一种电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的装置及方法

技术特征：
1.一种电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的装置，其特征在于，包括激光冲击强化组件、脉冲电-磁场耦合处理组件和电源组件（20），所述激光冲击强化组件包括计算机系统（1）、激光控制器（2）、脉冲激光器（3）、反光镜（4）、凸透镜（5）、约束层（6）、吸收层（7）、试样（8）、绝缘层（9）和试样支撑台（10），其中约束层（6）、吸收层（7）、试样（8）、绝缘层（9）从上到下依次设于试样支撑台（10）上表面，凸透镜（5）设于约束层（6）正上方，所述反光镜（4）倾斜135
°
角设于凸透镜（5）的正上方且其镜面能够反射脉冲激光器（3）发射的激光，反光镜（4）的中心、凸透镜（5）的中心与约束层（6）的中心同轴，反光镜（4）用于将脉冲激光器（3）发射的激光透过凸透镜（5）、约束层（6）和吸收层（7）垂直反射至试样（8）上表面；所述计算机系统（1）与激光控制器（2）的控制信号输入端连接，激光控制器（2）的控制信号输出端与脉冲激光器（3）的信号输入端连接；所述脉冲电-磁场耦合处理组件包括工作台（18）、滑动轨道（16）、两个电极夹持座（13）、两个电磁夹持座（15）、脉冲电场处理组件和脉冲磁场处理组件；所述工作台（18）为长方形工作台，所述试样支撑台（10）底端设于工作台（18）上表面中心，所述滑动轨道（16）沿试样支撑台（10）两端延伸设置于工作台（18）的台面，且滑动轨道（16）沿工作台（18）的长度方向；两端滑动轨道（16）上分别滑动设有电磁夹持座（15）和电极夹持座（13），其中两个电极夹持座（13）轴对称分布，两个电磁夹持座（15）轴对称分布，且电磁夹持座（15）靠近试样支撑台（10）；所述脉冲电场处理组件包括两个电极柱（12）和两个可拆卸电极夹头（11），所述两个电极柱（12）的一端分别与两个电极夹持座（13）连接，另一端分别与两个可拆卸电极夹头（11）连接，且两个可拆卸电极夹头（11）相对设置，两个可拆卸电极夹头（11）用于夹持试样（8）；所述脉冲磁场处理组件包括两个磁场发生线圈（14），所述两个磁场发生线圈（14）分别与两个电磁夹持座（15）连接，两个磁场发生线圈（14）中间相对位置为试样（8）处理位置；所述电极柱（12）和磁场发生线圈（14）的轴心线位于同一平面同一方向；所述电源组件（20）包括电场发生电源（20-1）和磁场发生电源（20-2），电场发生电源（20-1）的正负极分别与两个电极柱（12）电连接，磁场发生电源（20-2）的正负极分别与两个磁场发生线圈（14）电连接。2.根据权利要求1所述的一种电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的装置，其特征在于，所述两个电极夹持座（13）和两个电磁夹持座（15）通过丝杆、电机、气缸、液压缸一种或多种驱动方式在滑动轨道（16）上滑动。3.根据权利要求1所述的一种电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的装置，其特征在于，所述两个电极夹持座（13）和两个电磁夹持座（15）底部通过与之固连的滑动轴承（17）与滑动轨道（16）滑动连接，两个电极夹持座（13）和两个电磁夹持座（15）安装有齿条，所述滑动轨道（16）上安装有与齿条啮合的齿轮，所述齿轮连接驱动电机，由齿轮带动两个电极夹持座（13）同步沿滑动轨道移动和两个电磁夹持座（15）同步沿滑动轨道移动，所述电源组件还包括电机电源，电机电源与驱动电机电连接。4.根据权利要求3所述的一种电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的装置，其特征在于，所述电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的装置还包括冷却组件（21），所述冷却组件（21）包括第一冷却机（21-1）、第二冷却机（21-2）、两组第一冷却管路和一组第二冷却管路，所述两组第一冷却管路分别设于两个磁场发生线圈底部并且与第一冷却机（21-1）连通，由第一冷却机（21-1）提供冷却液，所述一组第二冷却管路设于磁场发生
电源（20-2）的底部并且与第二冷却机（21-2）连通，由第二冷却机（21-2）提供冷却液，所述电源组件（20）还包括冷却机电源，第一冷却机（21-1）、第二冷却机（21-2）分别与冷却机电源电连接。5.根据权利要求4所述的一种电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的装置，其特征在于，所述电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的装置还包括运动控制器（19），所述计算机系统（1）分别与运动控制器（19）、电源组件（20）、冷却组件（21）的信号输入端连接，运动控制器（19）的信号输出端与驱动电机的信号输入端连接。6.根据权利要求5所述的装置一种电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的方法，其特征在于，步骤如下：步骤一.对金属材料表面进行打磨和抛光，最后在工业酒精溶液中进行超声波清洗后晾干得试样（8）备用；步骤二. 将试样（8）放置到两个电极柱（12）之间，然后移动电极夹持座（13），使金属材料位于装置中部，然后通过电极夹头（11）夹持固定；步骤三. 控制电磁夹持座（15）在滑动轨道（16）上移动使磁场发生线圈（14）到需要的处理位置；步骤四. 启动电场发生电源（20-1）、磁场发生电源（20-2）和冷却组件（21），在冷却组件（21）的冷却作用下同时完成脉冲磁场与脉冲电场的有效耦合，完成对工件的电磁耦合处理；以试样的最大屈服强度和断裂延伸率为优化目标，利用响应面优化法确定试样（8）最优的脉冲电磁耦合处理工艺参数；步骤五. 在最优的工艺参数下对试样（8）进行电磁耦合处理，同时利用霍普金森压杆实验或数值模拟分析，获得金属材料的动态屈服强度；步骤六. 结合金属材料的动态屈服强度以及金属材料表面初始状态下的残余应力，求解金属材料的雨贡纽弹性极限，进而确定激光冲击波峰值压力，根据激光冲击波峰值压力公式，确定最优的激光功率密度；步骤七. 将激光冲击波试样（8）放置在试样支撑台（10）上，并将激光吸收层（7）和约束层（6）依次放置在试样（8）的上表面；在最优的脉冲电磁耦合处理工艺参数下对试样（8）进行处理；随即开启脉冲激光器（3），在最优的激光功率密度下对试样（8）进行激光冲击波强化处理；步骤八. 激光冲击波强化处理后，切断电源组件（20），关闭脉冲激光器（3）；然后取下试样（8），去除试样（8）表面残留的吸收层（7）和约束层（6），后续开展试样微观组织、残余应力以及机械性能的测试分析。7.根据权利要求6所述的一种电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的方法，其特征在于，所述金属材料为高熵合金、钛合金、镁合金、铝合金、镍基合金或铜合金。8.根据权利要求6所述的一种电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的方法，其特征在于，所述吸收层（7）为80～120 μm厚的铝箔、约束层（6）为蓝宝石玻璃或者k9玻璃，绝缘层（9）为10 mm厚的橡胶。9.根据权利要求6所述的一种电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的方法，其特征在于，所述步骤四中脉冲电场处理工艺参数为：脉冲频率为 50～ 10000 hz、峰值电流为 20～50000 a、脉宽 10～5000 μs、脉冲时间为10 ～ 1000 s；脉冲磁场处理工艺参数
为：脉冲频率为 100～1000 hz、峰值磁感应强度为 1～10 t、脉宽 50～5000 μs、脉冲时间为10～1000 s。10.根据权利要求6所述的一种电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的方法，其特征在于，所述步骤七中激光冲击波强化的工艺参数为：激光脉宽为10～100 ns，激光功率密度为10～30 gw/cm2，激光光斑直径为1、2或3 mm，激光光斑搭接率为25%、50%或75%，激光冲击波次数为1、3或5次。

技术总结
一种电-磁场耦合激光冲击波强化金属材料表面性能的装置及方法，包括激光冲击波强化组件与脉冲电-磁场耦合处理组件，脉冲电-磁场耦合处理组件包括工作台、设置在工作台上的滑动轨道，滑动轨道上滑动设置有脉冲电场处理组件和脉冲磁场处理组件，脉冲电场处理组件包括安装在电极夹持座上的电极柱；脉冲磁场处理组件包括安装在电磁夹持座上的磁场发生线圈。本发明所述装置用于对金属材料表面施加激光冲击强化的同时，施加脉冲电场与脉冲电磁场至金属材料，使金属材料的表面残余压应力水平和峰值残余压应力水平更高，残余压应力影响层更深，进而提高金属材料的表面性能，同时采用滑动轨道的设计，加大了金属材料的处理空间，提高了其适用范围。其适用范围。其适用范围。


技术研发人员：李京 陈少鹏 刘麟 潘海军 赵玉杰 张伟 王志坚 黄维秋 王为周 陈普宽 方亮 单继强 秦佳壮
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2022.06.06
技术公布日：2022/9/8