[發(fā)明專利]一種激光沖擊強(qiáng)化金屬管內(nèi)外壁的裝置與方法

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• 申請日: 2020-04-23
• 公開（公告）號: CN111485094A
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姚紅兵;唐旺
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00;C22F3/00
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• 代理人: 暫無信息

1.一種激光沖擊強(qiáng)化金屬管內(nèi)外壁的裝置，其特征在于，包括控制系統(tǒng)(1)、高功率激光器(2)、導(dǎo)光臂(3)、卡盤(13)、旋轉(zhuǎn)臺(14)、轉(zhuǎn)接件(15)、二維移動平臺、水箱(18)、水泵(17)、水管(4)以及噴嘴(5)；

所述卡盤(13)用于固定待沖擊金屬管，所述卡盤(13)固定在旋轉(zhuǎn)臺(14)上；所述旋轉(zhuǎn)臺(14)通過所述轉(zhuǎn)接件(15)固定在二維移動平臺上；所述轉(zhuǎn)接件(15)左側(cè)面與旋轉(zhuǎn)臺(14)底面固定，所述轉(zhuǎn)接件(15)底面與二維移動平臺上表面固定；所述二維移動平臺可調(diào)節(jié)面與旋轉(zhuǎn)臺(14)的旋轉(zhuǎn)面成90度角；所述高功率激光器(2)、旋轉(zhuǎn)臺(14)、二維移動平臺、水泵(17)均與控制系統(tǒng)(1)相連接由其控制，高功率激光器(2)發(fā)射的激光經(jīng)導(dǎo)光臂(3)之后打到金屬管(12)管壁上，水泵(17)將水箱(18)內(nèi)的水泵出至水管(4)內(nèi)，之后由噴嘴(5)將水噴至金屬管管壁上的激光光斑區(qū)域。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊強(qiáng)化金屬管內(nèi)外壁的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)光臂(3)內(nèi)沿激光方向依次在第一拐角處設(shè)置第一反射鏡(16)，第二拐角處設(shè)置第二反射鏡(8)，第三拐角處設(shè)置第三反射鏡(11)，并且在第二反射鏡(8)和第三反射鏡(11)之間設(shè)置由凹透鏡(9)和凸透鏡(10)組成的激光擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，在導(dǎo)光臂(3)的出口處設(shè)置聚焦透鏡(6)和保護(hù)鏡(7)；

高功率激光器發(fā)射的激光脈沖依次通過導(dǎo)光臂內(nèi)的第一反射鏡(16)、第二反射鏡()8、凹透鏡(9)、凸透鏡(10)、第三反射鏡(11)、聚焦透鏡(6)、保護(hù)鏡(7)后作用于金屬管壁。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光沖擊強(qiáng)化金屬管內(nèi)外壁的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)光臂(3)的高低長短可調(diào)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光沖擊強(qiáng)化金屬管內(nèi)外壁的裝置，其特征在于，所述第一反射鏡(16)、第二反射鏡(8)、第三反射鏡(11)為全反射鏡；所述保護(hù)鏡(7)為K9玻璃；所述第一反射鏡(16)、第二反射鏡(8)、第三反射鏡(11)鍍有1060nm增反膜，所述凹透鏡(9)、凸透鏡(10)、聚焦透鏡(6)、保護(hù)鏡(7)鍍有1060nm增透膜。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊強(qiáng)化金屬管內(nèi)外壁的裝置，其特征在于，所述卡盤(13)與旋轉(zhuǎn)臺(14)之間做防水密封處理。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊強(qiáng)化金屬管內(nèi)外壁的裝置，其特征在于，噴嘴(5)與水泵(17)相連且安裝在導(dǎo)光臂(3)下方、保護(hù)鏡(7)左側(cè)，所述噴嘴(5)能夠控制進(jìn)出水量與出水方向；所述水箱(18)位于工件與卡盤下方。

7.一種激光沖擊強(qiáng)化金屬管內(nèi)外壁的方法，其特征在于，進(jìn)行內(nèi)徑為D₁金屬管內(nèi)壁激光沖擊強(qiáng)化時，包括如下步驟：

S1，首先用酒精對金屬管壁進(jìn)行清洗，隨后在金屬管內(nèi)壁均勻覆蓋一層黑膠帶，用卡盤正爪固定金屬管外表面；打開高功率激光器內(nèi)置指示紅光并調(diào)整導(dǎo)光臂與二維移動平臺，使指示紅光光斑位于金屬管壁下邊緣且與管口相切且光斑大小為4mm；

S2，啟動水泵調(diào)整噴嘴出水口的水量與方向，使得在激光光斑區(qū)域形成厚度約為1.5mm厚度的均勻水流；

S3，設(shè)置高功率激光器參數(shù)為：波長1064nm，脈寬10-60ns可調(diào)，重復(fù)頻率0.1-5Hz可調(diào)，單脈沖能量0-20J可調(diào)，光斑直徑為4mm；

設(shè)置旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為設(shè)置二維移動平臺X軸每隔移動2mm，控制激光光斑的橫向搭接率與縱向搭接率均為50％。

S4，激光發(fā)出第一個激光脈沖后，控制旋轉(zhuǎn)臺開始以設(shè)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，隨后每1秒發(fā)出一個激光脈沖作用于金屬管內(nèi)壁，旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)完一圈即后，控制激光器停止出光，旋轉(zhuǎn)臺停止轉(zhuǎn)動，二維移動平臺X軸向左移動2mm；

S5，重復(fù)上述步驟S4，直至完成金屬管內(nèi)壁的沖擊強(qiáng)化。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種激光沖擊強(qiáng)化金屬管內(nèi)外壁的方法，其特征在于，對外徑為D₂的金屬管外壁進(jìn)行沖擊強(qiáng)化時：將所述步驟S1的卡盤正爪固定金屬管外表面改為卡盤反爪固定金屬管壁內(nèi)表面，將所述步驟S3的旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速設(shè)置為將二維移動平臺X軸設(shè)置為每隔移動2mm，其余參數(shù)及操作步驟均與權(quán)利要求7記載的進(jìn)行內(nèi)徑為D₁金屬管內(nèi)壁激光沖擊強(qiáng)化的參數(shù)和步驟相同。