CN100409994C - 基于激光冲击技术的水约束层增压的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光冲击技术的新型水约束层增压的方法和装置，包括净水装置、水流控制箱、可调水龙头，水龙头随行控制器、水回收装置、调压旋钮和微机控制器。本发明装置将水净化后经过水流控制箱通过微机控制器控制可调水龙头实现水流的速度和流量等参数的可控性，保证冲击过程中水约束层不出现水流的紊流性，使得水流过试件表面保证水约束层厚度均匀，并能适当调节水约束层厚度，提高水约束层的增压效果。出水计量计和水龙头控制机构配合微机控制器能实时纠正水流参数，水回收装置将水及时回收净化再利用，简化了水约束系统，减少成本，增加了实际应用性，有利于将来激光冲击处理工厂化、实用化。

Description

基于激光冲击技术的水约束层增压的方法和装置

技术领域

本发明涉及机械制造与激光冲击技术领域，特指一种用于激光冲击强化与成形中的新型水约束层增压的装置和方法。

背景技术

激光冲击处理技术(LSP)是一种具有非常好前景的加工手段，其原理是高功率(Gpa级)短脉冲(ns级)激光诱导的冲击波与材料相互作用。该技术主要用于材料改性、冲击成型、以及无损检测等方面，目前这一技术已在机械制造工程、航空航天、微电子、军事等各行各业中得到了广泛应用。

激光冲击处理技术中的约束层是指覆盖在受冲击材料表面的一层对激光透明(对激光波长有良好的穿透性)物质，其对激光诱导的冲击波起到了约束作用，从而有效加大了冲击波对受冲击材料的作用时间和作用力。约束层技术对激光冲击处理具有增效作用，是产生较明显激光冲击波效应的重要手段，是激光冲击波得以工程应用的关键和前提条件，所以良好的约束层质量是激光冲击技术中最为关键的技术之一。

目前可查阅的国内外文献、专利中的约束层一般为水、水玻璃、玻璃以及柔性贴膜等。如美国专利US5741559“Laser peening process and apparatus”就是采用流水为约束层；此外还有使用柔性贴膜作为约束层的，如我国专利CN1404954“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”。几种约束层物质均存在明显缺陷，玻璃的增压效应显著，但由于装夹不方便、且大面积冲击以及多次多点冲击时需重复和反复装夹，而且不能用于曲面激光冲击，操作烦琐，清理复杂，故实用性很差；柔性贴膜虽然能解决前者的一些缺陷，但由于约束层为柔性，增效不如刚性的约束层明显，且柔性贴膜的选材、制作要求较高，因此成本也相对较高；而用水作约束层时，柔性较好，能实现大面积冲击以及多次多点冲击，但水作为约束层其增压效果国内外实验报道一直不理想，且现有实验装置中水流的紊流性使得水流过试件表面水约束层厚度的均匀性不能准确控制，容易产生流水的击穿效应影响激光冲击效果。如美国专利US5741559“Laser peening process andapparatus”中指出水约束层的厚度大约为0.01～20mm，但是该专利的水约束层厚度不能精确控制，只能大约估计。激光冲击中水约束层的其他参数控制(包括水流速度、水流压力、水流宽度和面积)在国内外可查阅的资料中也没有见到报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于激光冲击强化与激光冲击成形中水约束层增加冲击效果的新型的方法及装置，能保证工件表面激光加工区域的水帘约束层厚度的均匀性和可控性，进一步可以将激光冲击运用于不规则的试件表面，实现工厂化生产。

一种基于激光冲击技术的新型水约束层增压的方法：水通过进水管进入控制水箱中，经过可调水龙头覆盖工件表面的待加工区域，加工工程中工件表面略低于水流平面，激光器激发出激光透过水约束层冲击工件表面，开始冲击成形，在成形过程中，通过微机控制器调节调压旋钮控制出水的流量和速度，以保证在冲击过程中不出现水流的紊流；通过微机控制器调节可调水龙头控制水约束层水流的宽度和厚度，水流宽度要保证覆盖工件表面的待加工区域，水约束层的厚度则根据具体工件的材质和厚度调节，并保证水流过工件表面水约束层厚度的均匀性，提高水约束层的增压性能；通过微机控制器控制水龙头随行控制器跟随激光光斑同步前进，保证水约束层覆盖在工件的待加工区域，并能根据待加工表面的不规则程度实时调整可调水龙头的出水方向，可调水龙头的出水方向能实现360度旋转，保证水流平面与激光传输方向垂直；水流过工件表面以后落入水回收装置，通过回水管流入净水装置，完成工件成形的一次循环。

一种基于激光冲击技术的新型水约束层增压装置，其由一个用于控制水流量的控制水箱、水龙头随行控制器、一个净水装置、一个水回收装置、一个微机控制器；控制水箱是由调压旋钮、进水管、可调水龙头组成，净水装置通过进水管与控制水箱相连，水回收装置位于控制水箱下方，其上端略低于控制水箱的可调水龙头，水回收装置通过回水管与净水装置相连，微机控制器分别控制调压旋钮、可调水龙头、水龙头随行控制器，净水装置。

水约束层的装置的调节参数为：水流的速度为5～10cm/s，水流压力为0.1～0.5kg/cm²，水流的宽度10～30mm，大于激光光斑直径，水流在工件表面大约厚1～5mm。

本发明提高了水约束层在激光冲击处理中的增压效果，激光冲击过程中，通过微机控制器自动控制流水约束层水流的速度和流量以及水覆盖在工件表面的方向，获得实验需要的约束层的厚度、约束层的面积，实现板料大面积多点和多次连续自动冲击，并由于柔性好可用于曲面激光冲击加工。

本发明的优点如下：

(1)本方法采用调压旋钮调节可调水龙头出水能保证水作为约束层在激光冲击表面的均匀性，减少了水约束层在冲击时的飞溅现象；

(2)本方法的可调水龙头能调整水约束层的厚度，这样能根据工件材质的不同以及变形所需能量的不同，调整最佳的水约束层的厚度；

(3)本方法的水龙头随行控制器能实时跟踪激光光斑调整，能够适用于大面积板料加工和曲面加工，对于激光冲击处理有一定的实用价值；

(4)本方法采用水回收净化，实际激光加工时的连续冲击时，无需额外的供水系统，这样水约束系统简单，减少成本，增加了实际应用性。有利于将来小型实时激光冲击系统的应用。

附图说明

图1：本发明的结构示意图

图2：激光冲击曲面的局部图

1.可调水龙头  2.调压旋钮  3.控制水箱  4.进水管  5.净水装置  6.微机控制器7.回水管  8.水回收装置  9.工件  10.水约束层  11.激光束  12.水龙头随行控制器  13.水流  14.激光束  15.飞机叶片

具体实施方式

实施例1

大面积多点多次冲击合金金属表面时，首先通过微机控制器(6)设定激光光斑路径，根据微机控制器(6)设定的路线图，水龙头随行控制器(12)能实时控制可调水龙头(1)跟随激光光斑(11)调整，水帘随着激光光斑的移动而不停移动，微机控制器(6)控制水龙头合理调节水约束层的装置的调节参数为：水流的速度为8cm/s，水流压力0.3kg/cm²，水流的宽度20mm，水流在工件表面大约厚5mm，从而达到理想的约束层参数。在激光冲击过程中，净水装置(5)净化流进控制水箱(3)的水，从而减少流经工件表面的水中的杂质，提高水约束层(10)的质量，提高激光冲击效果，水回收装置(8)回收冲击实验后的剩水，并通过回水管回流至净水装置(5)重新净化利用，这样减少了实验间隙中的清理工作台等工作，减少了单件工件加工时间单点单次分别冲击，无需停机装夹和清扫，最终实现大区域成形或强化。

实施例2：

在激光冲击曲面飞机叶片中，国外已将水约束层用于飞机(F119)的整体回转轮的叶片激光冲击中，但这种叶片由于是曲面，水直接冲在叶片上不能保证约束层厚度的均匀性，而且不能保证水平面方向与激光光束相垂直。本发明中微机控制器(6)实时控制可调水龙头(1)使得飞机叶片曲面法线垂直面的水约束层(13)厚度均匀，并且水龙头随行控制器(12)能随着激光光斑(14)的移动随行移动，这样能保证激光垂直冲击在工件的表面，使得激光冲击效果良好。

Claims (3)

1. 一种基于激光冲击技术的水约束层增压的方法，其特征在于：水通过进水管(4)进入控制水箱(3)中，经过可调水龙头(1)覆盖工件(9)表面的待加工区域，激光器激发出激光透过水约束层冲击工件(9)表面，在冲击强化处理过程中，通过微机控制器(6)控制水龙头随行控制器(12)跟随激光光斑同步前进，调整可调水龙头的出水方向，使得水流平面时刻与激光传输方向垂直；水的流量和速度通过调压旋钮及可调水龙头(1)控制，水流过工件(9)表面以后落入水回收装置(8)，通过回水管(7)流入净水装置(5)，完成工件成形的一次循环。

2. 根据权利要求1所述的一种基于激光冲击技术的  水约束层增压的方法，其特征在于：水龙头随行控制器(12)采用微机控制器来实现激光束的方向检测并调整水约束层的流向，避免水流的紊流性使得水流过试件表面水约束层厚度的均匀性不能准确控制，避免流水的击穿效应。

3. 一种基于激光冲击技术的水约束层的增压装置，其特征在于：由一个用于控制水流量的控制水箱(3)、水龙头随行控制器(12)、一个净水装置(5)、一个水回收装置(8)、一个微机控制器(6)组成；控制水箱是由调压旋钮(2)、进水管(4)、可调水龙头(1)组成，净水装置(5)通过进水管(4)与控制水箱(3)相连，水回收装置(8)位于控制水箱(3)下方，其上端略低于控制水箱(3)的可调水龙头(1)，水回收装置(8)通过回水管(7)与净水装置(5)相连，微机控制器(6)分别控制调压旋钮(2)、可调水龙头(1)、水龙头随行控制器(12)，净水装置(5)。

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