CN103712724B - 一种基于相对激光冲击强度的表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工制造领域，特指一种通过激光冲击单摆摆锤实现激光冲击强度表征的方法，用以指导激光冲击成形、激光冲击强化以及激光系统工作状态的衡量，实现激光冲击加工的最佳冲击效果；采用大功率脉冲激光器，经外光路系统冲击摆锤，摆锤获得冲量，通过摆锤的冲量大小来衡量激光冲击强度大小以及统一标准状态下，不同材料靶材激光冲击强度大小，并用激光冲击相对强度系数表征其不同激光冲击强度效应相异性，实现了对激光冲击强度的表征；同时，通过激光冲量大小可以衡量激光系统工作状态的稳定连续性，并以此为依据调整激光工作系统参数。本发明操作方便，精确度高，使用效果好。

Description

一种基于相对激光冲击强度的表征方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种激光冲击单摆摆锤，通过单摆摆锤冲量大小衡量激光冲击强度的方法。

背景技术

激光技术是二十世纪六十年代迅速兴起的一门崭新的科学技术，也是本世纪发展快、成果多、学科渗透广、应用范围大的综合性高技术。随着激光技术的发展，激光冲击成形和激光冲击强化日益成为人们研究的热点课题，其主要特征是依靠激光冲击波作用靶材形成爆炸能量波，冲击后使靶材达到成形和材料改性强化的目的，这种效应的主要因素是激光冲击强度大小。所以，对某一材料，正确依据材料性能和激光冲击强度效应，调整激光冲击参数，冲击靶材使其达到最佳的冲击效果，这对于预测板料的成形性、材料表面改性强化程度和效果、合理优化的工艺参数，使激光冲击生产化，具有重要的理论意义和现实意义。

经检索有LU等人采用靶摆偏移技术测量了高功率激光与靶相互作用时的靶表面的位移，获得了不同条件下的靶冲量和冲量耦合系数。ZHU等人采用悬摆法运动，建立悬摆运动方程，计算靶摆的初始速度，得到悬摆在激光作用下获得的冲量。WEN等人利于复摆模型，测量出冲量耦合系数。目前表征激光冲击强度大多数是依靠用相同参数的激光冲击靶材，检测靶材强化层残余应力大小和残余压应力的深度分布，以及依据激光冲击后形变量的大小来衡量其对应激光冲击强度效果，这些测量方法比较繁琐，实验费用昂贵，而且残余应力大小和残余应力深度分布的检测时间长，精确度也不高，在一定的程度上限制了激光冲击成形和激光冲击强化的发展和应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种表征激光冲击强度的新方法，该方法原理简单、经济易行，装置结构设计简单，操作方便，能较精确衡量不同靶材激光冲击强度效果，实现对激光冲击强度的表征，而且通过单摆摆锤冲量大小可以衡量激光系统工作状态稳定性和激光能量大小，对激光系统调节和激光冲击、激光强化等试验研究有很好的指导意义。

本发明是按下述技术方案实现的：

采用大功率脉冲激光器，调整激光冲击参数，在激光系统工作状态连续稳定的情况下，冲击单摆靶材，通过摆锤的冲量大小衡量激光冲击强度的大小。一方面，选取标准靶材，按质量标准，分为不同等级：5g,10g,50g,100g，150g，不同等级的靶材按照形状相同、尺寸不同进行设计，根据几何尺寸摆放，以悬挂点为基准，保证摆锤与支撑架临界接触。调整激光参数，冲击标准靶材，通过不同质量标准靶材的冲量大小衡量不同激光参数下对应激光冲击强度效果。选择靶材重量，使其冲击后摆动角度适中。另一方面，选取几种不同材料的靶材，如铝合金，镁合金，外形与标准靶材相同。同一尺寸标准下，保证不同材料靶材其激光工作系统和激光冲击参数相同。由激光器发出脉冲激光束冲击各靶材，测量并计算各靶材下对应激光参数下的冲量大小计为P_实际，标准靶材在激光冲击下对应冲量大小计为P_标准。由于不同材料，其表面硬度、强度、塑性变形以及激光冲击表现的冲量不同，因此，不同材料靶材激光冲击下激光冲击强度效果表现不同，将同一质量标准下各种靶材的激光冲击强度与对应标准靶材的激光冲击强度进行对比，将此差值与标准靶材在激光冲击下对应冲量的比值定义为激光冲击强度相对系数Δ，即：

Δ=（P_标准-P_实际）/P_标准（1）

通过对比不同材料激光冲击强度相对系数，说明不同靶材对应激光冲击强度效果。

选取一组标准靶材，由激光器发出脉冲激光波作用于附有黑漆和玻璃（吸收层+约束层）的标准靶材摆锤上，根据激光参数和靶材质量以及激光能量与靶材的耦合系数的大致范围，估算出此激光参数下冲量的大致范围，如果冲击后靶材冲量不在此范围之内，说明激光系统工作状态不正常；如果在冲击范围之内，说明激光系统工作状态正常，同时，在此参数下进行多次冲击，可验证激光系统工作状态稳定连续性。

标准靶材，可定义一种理想材料，即材料塑性变形极小，对激光能量的吸收为零，激光对其冲击为一种理想冲击效果，现实材料与其对比时，具有很好的可比意义。

采用大功率脉冲激光器，通过改变激光脉宽（4ns～l0ns）、能量（0～200J）、光束直径（0.2～20mm）等激光参数来调整冲击强度大小，作用于附有黑漆+玻璃（吸收层+约束层）的摆锤上，产生强大的冲击波，使靶材获得一定的冲量，在该冲量下靶材获得一定的速度v，偏离平衡位置，通过高速相机拍摄重锤靶材的起始位置和最大摆角位置，测算出最大摆角，计为θ，根据能量守恒定理可得：

(2)

式中:m为摆锤质量；l为摆线长度；v为摆锤平衡位置的速度；g为重力加速度。

由（1）式可得到起始冲量：

（3）

每次激光冲击之前，调整单摆装置和定位支撑架位置，使得靶材的重心与激光冲击点重合和摆锤与支撑架的临界接触，确保测量结果准确。

靶材外形选择“U”形，优点在于靶材能够与玻璃（约束层）贴合，减小空气阻力和激光冲击能量的损耗。根据几何尺寸摆放，以悬挂点为基准，保证摆锤与支撑架临界接触，减少激光靶材能量损耗，确保使用精确。靶材侧面依次附有K9玻璃，甘油和黑漆，其中K9玻璃为约束层，黑漆为吸收层，甘油是一种粘稠液体，将玻璃粘附于重锤靶材上。而且每个靶材其涂层和K9玻璃厚度相同。

支撑架设计有一内孔和一沟槽，内孔为激光冲击路径，沟槽放置玻璃（约束层），沟槽主要起两个作用，一是对玻璃起支撑定位作用，以免激光冲击前，玻璃有松动，激光冲击产生的爆炸波锐减，减少激光冲击效果，对测量精度产生影响；二是激光冲击后，玻璃可能有部分依然附着在摆锤上，这样对测量计算很产生很大的影响，而支撑架沟槽设计能有效的在摆锤运动时，将玻璃脱离于摆锤，使测量效果精确。摆锤与支撑架处于临界接触状态。

本发明具有如下技术优势：

1.与传统表征方法相比，本方法原理简单易行、测量范围大、过程成本低、速度快、表征精确度高。

2.激光冲击不同靶材，通过激光冲击强度相对系数能精确的表征不同材料激光冲击强度效果，对不同材料冲击加工具有很好的指导意义。

3.通过单摆摆锤冲量大小，快速方便的衡量不同激光能量下激光冲击强度效果，对预测激光冲击加工和激光参数的选取具有很好的指导作用。

4.本发明兼有对激光系统工作状态的衡量，通过激光冲击单摆摆锤，用摆锤冲量大小来衡量激光工作状态以及激光系统工作稳定连续性。

附图说明

图1基于单摆实验测量激光冲量的装置图。

图2激光冲击重锤靶材后重锤靶材的示意图。

(1)计算机中央处理器，(2)激光控制器，(3)激光器，(4)光斑调节装置，(5)激光束，(6)支撑架，（7）角度盘，（8）单摆悬架，（9）轻质细线，（10）约束层，（11）“U”形摆锤，(12)玻璃（约束层），（13）甘油，（14）黑漆（吸收层）。

具体实施方式

图1所示，所述的一种基于单摆实验测量激光冲量的方法与装置包括计算机中央处理器（1），激光控制器(2)，激光器(3)，光斑调节装置（4），单摆装置(7，8，9，11)，定位支撑架（6），其特征在于由中央处理器(1)发出指令，通过激光控制器（2）使激光器（3）发出激光脉宽为4ns～l0ns的激光束，通过光斑调节装置(4）调节光学透镜组改变冲击路线，发出的激光束穿过定位支撑架（6）作用在附有玻璃（12），甘油（13）和黑漆（14）的“U”形摆锤上（11），摆锤获得冲量，通过高速相机拍摄重锤靶材的起始位置和最大摆角位置，测算出最大摆角，然后根据最大摆角由能量守恒定理计算出摆锤起始运动的冲量大小。

实例1

选取一质量为5g靶材，其材料为45钢，单摆摆线长度为750mm，实验采用的是单脉冲钕玻璃激光器,波长1.06μm,脉宽20ns,激光能量为27.5J，靶材侧面涂有0.1mm黑漆（14），黑漆上涂少量甘油（13），将约束层(12)依附在侧面上，约束层(12)选择K9玻璃，通过定位支撑架（6）对其定位支撑，靶材（11）与支撑架为临界接触，调整激光参数、冲击路径以及单摆支撑的位置，确保激光冲击点与靶材重心重合。所有准备条件完成后，由中中央处理器(1)发出指令，通过激光控制器（2）使激光器（3）发出脉冲激光束，激光束穿过定位支撑架（6）作用于附有K9玻璃和黑漆（约束层+吸收层）的“U”形摆锤（11）上，摆锤获得冲量，通过高速相机拍摄重锤靶材的起始位置和最大摆角位置，测算出最大摆角，然后根据最大摆角由能量守恒定理计算出摆锤起始运动的冲量为6.875×10^-3N.S。

实例2

选取2种不同材料的靶材，即：金属靶材（铝合金）和非金属靶材（PVC），单摆摆线长度为750mm，激光冲击参数同实例1，即采用的是单脉冲钕玻璃激光器,波长1.06μm,脉宽20ns,激光能量为27.5J，靶材上的黑漆涂层厚度为0.1mm,约束层K9玻璃与实例1尺寸规格相同，保证外界条件相同。由中中央处理器(1)发出指令，通过激光控制器（2）使激光器（3）发出脉冲激光束，分别冲击各靶材，同实例1的测量方法，计算出铝合金其对应冲量P_铝=4.125×10^-3N.S，PVC靶材对应冲量P_PVI=5.775×10^-3N.S

选取45钢作为标准靶材，将铝合金、PVC靶材的冲击强度效果与标准靶材相比，用公式（1）即可计算其激光冲击强度相对系数，即：

铝合金：Δ_铝=（P_标准-P_铝）/P_标准=（6.875×10^-3-4.125×10^-3）/6.875×10^-3=0.4

PVC：Δ_PVC=（P_标准-P_PVC）/P_标准=（6.875×10^-3-5.775×10^-3）/6.875×10^-3=0.16

与标准靶材对比，激光冲击强度相对系数越小，说明此材料对应激光冲击强度效果越好。

Claims (5)

1.一种基于相对激光冲击强度的表征方法，其特征在于，采用标准靶材摆锤，在稳定激光系统和标准参数试验条件下，通过激光冲击摆锤，用此摆锤冲量的大小衡量作为标准P_标准,实际靶材激光冲击后冲量大小P_实际,计算其相对激光冲击强度系数Δ=（P_标准-P_实际）/P_标准，通过相对激光冲击强度系数Δ表征激光系统工作状态、不同靶材的相对激光冲击强度；选取一标准靶材，在激光系统稳定和参数相同的条件下，改变实际靶材材料后对比标准靶材所对应的冲量大小，计算其不同材料相对激光冲击强度系数Δ=（P_标准-P_实际）/P_标准，通过对比相对激光冲击强度系数说明不同靶材对应激光冲击强度效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于相对激光冲击强度的表征方法，其特征在于，调整好激光系统后不变，调整激光参数，发出不同能量的脉冲激光波作用于附有能量吸收层和约束层的摆锤上，使摆锤获得冲量，偏离平衡位置，通过高速相机拍摄重锤靶材的起始位置和最大摆角位置，测算出最大摆角，然后根据最大摆角由能量守恒定理计算出摆锤起始运动的冲量大小，用此冲量衡量其对应激光系统能量大小、激光系统状态的稳定连续性及激光系统的工作状态情况。

3.根据权利要求1所述的一种基于相对激光冲击强度的表征方法，其特征在于，安装靶材摆锤时，调整摆锤和定位支撑架位置，支撑架设有一内孔和一沟槽，内孔为激光冲击路径，沟槽放置约束层，摆锤与支撑架处于临界接触状态，确保摆锤的重心与激光冲击点重合和约束层的正确定位，使测量结果准确。

4.根据权利要求2所述的一种基于相对激光冲击强度的表征方法，其特征在于，所述能量吸收层为黑漆，所述约束层为K9透明玻璃，约束层与吸收层之间设有甘油。

5.根据权利要求3所述的一种基于相对激光冲击强度的表征方法，其特征在于，所述激光参数为：激光脉宽4ns～l0ns，能量0～200J，光束直径0.2mm～20mm。