一种激光冲击成形防冲击波反射的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种激光冲击成形防冲击波反射的装置，包括激光发生器、对激光透明的约束层、待成型板料和紧密贴敷于待成型板料上的吸收层，还包括紧密贴敷于待成型板料非冲击面上的第一层金属箔胶带，第一层金属箔胶带远离待成型板料的表面上紧密贴敷有第二层金属箔胶带，第二层金属箔胶带远离第一层金属箔胶带的表面上紧密贴敷有第三层金属箔胶带，第一层金属箔胶带的声阻抗低于待成型板料的声阻抗，第二层金属箔胶带的声阻抗低于第一层金属箔胶带的声阻抗，第三层金属箔胶带的声阻抗低于第二层金属箔胶带的声阻抗。该方法有效地消除了激光冲击成形过程中材料背表面对冲击波的反射，从而防止了反射冲击波对板料成形效果的不利影响。

Device and method for shock wave reflection of laser shock forming

The invention discloses a laser shock forming shock wave reflection device, which comprises a laser generator, the laser constrained layer and transparent sheet to be shaped and closely sticking to the absorption layer forming sheet, including closely sticking to the first layer to be shaped sheet metal foil tape on the surface of non impact the surface of the first layer of metal foil tape to be away from the molding sheet tightly sticking with second layers of metal foil tape, the surface of the second layer of metal foil tape from the first layer of metal foil tape tightly sticking with third layers of metal foil tape, the acoustic impedance of the first layer of metal foil tape to be lower than the acoustic impedance shaped plate the second acoustic impedance layers of metal foil tape is lower than that of the acoustic impedance of the first layer of metal foil tape, third acoustic impedance layers of metal foil tape is lower than that of the acoustic impedance of second layers of metal foil tape. The method effectively eliminates the reflection of the material back surface against shock wave in the process of laser shock forming, thus preventing the adverse effect of the reflected shock wave on the sheet metal forming effect.

【技术实现步骤摘要】
一种激光冲击成形防冲击波反射的装置及方法
本专利技术属于高能脉冲激光应用
，具体涉及一种激光冲击成形防冲击波反射的装置及方法。
技术介绍
激光冲击成形（Lasershockforming,LSP），是利用高功率短脉冲激光与物质相互作用，产生强冲击波或应力波，并利用诱导的高幅冲击波的力学效应使板料产生塑性变形的成形方法。从激光器发出的高功率密度（GW/cm2量级）、短脉冲（ns量级）的强激光束穿过透明约束层照射到涂覆在金属板料表面的能量吸收层上，或直接冲击金属表面，使其气化、电离，形成高温高压的等离子体，等离子体继续吸收能量发生爆炸并诱发高压冲击波，在约束层的作用下产生向板料内部传播的强冲击波，由于冲击波峰值压力达到109Pa量级，远远大于材料的动态屈服强度，从而使板料产生宏观塑性变形。通过选择激光脉冲能量、脉冲宽度、光斑尺寸，可控制板料变形量；通过数控系统控制激光冲击轨迹、叠加方式和作用区域的脉冲次数，可实现板料的局部或大面积成形。根据查阅的相关文献与专利检索文件我们发现，国内江苏大学丁海峰等论文《金属板料激光冲击成形控制方法研究》主要讨论分析金属板料成形的物理过程，及影响成形效果的因素，未涉及冲击波反射的问题。江苏大学齐善东等论文《激光冲击成形控制系统的研究》主要论述了激光冲击金属板料的物理过程，激光冲击波的产生及其力学效应，探讨了板料成形过程中的涂层、约束层、激光参数、板料参数和约束边界等主要影响因素，未涉及冲击波反射的问题。目前的激光冲击成形系统中，未考虑强冲击波向板料内部传播后，板料后表面对冲击波的界面反射从而造成对板料成形效果的不利影响。激光冲击成形过程中等离子体爆炸产生的冲击波向材料内部传播，冲击波传播到材料背表面若产生反射，反射波会对材料的成形效果产生副作用。
技术实现思路
为了减弱甚至消除激光冲击成形过程中界面冲击波的反射，本专利技术提供一种激光冲击成形过程中防冲击波反射的方法。本专利技术的目的是以下述方式实现的：一种激光冲击成形防冲击波反射的装置，包括激光发生器、对激光透明的约束层、待成型板料和紧密贴敷于待成型板料上的吸收层，还包括紧密贴敷于待成型板料非冲击面上的第一层金属箔胶带，第一层金属箔胶带远离待成型板料的表面上紧密贴敷有第二层金属箔胶带，第二层金属箔胶带远离第一层金属箔胶带的表面上紧密贴敷有第三层金属箔胶带，……，第N-1层金属箔胶带远离第N-2层金属箔胶带的表面上紧密贴敷有第N层金属箔胶带，第N层金属箔胶带远离第N-1层金属箔胶带的表面处设置流动水层；第一层金属箔胶带的声阻抗低于待成型板料的声阻抗，第二层金属箔胶带的声阻抗低于第一层金属箔胶带的声阻抗，第三层金属箔胶带的声阻抗低于第二层金属箔胶带的声阻抗，……，第N层金属箔胶带的声阻抗低于第N-1层金属箔胶带的声阻抗，流动水层的声阻抗低于第N层金属箔胶带的声阻抗；所述N≥2，且为正整数。所述对激光透明的约束层为去离子水层、玻璃层或冰层。所述流动水层中的水为去离子水。所述流动水层的厚度为1-2mm。所述第一层金属箔胶带、第二层金属箔胶带、……、第N层金属箔胶带的厚度为0.05-0.2mm。当N=2时，所述待成型板料为钛合金板料，第一金属箔胶带为锡箔胶带，第二金属箔胶带为铝箔胶带。利用上述的激光冲击成形防冲击波反射的装置进行激光冲击成形的方法，具体步骤如下：1）将待成形板材放置到激光冲击成形装置中，将声阻抗低于待成型板料的第一层金属箔胶带紧密贴敷于待成型板料的非冲击面上，声阻抗低于第一层金属箔胶带的第二层金属箔胶带紧密贴敷在第一层金属箔胶带远离待成型板料的表面上，声阻抗低于第二金属箔胶带的第三层金属箔胶带紧密贴敷在第二金属箔胶带远离第一层金属箔胶带的表面上，……，声阻抗低于第N-1层金属箔胶带的第N层金属箔胶带紧密贴敷在第N-1层金属箔胶带远离第N-2层金属箔胶带的表面上，最后打开第N层金属箔胶带远离第N-1层金属箔胶带的表面处的流动水层；2）打开激光发生器，激光发生器发射脉冲激光，当脉冲激光透过约束层照射在吸收层上时，脉冲激光与吸收层相互作用，产生等离子爆炸，在约束层的约束作用下产生向待成型板料内部传播的强冲击波的同时，在待成型板料表面及近表面诱导残余压应力，使待成型板料内部应力场重新分布，从而使待成型板料按要求的方向及曲率半径形变；当冲击波传至待成型板料与第一金属箔胶带结合面处时，由于后者声阻抗低于前者，导致冲击波完全传入第一金属箔胶带；当冲击波传至第一金属箔胶带与第二金属箔胶带结合面处时，由于后者声阻抗低于前者，导致冲击波完全传入第二金属箔胶带；……；当冲击波传至第N层金属箔胶带与流动水层结合面处时，由于后者声阻抗低于前者，导致冲击波完全传入流动去离子水至完全衰减，避免了冲击波反射对形变过程的不利影响，最终得到按要求的方向及曲率半径形变的成型材料。本专利技术的实现原理可表述为：高能脉冲激光透过对激光透明的约束层照射在紧密贴覆于待成形板料的用于吸收脉冲能量的吸收层上，使其气化、电离，形成高温高压的等离子体，等离子体继续吸收能量发生爆炸并诱发高压冲击波，在约束层的约束作用下产生向板料内部传播的强冲击波，由于冲击波峰值压力远远大于材料的动态屈服强度，从而使板料产生宏观塑性变形；B）冲击波传至板料界面处，由于紧密贴覆于板料后表面的金属箔胶带声阻抗低于板料，因此冲击波穿过界面继续传播，极少一部分形成反射波；C）冲击波传至金属箔胶带后表面界面处，由于紧密贴覆于金属箔胶带后表面的金属箔胶带声阻抗低于金属箔胶带，因此冲击波穿过界面继续传播至金属箔胶带后表面界面处；D）由于附于最后表面的流动水层声阻抗远远低于金属箔胶带，冲击波被流动水层传出。从而消除了冲击波反射对板料成形效果的不利影响。相对于现有技术，本专利技术提供一种激光冲击成形过程中防冲击波反射的方法，通过在材料背表面紧密粘贴声阻抗与板料相近的金属箔胶带来吸收冲击波，即令冲击波继续向前传播，减少甚至消除反射波；依次粘贴声阻抗逐渐递减的金属箔胶带，最后一级采用流动的水层，达到导出冲击波的目的。该方法有效地消除了激光冲击成形过程中材料背表面对冲击波的反射，从而防止了反射冲击波对板料成形效果的不利影响。在待成形板材后表面依次贴覆声阻抗相对于板料递减的金属金属箔胶带，并在最末级附流动水层以消除冲击波反射对板料成形效果的影响。操作简单，便于推广使用。附图说明图1是激光冲击成形防冲击波反射布置示意图。图2是对比例的成型板料Ⅰ。图3是对比例的成型板料Ⅱ。图4是实验例的实验过程示意图。图5是实验例的成型板料Ⅰ。图6是实验例的成型板料Ⅱ。其中，1是激光发生器；2是对激光透明的约束层；3是吸收层；4是待成型板料；5是第一层金属箔胶带；6是第二层金属箔胶带；7是第三层金属箔胶带；……；N+3是第N-1层金属箔胶带；N+4是第N层金属箔胶带；N+5是流动水层。具体实施方式如图1所示，一种激光冲击成形防冲击波反射的装置，包括激光发生器1、对激光透明的约束层2、待成型板料4和紧密贴敷于待成型板料4上的吸收层3，还包括紧密贴敷于待成型板料4非冲击面上的第一层金属箔胶带5，第一层金属箔胶带5远离待成型板料4的表面上紧密贴敷有第二层金属箔胶带6，第二层金属箔胶带6远离第一层金属箔胶带5的表面上紧密贴敷有第三层金属箔胶带7，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光冲击成形防冲击波反射的装置，包括激光发生器（1）、对激光透明的约束层（2）、待成型板料（4）和紧密贴敷于待成型板料（4）上的吸收层（3），其特征在于：还包括紧密贴敷于待成型板料（4）非冲击面上的第一层金属箔胶带（5），第一层金属箔胶带（5）远离待成型板料（4）的表面上紧密贴敷有第二层金属箔胶带（6），第二层金属箔胶带（6）远离第一层金属箔胶带（5）的表面上紧密贴敷有第三层金属箔胶带（7），……，第N‑1层金属箔胶带（N+3）远离第N‑2层金属箔胶带（N+2）的表面上紧密贴敷有第N层金属箔胶带（N+4），第N层金属箔胶带（N+4）远离第N‑1层金属箔胶带（N+3）的表面处设置流动水层（N+5）；第一层金属箔胶带（5）的声阻抗低于待成型板料（4）的声阻抗，第二层金属箔胶带（6）的声阻抗低于第一层金属箔胶带（5）的声阻抗，第三层金属箔胶带（7）的声阻抗低于第二层金属箔胶带（6）的声阻抗，……，第N层金属箔胶带（N+4）的声阻抗低于第N‑1层金属箔胶带（N+3）的声阻抗，流动水层（N+5）的声阻抗低于第N层金属箔胶带（N+4）的声阻抗；所述N≥2，且为正整数。

【技术特征摘要】
1.一种激光冲击成形防冲击波反射的装置，包括激光发生器（1）、对激光透明的约束层（2）、待成型板料（4）和紧密贴敷于待成型板料（4）上的吸收层（3），其特征在于：还包括紧密贴敷于待成型板料（4）非冲击面上的第一层金属箔胶带（5），第一层金属箔胶带（5）远离待成型板料（4）的表面上紧密贴敷有第二层金属箔胶带（6），第二层金属箔胶带（6）远离第一层金属箔胶带（5）的表面上紧密贴敷有第三层金属箔胶带（7），……，第N-1层金属箔胶带（N+3）远离第N-2层金属箔胶带（N+2）的表面上紧密贴敷有第N层金属箔胶带（N+4），第N层金属箔胶带（N+4）远离第N-1层金属箔胶带（N+3）的表面处设置流动水层（N+5）；第一层金属箔胶带（5）的声阻抗低于待成型板料（4）的声阻抗，第二层金属箔胶带（6）的声阻抗低于第一层金属箔胶带（5）的声阻抗，第三层金属箔胶带（7）的声阻抗低于第二层金属箔胶带（6）的声阻抗，……，第N层金属箔胶带（N+4）的声阻抗低于第N-1层金属箔胶带（N+3）的声阻抗，流动水层（N+5）的声阻抗低于第N层金属箔胶带（N+4）的声阻抗；所述N≥2，且为正整数。2.根据权利要求1所述的激光冲击成形防冲击波反射的装置，其特征在于：所述对激光透明的约束层（2）为去离子水层、玻璃层或冰层。3.根据权利要求1所述的激光冲击成形防冲击波反射的装置，其特征在于：所述流动水层（N+5）中的水为去离子水。4.根据权利要求1所述的激光冲击成形防冲击波反射的装置，其特征在于：所述第一层金属箔胶带（5）、第二层金属箔胶带（6）、……、第N层金属箔胶带（N+4）的厚度为0.05-0.2mm。5.根据权利要求1所述的激光冲击成形防冲击波反射的装置，其特征在于：所述流动水层（N+5）的厚度为1-2mm。6.根据权利要求1所述的激光冲击成形防冲击波反射的装置，其特征在于：当N=2时，所述待成型板料（4）为钛合金板料，第一金属箔胶带（5）...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨杰，谭兆钧，韦乐余，肖潇，黄丽丽，上官林建，姚林晓，车志刚，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南,41