[發(fā)明專利]光水同軸的激光沖擊強化噴頭

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310431659.8
• 申請日: 2013-09-22
• 公開（公告）號: CN103484654A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱穎;黃帥;康慧;曲平
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 趙文穎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光水同軸的激光沖擊強化噴頭，屬于激光沖擊強化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

激光沖擊強化技術(shù)，也稱激光噴丸技術(shù)。是高功率密度(GW/cm²量級)、短脈沖(10～30ns量級)的激光通過透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時，涂層吸收激光能量迅速氣化幾乎同時形成大量稠密的高溫(>10K)、高壓(>1GPa)等離子體。該等離子體繼續(xù)吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強度沖擊波作用于金屬表面。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過材料的動態(tài)屈服強度時，材料發(fā)生塑性變形并在表層產(chǎn)生平行于材料表面的拉應(yīng)力。激光作用結(jié)束后，由于沖擊區(qū)域周圍材料的反作用，其力學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為材料表面獲得較高的殘余壓應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力會降低交變載荷中的拉應(yīng)力水平，使平均應(yīng)力水平下降，從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時殘余壓應(yīng)力的存在，可引起裂紋的閉合效應(yīng)，從而有效降低疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動力，延長疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。

激光沖擊處理加工過程中，激光需要通過作為約束層的水層到達(dá)吸收層，激光能量被吸收層吸收產(chǎn)生高溫高壓等離子體，進(jìn)而產(chǎn)生沖擊波。連續(xù)激光沖擊處理時，約束層的平整性影響激光沖擊處理能否實施或者能否連續(xù)。

現(xiàn)有的水約束層實現(xiàn)方式有兩種：一種是將零件放置在水箱里，進(jìn)行水下加工；另一種是通過外置的一根圓形水管在零件表面形成厚度約為2-3毫米的流動水幕。當(dāng)需要處理的區(qū)域空間狹小或者表面不平整時，上述兩種方法就有很大的局限性，不能很好地形成約束層。第一種方法的缺陷是加工系統(tǒng)不夠靈活，加工范圍受到水箱尺寸的限制，而且每次沖擊后需等待水面平復(fù)，加工效率較低。后一種方法水層厚度不易控制，水幕偏置于激光一側(cè)，而且其落點距激光光束需要一定距離，因此在處理某些形狀的零件時，可能難以達(dá)到激光束和水幕的最佳配合點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決水幕的落點和激光光束不在同一點或不能達(dá)到最佳配合的位置的技術(shù)問題，提出一種光水同軸的激光沖擊強化噴頭。

一種光水同軸的激光沖擊強化噴頭，包括水噴頭、下保護(hù)鏡座、進(jìn)水管、下保護(hù)鏡片和出水口；

下保護(hù)鏡座上端連接調(diào)焦系統(tǒng)，下端設(shè)有下保護(hù)鏡片，水噴頭位于下保護(hù)鏡座下端的外圍，水噴頭與下保護(hù)鏡座連接部分密封，水噴頭能夠沿下保護(hù)鏡座上下移動，水噴頭與下保護(hù)鏡座之間形成腔體，水噴頭設(shè)有進(jìn)水管和出水口，通過進(jìn)水管，水進(jìn)入腔體，通過出水口，水噴出至工件的吸收層。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

（1）本發(fā)明可實現(xiàn)光水同軸，對沖擊強化過程中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行約束，加工更加靈活，適應(yīng)性更強；

（2）本發(fā)明可通過水噴頭的上下移動來調(diào)節(jié)出水口與光束聚集點之間的距離，進(jìn)而實現(xiàn)水柱長度的調(diào)節(jié)來匹配不同的工藝需求；

（3）本發(fā)明可通過調(diào)整水的流態(tài)和焦點位置，利用水柱的全反射約束來整形激光光束。

附圖說明

???圖1是本發(fā)明光水同軸的激光沖擊強化噴頭的剖視圖。

???圖中：

1-工件????2-吸收層??????3-旋轉(zhuǎn)動密封

4-水噴頭??5-下保護(hù)鏡座??6-激光

7-進(jìn)水管??8-下保護(hù)鏡片??9-出水口

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明是一種光水同軸的激光沖擊強化噴頭，如圖1所示，包括水噴頭4、下保護(hù)鏡座5、進(jìn)水管7、下保護(hù)鏡片8和出水口9。

下保護(hù)鏡座5上端連接調(diào)焦系統(tǒng)，下端設(shè)有下保護(hù)鏡片8，水噴頭4位于下保護(hù)鏡座5下端的外圍，水噴頭4與下保護(hù)鏡座5通過螺紋連接，水噴頭4能夠沿下保護(hù)鏡座5上下移動，螺紋部分通過旋轉(zhuǎn)動密封3進(jìn)行密封，水噴頭4與下保護(hù)鏡座5之間形成腔體，水噴頭4設(shè)有進(jìn)水管7和出水口9，通過進(jìn)水管7，水進(jìn)入腔體，通過出水口9噴出至工件1的吸收層2上。

其中，水噴頭4可以實現(xiàn)上下高度的調(diào)節(jié)，下保護(hù)鏡座5的外側(cè)以及水噴頭4的內(nèi)側(cè)具有螺紋，可以旋轉(zhuǎn)水噴頭4進(jìn)而實現(xiàn)其上下高度的調(diào)節(jié)，而且在水噴頭4和下保護(hù)鏡座5嚙合的部位裝有旋轉(zhuǎn)動密封，以防止水泄露。

工作過程：

下保護(hù)鏡座5連接上一級的調(diào)焦系統(tǒng)，調(diào)節(jié)好的激光6經(jīng)過調(diào)焦系統(tǒng)后進(jìn)入下保護(hù)鏡座5，通過下保護(hù)鏡片8沖擊到覆有吸收層2的工件1上。水通過進(jìn)水口7進(jìn)入到噴頭的腔體內(nèi)，再由出水口9噴出至工件1的吸收層2上，其中，激光與水為同軸設(shè)置。