激光混強場裝置制造方法及圖紙

激光混強場裝置，包括內腔為球形結構的殼體，在殼體的球形內腔中鑲嵌有若干個半導體激光器陣列，除半導體激光器陳列出射口處的殼體內壁上設置有一層耐高溫全反射層，在各半導體激光器的出射口均設置有擋板，殼體的一側開設有一面積為S1的開口，該開口上安裝有內壁設置有耐高溫全反射層的封閉門。本發明專利技術使入射激光經過多次反射能夠產生強度均勻分布的激光場，這樣無論零部件的結構簡單還是復雜，零部件的不同部位都可以在激光混強場中受到均勻激光束的激光沖擊，達到激光沖擊強化的效果，解決了現有技術存在的問題。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于激光加工領域，具體涉及一種激光沖擊強化處理的激光混強場裝置， 可以對形狀簡單或外形復雜的工件進行高效地激光沖擊強化處理。
技術介紹
隨著科學技術的發展，對機械零部件的性能要求也越來越高，其使用環境也變得越來越苛刻。許多機械結構必須在高壓、高溫、高磨損和高腐蝕的外部條件下使用，從而導致零部件極易破損和失效。為了提高零部件的使用性能，繼激光熱處理、激光非晶化及和激光毛化等表面處理技術之后，近幾年又出現了激光沖擊處理新技術(Laser Shock Processing, LSP)技術(也稱激光噴丸技術)。激光沖擊處理能夠改善零件表層材料的亞結構以及產生有益的殘余壓應力，從而提高零部件的疲勞壽命和增強抗應力腐蝕能力，延長零件使用壽命。作為當今世界上最先進的金屬表面強化手段，激光沖擊強化技術是提升裝備安全可靠性，提高其經濟性指標的有效途徑和重要手段，可廣泛應用于國內與機械制造相關的航空、船舶、汽車、石油化工、裝備制造和核工業等眾多領域。激光沖擊強化是利用強激光束產生等離子沖擊波來對材料進行強化處理，在材料表層產生深達Imm及以上的殘余壓應力層，從而提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術。是利用強激光誘導沖擊波來強化金屬表面的一種新技術。為了提高對激光能量的吸收和保護金屬材料表面不受到激光的熱損傷，在激光沖擊前，一般在工件的待沖擊表面區域涂上一層不透光的材料，稱之為涂層，然后再覆蓋一層透明材料，稱之為約束層。當高功率密度短脈沖的強激光穿過透明約束層沖擊金屬板料表面的能量吸收層時，能量吸收層充分吸收高能激光的能量，而在極短時間內汽化電離形成一個高溫高壓的等離子體層，概等離子層迅速向外噴射，由于約束層的存在，等離子體的膨脹受到約束限制，導致等離子體壓力迅速升高，結果施于靴面一個沖擊加載，產生向金屬內部傳播的強沖擊波。由于這種沖擊波壓力高達數GPa，遠遠大于材料的動態屈服強度，從而使材料產生屈服和塑性變形，同時在成形區域產生殘余壓縮力，改善了成形件的疲勞和腐蝕性能，當沖擊波的峰值壓力超過材料的動態屈服強度時，材料發生塑性變形并在表層產生平行于材料表面的拉應力。激光作用結束后，由于沖擊區域周圍材料的反作用，其力學效應表現為材料表面獲得較高的殘余壓應力。殘余壓應力會降低交變載荷中的拉應力水平，使平均應力水平下降，從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時殘余壓應力的存在，可引起裂紋的閉合效應，從而有效降低疲勞裂紋擴展的驅動力，延長疲勞裂紋擴展壽命。自2003年起，美國空軍已經將激光沖擊處理技術應用于航空發動機的整體葉盤。 整體葉盤結構是提高發動機性能、簡化結構、減重、提高可靠性的重要措施。經激光沖擊強化的葉片的抗異物破壞能力和疲勞性能大幅度提升，甚至已強化葉片邊緣缺口小于3mm 時，其使用壽命仍與完好的未強化葉片相當。由于單體葉片性能的提升，減少了因單個葉片損壞而報廢整個葉盤的幾率。在役未強化的整體葉盤葉片出現微小裂紋后，可對其進行激光沖擊處理再制造，疲勞強度仍滿足設計要求。到2009年，F22戰斗機上75%的整體葉盤都經過了激光沖擊處理。目前，該項技術的基礎應用領域還在不斷擴展。美國應用該技術在航空發動機結構上解決了許多關鍵技術問題，但對我國是技術封鎖的。激光沖擊強化處理會在材料表面留下較大的殘余壓應力，當沖擊件兩面受到的激光沖擊不對稱時，由于激光沖擊強化處理產生的殘余壓應力也不對稱，從而導致沖擊件的宏觀變形，致使沖擊件受損，尤其在沖擊件厚度小于6. 3mm時，宏觀變形的現象就更加明顯。為了避免激光沖擊后整體葉盤葉片產生宏觀變形，通常要采用雙面沖擊的方式，即使得作用于葉片正反兩面的兩束激光的作用時間一致、光斑尺寸大小相同，但是，由于受到整體葉盤相鄰葉片空間尺寸的限制，激光沖擊強化采用雙面對稱斜入射方式在相鄰葉片尺寸較小的情況下是不可行的。此外，以該技術在航空發動機葉片的強化的應用為例說明現有的激光沖擊強化技術的局限性。與單體葉片相比，整體葉盤的激光沖擊處理需要考慮兩相鄰葉片之間的干涉和可達性問題。對于整體葉盤而言，其葉片具有不可拆卸性。由于相鄰葉片的間距比較小， 在對葉身及葉根部分進行激光沖擊強化時，垂直入射的激光會被相鄰葉片遮擋，無法直接作用于待沖擊葉片的表面。這就迫使在進行激光沖擊強化處理時入射激光束需要以一定角度斜入射作用于待處理的葉片表面，從而避免其它葉片對入射激光的遮擋，提高激光強化處理的效果。在雙面對稱入射的方案中，對入射激光的斜入射角度也有一定要求。由于光在空氣和透明介質之間傳播時入射角越大，反射率越高，因而為了減少激光在水約束層表面的反射損失，一般要求入射角度選在30° 60°之間。在入射激光的入射角度得到控制后， 以上對整體葉盤的激光強化技術上是可行的。但是通過實踐應用的總結發現，上述技術存在兩個主要問題第一是該技術方案在加工過程中需要頻繁的轉動待強化處理的葉盤，使得激光強化處理的過程工作效率較低；第二是在每次轉動待強化處理的葉盤之后，都需要重新調整入射激光入射角度，由于入射角度改變，激光入射能量分布不均勻，對葉片表面強化效果也就不理想。此外，在對整體葉盤進行激光沖擊強化時，激光沖擊每次在葉片上產生圓光斑，為了保證葉片沖擊區域達到100%的覆蓋率，這就對圓光斑之間的搭接方式有較高的要求。由此可見，采用雙面對稱斜入射激光沖擊進行激光沖擊強化處理時的工作效率是比較低的。除此之外，在用上述技術和方法對薄板結構整個表面進行雙面對稱激光沖擊強化之后，經過試驗測試卻發現經過上述處理的薄板的疲勞壽命反而出現大幅度的降低。疲勞壽命降低的主要原因是薄板表面的逐點激光強化后引起的局部應力集中造成的。由于逐點進行激光強化時材料的應變率很高，造成局部應力集中，容易產生裂紋，從而大大降低了激光強化后的疲勞壽命。現有技術在加工過程中需要頻繁的轉動待強化處理的葉盤，使得激光強化處理的過程工作效率較低；在每次轉動待強化處理的葉盤之后，都需要重新調整入射激光入射角度，由于入射角度改變，激光入射能量分布不均勻，對葉片表面強化效果也就不理想針對上述情況。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服整體葉盤在激光沖擊時相鄰葉片干涉和需要雙面沖擊的技術難題，提供一種能夠提高沖擊強化效率，而且能夠解決靶材激光強化后疲勞壽命降低的問題，對葉盤表面進行一次性整體激光強化的激光混強場裝置。即提供一個強度均勻的激光場來對同一靶材表面進行同時性激光強化的激光混強場裝置。為達到上述目的，本專利技術采用的技術方案是包括內腔為球形結構的殼體，在殼體的球形內腔中鑲嵌有若干個半導體激光器陣列，除半導體激光器陳列出射口處的殼體內壁上設置有一層耐高溫全反射層，在各半導體激光器陣列的出射口均設置有擋板，殼體的一側開設有一面積為S1的開口，該開口上安裝有內壁設置有耐高溫全反射層的封閉門。所述的開口的面積S1ZiS ( 0. 0025，其中S為殼體的內表面面積。所述的半導體激光器陣列的出射光偏離開口。所述的擋板為石英玻璃板。所述的殼體的外側設置有水冷卻裝置。所述的耐高溫全反射層采用三維光子晶體結構材料。所述的三維光子晶體結構材料通過反蛋白石(Inverted Opal)光子晶體合成的方法制得，按體積比填充材料占對％，空氣占76%，所述的填充材料為砷化鎵、二氧化鈦本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．激光混強場裝置，其特征在于：包括內腔為球形結構的殼體（１），在殼體（１）的球形內腔中鑲嵌有若干個半導體激光器陣列（２、７、８），除半導體激光器陳列（２）出射口處的殼體內壁上設置有一層耐高溫全反射層（３），在各半導體激光器陣列的出射口均設置有擋板（４、６、９），殼體（１）的一側開設有一面積為Ｓ１的開口（５），該開口（５）上安裝有內壁設置有耐高溫全反射層的封閉門。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳九匯，胡志平，張鐵山，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：87