本發(fā)明屬于高能脈沖激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光沖擊成形防沖擊波反射的裝置及方法。

背景技術(shù)：

激光沖擊成形（lasershockforming,lsp），是利用高功率短脈沖激光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波或應(yīng)力波，并利用誘導(dǎo)的高幅沖擊波的力學(xué)效應(yīng)使板料產(chǎn)生塑性變形的成形方法。從激光器發(fā)出的高功率密度（gw/cm²量級(jí)）、短脈沖（ns量級(jí)）的強(qiáng)激光束穿過透明約束層照射到涂覆在金屬板料表面的能量吸收層上，或直接沖擊金屬表面，使其氣化、電離，形成高溫高壓的等離子體，等離子體繼續(xù)吸收能量發(fā)生爆炸并誘發(fā)高壓沖擊波，在約束層的作用下產(chǎn)生向板料內(nèi)部傳播的強(qiáng)沖擊波，由于沖擊波峰值壓力達(dá)到10⁹pa量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，從而使板料產(chǎn)生宏觀塑性變形。通過選擇激光脈沖能量、脈沖寬度、光斑尺寸，可控制板料變形量；通過數(shù)控系統(tǒng)控制激光沖擊軌跡、疊加方式和作用區(qū)域的脈沖次數(shù)，可實(shí)現(xiàn)板料的局部或大面積成形。

根據(jù)查閱的相關(guān)文獻(xiàn)與專利檢索文件我們發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)江蘇大學(xué)丁海峰等論文《金屬板料激光沖擊成形控制方法研究》主要討論分析金屬板料成形的物理過程，及影響成形效果的因素，未涉及沖擊波反射的問題。江蘇大學(xué)齊善東等論文《激光沖擊成形控制系統(tǒng)的研究》主要論述了激光沖擊金屬板料的物理過程，激光沖擊波的產(chǎn)生及其力學(xué)效應(yīng)，探討了板料成形過程中的涂層、約束層、激光參數(shù)、板料參數(shù)和約束邊界等主要影響因素，未涉及沖擊波反射的問題。

目前的激光沖擊成形系統(tǒng)中，未考慮強(qiáng)沖擊波向板料內(nèi)部傳播后，板料后表面對沖擊波的界面反射從而造成對板料成形效果的不利影響。激光沖擊成形過程中等離子體爆炸產(chǎn)生的沖擊波向材料內(nèi)部傳播，沖擊波傳播到材料背表面若產(chǎn)生反射，反射波會(huì)對材料的成形效果產(chǎn)生副作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了減弱甚至消除激光沖擊成形過程中界面沖擊波的反射，本發(fā)明提供一種激光沖擊成形過程中防沖擊波反射的方法。

本發(fā)明的目的是以下述方式實(shí)現(xiàn)的：

一種激光沖擊成形防沖擊波反射的裝置，包括激光發(fā)生器、對激光透明的約束層、待成型板料和緊密貼敷于待成型板料上的吸收層，還包括緊密貼敷于待成型板料非沖擊面上的第一層金屬箔膠帶，第一層金屬箔膠帶遠(yuǎn)離待成型板料的表面上緊密貼敷有第二層金屬箔膠帶，第二層金屬箔膠帶遠(yuǎn)離第一層金屬箔膠帶的表面上緊密貼敷有第三層金屬箔膠帶，……，第n-1層金屬箔膠帶遠(yuǎn)離第n-2層金屬箔膠帶的表面上緊密貼敷有第n層金屬箔膠帶，第n層金屬箔膠帶遠(yuǎn)離第n-1層金屬箔膠帶的表面處設(shè)置流動(dòng)水層；

第一層金屬箔膠帶的聲阻抗低于待成型板料的聲阻抗，第二層金屬箔膠帶的聲阻抗低于第一層金屬箔膠帶的聲阻抗，第三層金屬箔膠帶的聲阻抗低于第二層金屬箔膠帶的聲阻抗，……，第n層金屬箔膠帶的聲阻抗低于第n-1層金屬箔膠帶的聲阻抗，流動(dòng)水層的聲阻抗低于第n層金屬箔膠帶的聲阻抗；

所述n≥2，且為正整數(shù)。

所述對激光透明的約束層為去離子水層、玻璃層或冰層。

所述流動(dòng)水層中的水為去離子水。

所述流動(dòng)水層的厚度為1-2mm。

所述第一層金屬箔膠帶、第二層金屬箔膠帶、……、第n層金屬箔膠帶的厚度為0.05-0.2mm。

當(dāng)n=2時(shí)，所述待成型板料為鈦合金板料，第一金屬箔膠帶為錫箔膠帶，第二金屬箔膠帶為鋁箔膠帶。

利用上述的激光沖擊成形防沖擊波反射的裝置進(jìn)行激光沖擊成形的方法，具體步驟如下：

1）將待成形板材放置到激光沖擊成形裝置中，將聲阻抗低于待成型板料的第一層金屬箔膠帶緊密貼敷于待成型板料的非沖擊面上，聲阻抗低于第一層金屬箔膠帶的第二層金屬箔膠帶緊密貼敷在第一層金屬箔膠帶遠(yuǎn)離待成型板料的表面上，聲阻抗低于第二金屬箔膠帶的第三層金屬箔膠帶緊密貼敷在第二金屬箔膠帶遠(yuǎn)離第一層金屬箔膠帶的表面上，……，聲阻抗低于第n-1層金屬箔膠帶的第n層金屬箔膠帶緊密貼敷在第n-1層金屬箔膠帶遠(yuǎn)離第n-2層金屬箔膠帶的表面上，最后打開第n層金屬箔膠帶遠(yuǎn)離第n-1層金屬箔膠帶的表面處的流動(dòng)水層；

2）打開激光發(fā)生器，激光發(fā)生器發(fā)射脈沖激光，當(dāng)脈沖激光透過約束層照射在吸收層上時(shí)，脈沖激光與吸收層相互作用，產(chǎn)生等離子爆炸，在約束層的約束作用下產(chǎn)生向待成型板料內(nèi)部傳播的強(qiáng)沖擊波的同時(shí)，在待成型板料表面及近表面誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力，使待成型板料內(nèi)部應(yīng)力場重新分布，從而使待成型板料按要求的方向及曲率半徑形變；當(dāng)沖擊波傳至待成型板料與第一金屬箔膠帶結(jié)合面處時(shí)，由于后者聲阻抗低于前者，導(dǎo)致沖擊波完全傳入第一金屬箔膠帶；當(dāng)沖擊波傳至第一金屬箔膠帶與第二金屬箔膠帶結(jié)合面處時(shí)，由于后者聲阻抗低于前者，導(dǎo)致沖擊波完全傳入第二金屬箔膠帶；……；當(dāng)沖擊波傳至第n層金屬箔膠帶與流動(dòng)水層結(jié)合面處時(shí)，由于后者聲阻抗低于前者，導(dǎo)致沖擊波完全傳入流動(dòng)去離子水至完全衰減，避免了沖擊波反射對形變過程的不利影響，最終得到按要求的方向及曲率半徑形變的成型材料。

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理可表述為：高能脈沖激光透過對激光透明的約束層照射在緊密貼覆于待成形板料的用于吸收脈沖能量的吸收層上，使其氣化、電離，形成高溫高壓的等離子體，等離子體繼續(xù)吸收能量發(fā)生爆炸并誘發(fā)高壓沖擊波，在約束層的約束作用下產(chǎn)生向板料內(nèi)部傳播的強(qiáng)沖擊波，由于沖擊波峰值壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，從而使板料產(chǎn)生宏觀塑性變形；b）沖擊波傳至板料界面處，由于緊密貼覆于板料后表面的金屬箔膠帶聲阻抗低于板料，因此沖擊波穿過界面繼續(xù)傳播，極少一部分形成反射波；c）沖擊波傳至金屬箔膠帶后表面界面處，由于緊密貼覆于金屬箔膠帶后表面的金屬箔膠帶聲阻抗低于金屬箔膠帶，因此沖擊波穿過界面繼續(xù)傳播至金屬箔膠帶后表面界面處；d）由于附于最后表面的流動(dòng)水層聲阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬箔膠帶，沖擊波被流動(dòng)水層傳出。從而消除了沖擊波反射對板料成形效果的不利影響。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種激光沖擊成形過程中防沖擊波反射的方法，通過在材料背表面緊密粘貼聲阻抗與板料相近的金屬箔膠帶來吸收沖擊波，即令沖擊波繼續(xù)向前傳播，減少甚至消除反射波；依次粘貼聲阻抗逐漸遞減的金屬箔膠帶，最后一級(jí)采用流動(dòng)的水層，達(dá)到導(dǎo)出沖擊波的目的。該方法有效地消除了激光沖擊成形過程中材料背表面對沖擊波的反射，從而防止了反射沖擊波對板料成形效果的不利影響。在待成形板材后表面依次貼覆聲阻抗相對于板料遞減的金屬金屬箔膠帶，并在最末級(jí)附流動(dòng)水層以消除沖擊波反射對板料成形效果的影響。操作簡單，便于推廣使用。

附圖說明

圖1是激光沖擊成形防沖擊波反射布置示意圖。

圖2是對比例的成型板料ⅰ。

圖3是對比例的成型板料ⅱ。

圖4是實(shí)驗(yàn)例的實(shí)驗(yàn)過程示意圖。

圖5是實(shí)驗(yàn)例的成型板料ⅰ。

圖6是實(shí)驗(yàn)例的成型板料ⅱ。

其中，1是激光發(fā)生器；2是對激光透明的約束層；3是吸收層；4是待成型板料；5是第一層金屬箔膠帶；6是第二層金屬箔膠帶；7是第三層金屬箔膠帶；……；n+3是第n-1層金屬箔膠帶；n+4是第n層金屬箔膠帶；n+5是流動(dòng)水層。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種激光沖擊成形防沖擊波反射的裝置，包括激光發(fā)生器1、對激光透明的約束層2、待成型板料4和緊密貼敷于待成型板料4上的吸收層3，還包括緊密貼敷于待成型板料4非沖擊面上的第一層金屬箔膠帶5，第一層金屬箔膠帶5遠(yuǎn)離待成型板料4的表面上緊密貼敷有第二層金屬箔膠帶6，第二層金屬箔膠帶6遠(yuǎn)離第一層金屬箔膠帶5的表面上緊密貼敷有第三層金屬箔膠帶7，……，第n-1層金屬箔膠帶n+3遠(yuǎn)離第n-2層金屬箔膠帶n+2的表面上緊密貼敷有第n層金屬箔膠帶n+4，第n層金屬箔膠帶n+4遠(yuǎn)離第n-1層金屬箔膠帶n+3的表面處設(shè)置流動(dòng)水層n+5；

第一層金屬箔膠帶5的聲阻抗低于待成型板料4的聲阻抗，第二層金屬箔膠帶6的聲阻抗低于第一層金屬箔膠帶5的聲阻抗，第三層金屬箔膠帶7的聲阻抗低于第二層金屬箔膠帶6的聲阻抗，……，第n層金屬箔膠帶n+4的聲阻抗低于第n-1層金屬箔膠帶n+3的聲阻抗，流動(dòng)水層n+5的聲阻抗低于第n層金屬箔膠帶n+4的聲阻抗；

n≥2，且為正整數(shù)。

對激光透明的約束層2為去離子水層、玻璃層或冰層。

流動(dòng)水層n+5中的水為去離子水。

流動(dòng)水層n+5的厚度為1-2mm。

第一層金屬箔膠帶5、第二層金屬箔膠帶6、……、第n層金屬箔膠帶n+4的厚度為0.05-0.2mm。

當(dāng)n=2時(shí)，所述待成型板料4為鈦合金板料，第一金屬箔膠帶5為錫箔膠帶，第二金屬箔膠帶6為鋁箔膠帶。

利用上述的激光沖擊成形防沖擊波反射的裝置進(jìn)行激光沖擊成形的方法，具體步驟如下：

1）將待成形板材4放置到激光沖擊成形裝置中，將聲阻抗低于待成型板料4的第一層金屬箔膠帶5緊密貼敷于待成型板料4的非沖擊面上，聲阻抗低于第一層金屬箔膠帶5的第二層金屬箔膠帶6緊密貼敷在第一層金屬箔膠帶5遠(yuǎn)離待成型板料4的表面上，聲阻抗低于第二金屬箔膠帶6的第三層金屬箔膠帶7緊密貼敷在第二金屬箔膠帶6遠(yuǎn)離第一層金屬箔膠帶5的表面上，……，聲阻抗低于第n-1層金屬箔膠帶n+3的第n層金屬箔膠帶n+4緊密貼敷在第n-1層金屬箔膠帶n+3遠(yuǎn)離第n-2層金屬箔膠帶n+2的表面上，最后打開第n層金屬箔膠帶n+4遠(yuǎn)離第n-1層金屬箔膠帶n+3的表面處的流動(dòng)水層n+5；

2）打開激光發(fā)生器1，激光發(fā)生器1發(fā)射脈沖激光，當(dāng)脈沖激光1透過約束層2照射在吸收層3上時(shí)，脈沖激光1與吸收層3相互作用，產(chǎn)生等離子爆炸，在約束層2的約束作用下產(chǎn)生向待成型板料4內(nèi)部傳播的強(qiáng)沖擊波的同時(shí)，在待成型板料4表面及近表面誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力，使待成型板料4內(nèi)部應(yīng)力場重新分布，從而使待成型板料4按要求的方向及曲率半徑形變；當(dāng)沖擊波傳至待成型板料4與第一金屬箔膠帶5結(jié)合面處時(shí)，由于后者聲阻抗低于前者，導(dǎo)致沖擊波完全傳入第一金屬箔膠帶5；當(dāng)沖擊波傳至第一金屬箔膠帶5與第二金屬箔膠帶6結(jié)合面處時(shí)，由于后者聲阻抗低于前者，導(dǎo)致沖擊波完全傳入第二金屬箔膠帶6；……；當(dāng)沖擊波傳至第n層金屬箔膠帶n+4與流動(dòng)水層n+5結(jié)合面處時(shí)，由于后者聲阻抗低于前者，導(dǎo)致沖擊波完全傳入流動(dòng)去離子水至完全衰減，避免了沖擊波反射對形變過程的不利影響，最終得到按要求的方向及曲率半徑形變的成型材料。

鈦的聲阻抗數(shù)值為27gm/(cm²·s)，錫的聲阻抗數(shù)值為24gm/(cm²·s)，鋁的聲阻抗數(shù)值為17gm/(cm²·s)，去離子水的聲阻抗數(shù)值為1.48gm/(cm²·s)。

對比例：

如圖2-3所示，待成型板料后表面上沒有貼覆金屬箔膠帶吸收層，板料后表面未加吸波層時(shí)產(chǎn)生鼓起的狀態(tài)，表明產(chǎn)生了沖擊波反射，向板料內(nèi)部傳播，對成形過程產(chǎn)生了不利影響。

實(shí)驗(yàn)例：

如圖4-6所示，待成形板材4為鈦合金板材，第一金屬箔膠帶5為錫箔膠帶，第二金屬箔膠帶6為鋁箔膠帶，錫箔膠帶和鋁箔膠帶的厚度均為0.1mm，流動(dòng)水層的厚度為1.5mm，對激光透明的約束層2為玻璃層。

高能脈沖激光1透過對激光透明的約束層2照射在緊密貼覆于待成形鈦合金板料的用于吸收脈沖能量的吸收層3上，使其氣化、電離，形成高溫高壓的等離子體，等離子體繼續(xù)吸收能量發(fā)生爆炸并誘發(fā)高壓沖擊波，在約束層3的約束作用下產(chǎn)生向鈦合金板材內(nèi)部傳播的強(qiáng)沖擊波，由于沖擊波峰值壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，從而使板料產(chǎn)生宏觀塑性變形；b）沖擊波傳至鈦合金板材界面處，由于緊密貼覆于鈦合金板材后表面的錫箔膠帶5聲阻抗低于鈦合金板材，因此沖擊波穿過界面繼續(xù)傳播，極少一部分形成反射波；c）沖擊波傳至錫箔膠帶5后表面界面處，由于緊密貼覆于錫箔膠帶5后表面的鋁箔膠帶6聲阻抗低于錫箔膠帶5，因此沖擊波穿過界面繼續(xù)傳播至金屬箔膠帶6后表面界面處；d）由于附于后表面的流動(dòng)去離子水層7聲阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋁箔膠帶6，沖擊波被流動(dòng)去離子水層傳出。從而消除了沖擊波反射對板料成形效果的不利影響。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明整體構(gòu)思前提下，還可以作出若干改變和改進(jìn)，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。