[發明專利]一種光內送水激光沖擊強化的方法和裝置

無效

• 申請號: 201310245934.7
• 申請日: 2013-06-20
• 公開（公告）號: CN103302406A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 羅開玉;羅密;林通;魯金忠
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B23K26/14
• 分類號: B23K26/14;B23P25/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及激光加工領域，特指一種激光沖擊強化的方法，以及實現這種方法的裝置，適合于加工曲面工件，如葉片等。

背景技術

激光沖擊強化LSP,又叫激光噴丸,是一種新型的材料表面強化技術，利用強激光誘導的沖擊波力學效應對材料進行加工，具有高壓、高能、超快和超高應變率等特點。其形成的殘余壓應力層能有效地消除材料內部的應力集中和抑制裂紋的萌生和擴展，能夠顯著提高金屬零件的疲勞壽命以及抗腐蝕和抗磨損能力。

要實現激光沖擊波的力學強化效果，必須在激光沖擊過程中使用約束層，約束層覆蓋在工件表面，其厚度、材質的成分和性能直接影響激光沖擊強化的效果。目前，國內外文獻和試驗中所使用的約束層介質包括K9光學玻璃、有機玻璃、硅膠、合成樹脂和水等。水約束層的優點是廉價、清潔、重復效果好，可加工曲面，而且流動的水約束層可以帶走等離子體爆炸后的固體粉塵顆粒，具有明顯的優勢，工業中激光沖擊強化結構金屬構件通常使用水約束層。穩定、均勻的水約束層是在工件表層形成均勻殘余壓應力分布，提高疲勞壽命的重要保證。

目前國內多采用傳統水約束層的方法和裝置，即通過外置水龍頭的扁平噴嘴沿某一方向朝工件表面噴水，形成厚度約2-3?mm的流動水幕作為約束層。該方法的不足之處在于：為了避免加工區域出現紊流，噴水點與加工區域存在一定距離，因此不能保證工件移動過程中噴水動作與激光沖擊動作的同步性，會影響加工區域水約束層的穩定性。另外，工件表面形貌和表面質量對加工區域水約束層的影響較大，當工件表面為曲面時凸面部分曲面和水約束層間容易形成空隙，從而入射激光束燒蝕工件表面，形成加工破壞，凹面部分曲面形成較厚的水膜影響激光沖擊強化效果；即使當工件表面為平面時，由于不同區域表面質量的不同也會使加工區域水約束層出現紊流。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供一種光內送水激光沖擊強化的方法和裝置，提高工區域水約束層的穩定性，避免加工破壞，提高激光沖擊強化效果。

為了解決以上技術問題，本發明所采用的具體技術方案如下：

一種光內送水激光沖擊強化裝置，包括：激光器(1)、激光器控制裝置(2)、光路變換器(4)、夾具(13)、五軸工作臺(14)、主水管(5)、噴頭(9)、進水管(10)、水流控制器(12)和水箱(11)；激光器(1)位于五軸工作臺(14)對面；激光器控制裝置(2)連接在激光器(1)上，控制激光器的輸出脈沖能量，光斑直徑以及脈沖寬度；夾具(13)安裝在五軸工作臺(14)上；光路變換器(4)位于激光器(1)和五軸工作臺(14)之間；主水管(5)安裝在光路變化器(4)上；噴頭(9)與主水管(5)底部的連接口通過螺紋連接；進水管(10)一端與主水管(5)上端相連，另一端與水箱(11)相連；水流控制器(12)連接在進水管(10)上，用于控制水流的流量和壓力。

所述主水管(5)為不銹鋼制，上端密封，底部和上側設置有連接口，并與中空激光束同軸。

所述噴頭(9)的工作面為頂角是170°的圓錐面，出水口寬度D為1-2?mm。

所述水流控制器(12)用于控制水流壓力值范圍在0.1-0.3?MPa，同時控制水流的噴水周期與激光沖擊的周期一致。

一種利用所述光內送水激光沖擊強化裝置對光內送水激光沖擊強化的方法，其特征在于：水流通過設置在圓形激光束經過光路變換后形成的中空激光束內、并與中空激光束同軸的主水管底部的噴頭沿整個周向噴向工件形成厚度均勻的水約束層，使所述水約束層不受工件表面形貌和表面質量的影響，具體包括以下步驟：

步驟一，打開激光器，通過激光器控制裝置設定激光器的輸出脈沖能量，光斑直徑以及脈沖寬度；

步驟二，通過光路變換器將圓形激光束轉換為中空激光束，所述中空激光束與主水管同軸并且不與主水管發生干涉，中空激光束的內徑與噴頭外徑相等；

步驟三，關閉激光器，將工件表面涂上吸收層后安裝在五軸工作臺的夾具上，然后通過五軸工作臺移動工件，使其待加工區域與噴頭底面的距離為????????????????????????????????????????????????，?L是噴頭上部底面半徑比下部底面半徑大出來的量；

步驟四，打開水箱開關，通過水流控制器調節水流壓力，使工件待加工區域表面形成穩定、厚度為1-2?mm且均勻分布的水約束層，然后再設定噴水周期，保證噴水動作與激光沖擊動作的同步性；

步驟五，打開激光器開始對工件表面進行激光沖擊強化，通過五軸工作臺控制工件的移動和轉動完成對整個工件表面的強化。