CN110144452B - 多约束层增压式抑制激光冲击强化板材变形装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光加工技术领域，具体是多约束层增压式抑制激光冲击强化板材变形装置和方法。本发明中通过支承平板和压边块的作用来增加板材的强度抑制冲击过程中的凹陷变形，通过刚性束层与板材间的密闭间隙充入流体约束层来增加作用在冲击面的压力方式来抑制冲击过程的凸起变形，因此能够很好的抑制板材的翘曲变形，提高激光冲击效率，提高激光冲击强化的效果。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体是多约束层增压式抑制激光冲击强化板材变形装置和方法，特指在激光冲击强化过程中抑制板材变形装置，提高激光冲击强化效果。
背景技术
激光冲击强化(LSP)技术是一种新型的表面处理技术，是利用高能量密度(GW/cm2量级)，短脉冲(10ns-30ns量级)激光冲击材料表面，在材料的表面由于吸收层瞬间吸收的高能诱导产生等离子体，等离子体在其约束层的约束下会在材料表面产生冲击波并向材料的内部进行传播，使材料表面一定区域内产生塑性变形和位错结构，在材料表层形成较大的残余压应力，提高材料的疲劳强度和耐腐蚀性能。目前激光冲击强化技术广泛应用于航空航天、汽车及其它机械制造领域，来提高材料的使用寿命。
在激光冲击强化板材过程中由于等离子体***瞬间产生的巨大作用力，对塑性和韧性较好的合金，激光冲击时会产生翘曲现象。当板材产生变形时，会影响到激光冲击的效果，如果变形较大，在激光冲击后就需要机械的方式来校正处理板材，这会破坏激光冲击强化的效果，也会增加机械加工工序。因此在激光冲击强化板材过程中需要抑制其冲击变形。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种多约束层增压式抑制激光冲击强化板材变形装置，抑制冲击变形，提高冲击强化效果。
本发明采用的具体技术方案如下：
一种多约束层增压式抑制激光冲击强化板材变形装置，其特征在于，所述装置包括激光发生器，反射镜，聚焦透镜，压边块，刚性约束层，液压泵，支承平板，数控工作台，能量吸收层，板材，流体约束层，压力传感器，液压腔，液压阀，中心数控***；支承平板固定在数控工作台上，液压腔位于支承平板上，板材上张贴能量吸收层，然后将板材放入液压腔内，刚性约束层盖在液压腔上形成密封结构，然后向板材与刚性约束层之间形成的中间间隙层内充入流体在液压腔内形成流体约束层，液压腔内设有压力传感器，液压腔外接液压泵和液压阀；压边块位于刚性约束层上周边位置用于固定刚性约束层；中心控制***连接激光发生器和压力传感器，激光发生器发出的激光依次经过反射镜，聚焦透镜对板材进行冲击强化。
使用所述装置抑制激光冲击强化中薄型板材变形的方法，其特征是，通过支承平板和压边块的作用来增加板材的强度抑制冲击过程中的凹陷变形，通过刚性约束层与板材之间形成的中间间隙层内充入流体约束层来增加作用在冲击面的压力方式来抑制冲击过程的凸起变形，从而抑制板材在冲击过程中的变形，具体步骤如下：
A、对板材进行预处理；
B、在板材表面贴上能量吸收层；
C、将贴好能量吸收层的板材放置液压腔内，并在板材的上方5-8mm处放置刚性约束层同时形成中间空隙层，并用压边块固定好刚性约束层；
D、使用液压泵向液压腔内的中间空隙层充入流体，在板材与刚性约束层之间形成的中间空隙层内得到流体约束层；
E、在中心控制***上设置相应的液压腔内所需的压力值，通过液压腔内的压力传感器反馈到控制***中来控制液压泵进行工作达到所设置的压力值；
F、根据冲击所需的参数进行调节激光发生器的参数，并编译程序控制数控工作平台的运动；
G、对板材进行冲击强化处理，完成后并进行清洗处理。
1.采用支承平板和压边块对板材的强度进行增强，抑制板材在冲击过程中的凹陷变形，在板材与刚性约束层的中间空隙层内充入流体约束层方式来增加压力，使压力正面作用在板材的冲击面抑制冲击过程中的凸起变形，同时液压腔的存在是保证形成的空隙层四周是密闭的。
2.所叙述的步骤A中的预处理，即采用金相砂纸将待处理试样进行逐级磨削处理后，并用抛光机进行抛光，然后放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍。
3.所叙述的步骤B中，能量吸收层为铝箔、黑漆或黑胶带。
4.所叙述的步骤C中，支承平板的表面平整，其作用是增强韧性板材的强度。刚性约束层为高强度的聚碳酸酯玻璃板，俗称“太空玻璃”，与板材之间形成中间空隙层5-8mm的目的是充入流体约束层增大压力。
5.所叙述的步骤D中，液压泵为高压泵，能够达到不同压力的所需值。液压腔内为密闭状态，通过压边块在固定压紧刚性约束层时形成密闭，在刚性约束层与液压腔的接触面使用密封胶条确保形成良好的密闭性。
6.所叙述的步骤E中，液压腔内的压力传感器能够实时的检测液压腔内的压力值，通过反馈到中心控制***中来对液压泵进行控制；所述液压腔内所需的压力值在100MPa-200MPa强度范围内。
7.所叙述的步骤F中，激光发生器采用的单脉冲Nd：YAG激光器，工作参数为：波长1064nm，脉冲宽度5-10ns，单次脉冲能量1.5-10J，光斑半径1-3mm，光斑搭接率50％。
本发明中通过支承平板和压边块的作用来增加板材的强度抑制冲击过程中的凹陷变形，通过刚性束层与板材间的密闭间隙充入流体约束层来增加作用在冲击面的压力方式来抑制冲击过程的凸起变形，因此能够很好的抑制板材的翘曲变形。所以本发明设备能够有效的抑制板材在冲击过程中的变形,提高激光冲击效率，提高激光冲击强化的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本文所述激光冲击强化装置图。
图1中，1--激光发生器，2--反射镜，3--聚焦透镜，4--压边块，5--刚性约束层，6--液压泵，7--支承平板，8--数控工作平台，9--能量吸收层，10--板材，11--流体约束层，12--压力传感器，13--液压腔，14--液压阀，15--中心数控***。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明的技术方案做进一步详细说明。
选取6061—T6铝合金为研究对象，将6061—T6材料切成50mm×50mm×4mm的试样，表面用砂纸从800目逐级打磨至2000目，然后对试样进行表面抛光，并将抛光后的试样放在酒精溶液中用超声波清洗仪清洗表面。
将预处理好的试样表面喷涂黑漆作为能量吸收层9，将喷涂好黑漆的试样放置液压腔13内，然后用四周的压边块4将刚性约束层5固定在液压腔13上，并在板材10和刚性约束层5之间形成5-8mm的密闭间隙层来充入流体约束层11。支承平板7和压边块4能够对板材起到固定和增大强度的作用。通过中心控制***15设置相应的液压腔13内的压力值为150MPa，然后通过中心控制***控制液压泵6进行工作，对液压腔13内进行充入液体。液压腔13内的压力值通过压力传感器12达到预定设置值时，会反馈到中心控制***15上，然后控制液压泵停止工作。在中心控制***15中设置相应的激光冲击参数，然后控制激光发生器1进行激光冲击实验。本实例中，激光器的参数设置为波长1064nm、脉冲宽度10ns、脉冲能量为5J、光斑直径为3mm、搭接率为50％、冲击次数为两次。冲击完成后打开液压阀14，将液压腔13内的液体排出，然后取出冲击过的试样。并对冲击完成后的板材进行清洗处理。
使用本装置在激光冲击过程中对板材冲击变形抑制的主要原因是通过支承平板7和压边块4的作用来增加板材的强度抑制冲击过生中的凹陷变形，通过刚性约束层5与板材10间形成的密闭间隙层充入流体约束层11来增加作用在冲击面的压力方式来抑制冲击过程的凸起变形，因此能够很好的抑制板材的翘曲变形。因此装置能够抑制板材在激光冲击过程中的变形，提高激光冲击强化的效果。
Claims (8)
1.多约束层增压式抑制激光冲击强化板材变形装置，其特征在于，所述装置包括激光发生器，反射镜，聚焦透镜，压边块，刚性约束层，液压泵，支承平板，数控工作台，能量吸收层，板材，流体约束层，压力传感器，液压腔，液压阀，中心数控***；支承平板固定在数控工作台上，液压腔位于支承平板上，板材上张贴能量吸收层，然后将板材放入液压腔内，刚性约束层盖在液压腔上形成密封结构，然后向板材与刚性约束层之间形成的中间间隙层内充入流体在液压腔内形成流体约束层，液压腔内设有压力传感器，液压腔外接液压泵和液压阀；压边块位于刚性约束层上周边位置用于固定刚性约束层；中心数控***连接激光发生器和压力传感器，激光发生器发出的激光依次经过反射镜，聚焦透镜对板材进行冲击强化。
2.利用如权利要求1所述装置抑制激光冲击强化中薄型板材变形的方法，其特征在于，通过支承平板和压边块的作用来增加板材的强度抑制冲击过程中的凹陷变形，通过刚性约束层与板材之间形成的中间间隙层内充入流体约束层来增加作用在冲击面的压力方式来抑制冲击过程的凸起变形，从而抑制板材在冲击过程中的变形，具体步骤如下：
A、对板材进行预处理；
B、在板材表面贴上能量吸收层；
C、将贴好能量吸收层的板材放置液压腔内，并在板材的上方5-8mm处放置刚性约束层同时形成中间间隙层，并用压边块固定好刚性约束层；
D、使用液压泵向液压腔内的中间间隙层充入流体，在板材与刚性约束层之间形成的中间间隙层内得到流体约束层；
E、在中心数控***上设置相应的液压腔内所需的压力值，通过液压腔内的压力传感器反馈到中心数控***中来控制液压泵进行工作达到所设置的压力值；
F、根据冲击所需的参数进行调节激光发生器的参数，并编译程序控制数控工作平台的运动；
G、对板材进行冲击强化处理，完成后并进行清洗处理。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所叙述的步骤A中的预处理，即采用金相砂纸将待处理试样进行逐级磨削处理后，并用抛光机进行抛光，然后放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所叙述的步骤B中，能量吸收层为铝箔、黑漆或黑胶带。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所叙述的步骤C中，支承平板的表面平整，其作用是增强韧性板材的强度；刚性约束层为聚碳酸酯玻璃板，与板材之间形成中间间隙层5-8mm的目的是充入流体约束层增大压力。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所叙述的步骤D中，液压泵为高压泵，能够达到不同压力的所需值；液压腔内为密闭状态，通过压边块在固定压紧刚性约束层时形成密闭，在刚性约束层与液压腔的接触面使用密封胶条确保形成良好的密闭性。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所叙述的步骤E中，液压腔内的压力传感器能够实时的检测液压腔内的压力值，通过反馈到中心数控***中来对液压泵进行控制；所述液压腔内所需的压力值在100MPa-200MPa强度范围内。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所叙述的步骤F中，激光发生器采用的单脉冲Nd：YAG激光器，工作参数为：波长1064nm，脉冲宽度5-10ns，单次脉冲能量1.5-10J，光斑半径1-3mm，光斑搭接率50％。
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