ④冰約束層 ⑤受沖擊工件⑥夾具底座 ⑦定位基準(zhǔn)座 ⑧激光束 ⑨能量吸收涂層具體實(shí)施方式
如圖1所示，將定位基準(zhǔn)座7放在激光光路系統(tǒng)1中，調(diào)校好光路。在夾具底座6內(nèi)部放入涂有能量吸收層9的受沖擊工件5，旋轉(zhuǎn)螺旋壓塊3至所需位置，用于控制冰層高度，向螺旋壓塊3的中孔內(nèi)注凈水，略低于螺旋壓塊3的底部。將注入水的夾具底座6放入定位基準(zhǔn)座7內(nèi)，旋開螺旋壓塊3然后用制冷系統(tǒng)2向受沖擊工件5吹入高壓氮?dú)猓煽焖俚卦诠ぜ砻嫘纬伤韬穸鹊谋s束層4，一般冰約束層4厚度控制在10mm以內(nèi)，冰的溫度控制在-7℃左右。夾具底座6、受沖擊工件5和冰約束層4在制備冰時(shí)形成一體。再次旋上螺旋壓塊3直至冰約束層4表面，使之緊密結(jié)合。由于夾具底座6與定位基準(zhǔn)座7同心，因此上述工作做好后即可實(shí)行沖擊。沖擊一次后，按照與第一次沖擊相同的方法可快速施行多次，多點(diǎn)激光沖擊。
如圖2、3、4所示，高能，短脈沖激光束穿透冰層，能量吸收涂層吸收激光能量，形成等離子體，迅速膨脹，在冰約束層的約束下，對(duì)工件產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，從而達(dá)到?jīng)_擊效果。
權(quán)利要求
1.一種以冰為約束層的激光沖擊處理方法，其特征在于激光沖擊之前可用定位基準(zhǔn)座(7)調(diào)校光路、光斑，在夾具底坐(6)內(nèi)部放入涂有能量吸收層(9)的工件；旋轉(zhuǎn)螺旋壓塊(3)至所需位置用于控制冰約束層(4)高度，向螺旋壓塊(3)的中孔內(nèi)注凈水，略低于螺旋壓塊(3)的底部，將注入水的夾具底座(6)放入定位基準(zhǔn)座(7)內(nèi)；對(duì)注入水進(jìn)行冷凍形成冰約束層(3)，使得冰約束層(4)與受沖擊工件(5)在冰層形成時(shí)緊密結(jié)合，試樣的軸向和徑向均受到冰約束層(4)約束；再次旋上螺旋壓塊(3)直至冰約束層(4)表面，使之緊密結(jié)合，實(shí)行激光沖擊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以冰為約束層的激光沖擊方法，其特征在于冰約束層(3)是使用高壓氮?dú)庵评湎到y(tǒng)(2)對(duì)注入水迅速制冷得到的。
3.以冰為約束層的激光沖擊裝置，包括產(chǎn)生激光束的激光光路系統(tǒng)(1)、受沖擊工件(5)，其特征在于采用冰約束層(4)，以及快速制備冰約束層的制冷系統(tǒng)(2)、對(duì)冰約束層進(jìn)行約束的螺旋壓塊(3)，用于校對(duì)光路的定位基準(zhǔn)座(7)；其中，螺旋壓塊(3)位于冰約束層(4)上方，底部與冰層緊密貼合；冰約束層(4)與受沖擊工件(5)緊密結(jié)合為一體，位與夾具底座(6)的上方；夾具底座(6)與定位基準(zhǔn)座(7)同心，并位于定位基準(zhǔn)座(7)上方，制冷系統(tǒng)(2)經(jīng)氮?dú)夤苈放c冰約束層(4)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的以冰為約束層的激光沖擊裝置，其特征在于夾具底座(6)、受沖擊工件(5)和冰約束層(4)在制備冰時(shí)形成一體。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的以冰為約束層的激光沖擊裝置，其特征在于冰層厚度＜10mm，冰層溫度-7℃左右。
全文摘要
本發(fā)明為一種以冰為約束層的激光沖擊處理技術(shù)方法及其裝置，可用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。其特征在于采用冰約束層，以及使冰約束層快速形成的制冷系統(tǒng)對(duì)冰約束層進(jìn)行約束的螺旋壓塊，用于校對(duì)光路的定位基準(zhǔn)座；冰約束層與受沖擊工件在冰層形成時(shí)緊密結(jié)合，試樣的軸向和徑向均受到冰層約束；可較好實(shí)行激光沖擊。由于冰在約束沖擊波時(shí)，不會(huì)象柔性約束層吸收沖擊波的能量，因此能起到較好的增效效果；且可以對(duì)復(fù)雜表面的試件起到良好的約束作用；沖擊后冰塊迅速融化，對(duì)儀器和操作人員不存在安全問(wèn)題，也無(wú)須清理；且可快速實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)，多次沖擊，并且成本低廉，制備方便。
文檔編號(hào)B23K26/14GK1608786SQ20041006554
公開日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2004年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者張永康, 葛濤, 殷蘇民, 任旭東, 馮愛新, 周建忠, 張雷洪, 左敦穩(wěn) 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)