一種基于光子晶體混強(qiáng)場的激光沖擊設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光子晶體混強(qiáng)場的激光沖擊設(shè) 備及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 噴丸是一種提高金屬材料特性的工藝。傳統(tǒng)噴丸，通常是用機(jī)械的方法，例如錘擊 或者射擊，使得金屬表面產(chǎn)生塑性變形，因此在工件的表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。但機(jī)械噴丸會(huì) 引起工件表面變得粗糙，使得工件抗疲勞、抗腐蝕性能不能得到良好的提高。然而用激光脈 沖替代彈珠作為噴丸工具，能更好在金屬表面起到?jīng)_擊強(qiáng)化作用。通常在激光沖擊強(qiáng)化中， 在工件的表面黏貼上一種不透明的涂層如，黑漆或者鋁箱貼在金屬表面上，用來吸收激光 能量從而產(chǎn)生等離子體，并在吸收層上面添加一層透明的約束層，一般是水流或者玻璃，用 來提高沖擊波峰值壓力，延長等離子爆炸時(shí)間。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)因具有高效、清潔、靈活、 非接觸等特點(diǎn)而被廣泛用于航空航天、核電站等工業(yè)中。
[0003] 國內(nèi)外現(xiàn)有的雙面激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)有較大的局限性，當(dāng)沖擊件兩面受到的激光 沖擊不對(duì)稱時(shí)，由于激光沖擊強(qiáng)化處理產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力也不對(duì)稱，從而導(dǎo)致沖擊件的宏 觀變形；同時(shí)，由于受到整體葉盤相鄰葉片空間尺寸的限制，激光沖擊強(qiáng)化采用雙面對(duì)稱斜 入射方式在相鄰葉片尺寸較小的情況下是不可行的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于光子晶體混強(qiáng)場的激光沖擊設(shè)備及方法，以克服 上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明對(duì)工件整體進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，因而效率更高，且不易造成工 件宏觀變形，并可作用于復(fù)雜型面。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種基于光子晶體混強(qiáng)場的激光沖擊設(shè)備，包括兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的腔體，兩個(gè)腔體 上均設(shè)有若干用于設(shè)置激光器的激光入射口，且兩個(gè)腔體上的激光入射口關(guān)于兩個(gè)腔體的 對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置;兩個(gè)腔體上相對(duì)的位置對(duì)稱設(shè)有激光出射口，且兩個(gè)腔體上的激光出射 口通過腔體連接板連通，腔體連接板上固定有用于夾持工件的夾緊裝置，兩個(gè)腔體上的激 光出射口處均設(shè)有能夠打開或關(guān)閉的擋板，腔體、腔體連接板以及擋板的內(nèi)側(cè)均設(shè)有光子 晶體結(jié)構(gòu)材料。
[0007] 進(jìn)一步地，工件的表面貼有柔性貼膜，柔性貼膜的厚度為1~2mm。
[0008] 進(jìn)一步地，光子晶體結(jié)構(gòu)材料由GaAs與Al2〇3周期排列組成，且光子晶體結(jié)構(gòu)材料 的底層為GaAs，表層為Al 2〇3。
[0009] 進(jìn)一步地，GaAs的厚度為149nm，Al2〇3的厚度為80nm，且光子晶體結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu) 周期為17。
[0010]進(jìn)一步地，腔體為球形腔體。
[0011]進(jìn)一步地，腔體的半徑為1000mm，激光入射口的半徑為2.5mm，激光出射口尺寸為 20mm X 20mm 〇
[0012] 進(jìn)一步地，兩個(gè)腔體上各設(shè)有三個(gè)激光入射口和一個(gè)激光出射口，其中一個(gè)腔體 上三個(gè)激光入射口的方位為:天頂角60度，方位角0度;天頂角120度，方位角120度;天頂角 90度，方位角240度;激光出射口的方位為:天頂角90度，方位角180度。
[0013] -種基于光子晶體混強(qiáng)場的激光沖擊方法，采用上述激光沖擊設(shè)備，包括以下步 驟：
[0014] 步驟一:根據(jù)待加工工件的尺寸，確定激光出射口處的擋板的尺寸，擋板的尺寸大 于工件待加工面的尺寸；
[0015] 步驟二:在工件的待加工面貼上柔性貼膜；
[0016] 步驟三:用夾緊裝置將待加工面貼有柔性貼膜的工件固定在激光沖擊設(shè)備中；
[0017]步驟四：根據(jù)待加工工件材料特性確定激光器的參數(shù)；
[0018]步驟五:關(guān)閉擋板，打開所有激光器；
[0019]步驟六:經(jīng)過充能時(shí)間以后，打開擋板，對(duì)工件進(jìn)行雙面整體激光沖擊。
[0020] 進(jìn)一步地，激光器的參數(shù)包括:波長1064nm，脈寬10~30ns，激光脈沖能量5~25J， 光斑直徑5mm。
[0021] 進(jìn)一步地，充能時(shí)間乜為80~100s。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0023] 本發(fā)明提出通過激光在腔體內(nèi)往復(fù)反射來形成強(qiáng)度均勻分布的激光場，這樣無論 零部件的結(jié)構(gòu)簡單還是復(fù)雜，零部件的不同位置都可以在激光混強(qiáng)場中受到均勻激光束的 激光沖擊，達(dá)到激光沖擊強(qiáng)化的效果，很好地解決了現(xiàn)有激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)易導(dǎo)致沖擊件 宏觀變形、效率較低、難以對(duì)復(fù)雜型面沖擊等問題。本發(fā)明利用激光混強(qiáng)場設(shè)備產(chǎn)生激光混 強(qiáng)場，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件兩側(cè)整個(gè)表面整體激光沖擊強(qiáng)化，在工件表面形成均勻的殘余壓應(yīng)力層， 能顯著提高工件的強(qiáng)度、抗磨損、抗腐蝕和抗疲勞性能，不僅可以高效地對(duì)工件進(jìn)行整體沖 擊強(qiáng)化，不易造成工件宏觀變形，而且具有更好的強(qiáng)化效果，且適合于復(fù)雜曲面的工件的沖 擊強(qiáng)化。
[0024] 進(jìn)一步地，本發(fā)明選用柔性貼膜作為激光沖擊的約束層與吸收層，這種柔性貼膜 作為吸收層和約束層，能達(dá)到均勻的沖擊效果。
[0025] 進(jìn)一步地，采用本發(fā)明的光子晶體結(jié)構(gòu)材料，對(duì)于以任意方向入射到該光子晶體 結(jié)構(gòu)材料的波長為1064nm的激光，該光子晶體結(jié)構(gòu)材料具有99.96%以上的反射率。
[0026] 進(jìn)一步地，通過本發(fā)明中激光出射口和激光入射口的位置設(shè)置，可以避免某個(gè)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] 本發(fā)明方法利用激光混強(qiáng)場設(shè)備產(chǎn)生激光混強(qiáng)場，然后依據(jù)待加工工件材料特 性、尺寸來確定對(duì)工件進(jìn)行整體沖擊的激光器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件兩側(cè)整個(gè)表面整體激光沖 擊強(qiáng)化，在工件表面形成均勻的殘余壓應(yīng)力層，能顯著提高工件的強(qiáng)度、抗磨損、抗腐蝕和 抗疲勞性能，不僅可以高效地對(duì)工件進(jìn)行整體沖擊強(qiáng)化，不易造成工件宏觀變形，而且具有 更好的強(qiáng)化效果，且適合于復(fù)雜曲面的工件的沖擊強(qiáng)化。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明的激光沖擊設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖2是圖1中腔體連接處放大圖；
[0030] 圖3是光子晶體結(jié)構(gòu)材料的示意圖。
[0031 ]其中，1、腔體;2、光子晶體結(jié)構(gòu)材料;3、激光器;4、工件;5、夾緊裝置;6、柔性貼膜； 7、擋板;8、腔體連接板。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0033] 參見圖1至圖3,一種基于光子晶體混強(qiáng)場的激光沖擊設(shè)備，包括兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的 腔體1，腔體1為球形、橢球形、正方體等多種形狀，當(dāng)為球形時(shí)，腔體1的半徑為1000mm，兩個(gè) 腔體1上均設(shè)有三個(gè)用于設(shè)置激光器3的激光入射口，激光入射口的半徑為2.5mm，且兩個(gè)腔 體1上的激光入射口關(guān)于兩個(gè)腔體1的對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置;兩個(gè)腔體1上相對(duì)的位置各設(shè)有一 個(gè)激光出射口，激光出射口尺寸為20mm X 20mm，且兩個(gè)腔體1上的激光出射口關(guān)于兩個(gè)腔體 1的對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置，兩個(gè)腔體1上的激光出射口通過腔體連接板8連通，腔體連接板8上固 定有用于夾持工件4的夾緊裝置5,且工件4的表面設(shè)有柔性貼膜6,柔性貼膜6的厚度為1~ 2mm，柔性貼膜6采用兩組不同組分的GN-521有機(jī)硅凝膠液以及添加劑按一定配方混合，固 化后形成對(duì)激光透明的約束層，再在其上噴涂86-1型黑漆的能量吸收層，兩個(gè)腔體1上的激 光出射口處均設(shè)有能夠打開或關(guān)閉的擋板7,腔體1、腔體連接板8以及擋板7的內(nèi)側(cè)均設(shè)有 光子晶體結(jié)構(gòu)材料2，光子晶體結(jié)構(gòu)材料2由G a A s與A12 03周期排列組成，且光子晶體結(jié)構(gòu)材 料2的底層為GaAs，表層為Al2〇3,且GaA