CN101705341A - 一种基于激光束阵的冲击强化方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于激光束阵的冲击强化方法和装置，涉及特种加工与制造领域中的激光冲击强化技术，特指采用流水线的方式独立出吸收层和约束层的覆盖和检测过程，激光器以其重复频率同时发射出指定数量的、特定排列的、且每束单元激光束参数、方向可相同或不同的激光束阵，对平面和曲面工件进行激光冲击强化的方法和装置。该装置包含激光器模块、检测模块、加工模块、处理和控制模块和通讯线路。本发明实现了单次冲击就形成大面积的残余压应力区域，减少了吸收层的喷涂次数，并通过优化激光束阵，实现单次冲击后可清除全部的吸收层，在加工曲面工件时降低了操作复杂度，在整体上提高了激光冲击强化的加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及特种加工与制造领域中的激光冲击强化技术，特指激光器以其重复频率同时发射出指定数量的、特定排列的、且每束单元激光束参数、方向可相同或不同的激光束阵，对平面和曲面工件进行激光冲击强化的方法和装置。
背景技术
激光冲击强化技术，又称激光冲击喷丸，是使用高能脉冲激光束作用于工件表面形成冲击波，冲击处理加工区域，并使之具有残余压应力的加工技术。这种方法在下面文献中有所描述：专利号：02138338.3，名称：“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”；专利号：200510037970.X，名称：“快速制备树脂材料约束层的方法及其装置”；专利号：200510037965.9，名称：“一种激光冲击复合约束层”；专利号：200610161633.6，名称：“激光冲击成形强化方法”；专利号：200610041568.3，名称：“一种利用激光连续冲击强化的方法和装置”；专利号：200610097397.6，名称：“基于激光冲击强化提高镁合金耐腐蚀性的方法”。
现行的激光冲击强化技术都有以下共同点：
1)为了在工件指定地点处形成具有残余压应力的区域，是通过单束激光或单对同轴激光束与工件之间的相对移动来完成的(国内典型的有专利号：200610161633.6，名称：“激光冲击成形强化方法”；国外典型的有通用电气公司申请的专利号US 6,559,415，名称：“Single sided laser shock peening”，专利号US 6,479,790，名称：“Dual laser shock peening”)。
2)现行典型的吸收层和约束层操作方法在LSP公司的专利(专利号：US20030038123，名称：“OVERLAY CONTROL FOR LASER PEENING”)有所描述，其特点是在吸收层、约束层的覆盖及检测与激光冲击强化都在同一地点上进行。
上述加工方式有如下弊端：
(1)由于单束激光或单对同轴激光束形成的单个或单对具有残余压应力区域的面积与工件表面所需加工区域的面积通常相差十分巨大，通过单束激光或单对同轴激光束与工件相对移动的方式来来覆盖整个工件加工区域是十分耗时的。
(2)由于单束激光或单对同轴激光束和工件之间进行了多次的移动，而每次移动的距离客观上都是不均等的，这样会影响到工件表面上的残余压应力的分布。当工件所需形成的残余压应力具有梯度性质时(如某型号飞机的涡轮燃气发动机叶片)，在相同加工参数条件下，这种方法固有的位移误差加大了区域内残余压应力的不均匀度。
(3)使用黑漆作为吸收层，水作为约束层时，在每次加工前都要确保加工表面上单个或单对冲击点处的吸收层和约束层的一致性，还需确保上一次单束激光或单对同轴激光束对工件加工后，在下一个加工点处没有残留的黑漆，并且在上一次加工结束的瞬间，水层会发生破裂，需等水层满足加工要求后才能进行下一次加工，此时激光器发射频率低于重复频率.整个加工过程中，在水层发生了相当多次数的破裂情况下，又进一步降低了激光冲击强化工件的生产效率.
发明内容
本发明的目的在于，克服现有激光冲击强化技术在强化大面积区域时效率低下的问题，在加工曲面等三维区域时降低了操作的复杂性，并通过将吸收层、约束层的覆盖和检测过程独立出来，实现激光器以其重复频率发射激光束阵对工件进行加工。
本发明的目的由以下工位实现：
工位1：工作台装夹工件。
工位2：吸收层覆盖装置在工件表面上覆盖吸收层。
工位3：吸收层检测装置对吸收层进行检测。
工位4A：在吸收层厚度一致时，约束层覆盖装置在吸收层上覆盖约束层。
工位4B：在吸收层厚度不一致时，约束层去除装置除去工件表面上的吸收层，并将工件返工。
工位5：约束层检测装置对约束层进行检测。
工位6A：在约束层厚度一致时，激光器发射出激光束阵对工件进行强化后，吸收层得以全部清除，同时实时监测装置对冲击过程进行监测。
工位6B：在约束层厚度不一致时，对约束层进行调整，后返回工位5。
工位7A：在实时监测装置反应的冲击质量符合要求时，离线检测装置对工件进行检测，当离线检测装置检测合格后，加工过程结束；当离线检测装置检测不合格时，对其结果进行分析，并将工件分为返工和报废两种。
工位7B：在实时监测装置反应的冲击质量不符合要求时，对其结果进行分析，并将工件分为返工和报废两种。
本发明的装置包含激光器模块、检测模块、加工模块、处理和控制模块和通讯线路组成，其中：
(1)激光器模块用来同时发射具有指定数量的、特定排列的、且每束单元激光束参数、方向可相同或不同的激光束阵。它包含激光器A和激光器B，其中：
激光器A由激光器控制模块控制单元激光器的激光束参数、发射时间，由机构模块控制单元激光器的数量、排列方式和发射方向。它适用于加工曲面。
激光器B由激光器控制模块控制主激光器的激光束参数，经前置放大器进行放大后形成主激光束，主激光束通过分光光学元件组形成指定数量的、特定排列的、方向相同的分激光束，分激光束经过后置放大器阵、透镜阵形成激光束阵。由于在加工曲面时，通过分光光学元件组很难控制分激光束处处垂直于曲面，激光器B只适用加工平面。
(2)检测模块包含吸收层覆盖装置、吸收层检测装置、吸收层去除装置、约束层覆盖装置、约束层检测装置、实时监测装置、离线检测装置组成。
(3)加工模块包含工件(包含吸收层和约束层)和夹持工件的流水线工作台。
(4)处理和控制模块用来控制激光器模块、检测模块和加工模块进行冲击强化加工。
本发明有以下优点：
第一，同时发射的激光束阵在加工区域上单次就形成了大面积的、具有深度残余压应力的区域，通过独立出吸收层、约束层的覆盖和检测过程，实现了激光器以其重复频率发射，这种方法明显降低了加工的次数，节省了强化指定大小面积区域所需的时间，大大提高了激光冲击强化加工的生产效率.
第二，由于能同时发射激光束阵，当所需形成的残余压应力是均等的情况下，通过改变激光束阵中激光束的数量和排列方式，该技术能产生更均等的残余压应力区域；当加工使用吸收层和约束层，且水为约束层、黑漆为吸收层的情况下，该技术大大减少了整个加工过程中喷涂黑漆的次数，并降低了等待水层条件正常化所耗的总停机时间，且通过对单元激光束数量和排列方式的优化，在单次激光束阵冲击后可清除整个黑漆吸收层。
第三，由于采用了每束单元激光束参数、方向可变的激光束阵技术，当所需形成的残余压应力具有梯度性质时，通过对激光束阵中单元激光束数量和排列方式的优化，并改变单元激光束参数和方向，相比于常规加工方式其降低了操作的复杂度，且形成的残余压应力梯度性质更为优良；当加工表面是三维曲面时，通过调整激光束阵内单元激光束的发射方向，使之垂直于曲面，大大减少了激光器模块于工件的移动次数，更重要的是降低了控制工件于激光束位置及形成加工轨迹的复杂度，该技术能形成更为理想的残余压应力分布。
附图说明
图1是基于激光束阵的冲击强化装置示意图。
10-激光器模块 11-激光束阵 12-单元激光束 13-光斑
30-处理和控制模块
50-检测模块
70-加工模块 71-加工区域 72-中心线
91、92、93、94、95、96-通讯线路
图2是激光器A的示意图。
11-激光束阵12-单元激光束14-激光器控制模块15-机构模块16-单元激光器91、92-通讯线路97-内部通讯线路
图3是激光器B的示意图。
11-激光束阵12-单元激光束17-激光器控制模块18-主激光器19-前置放大器20-主激光束21-分光光学元件组22-分激光束23-后置放大器阵24-透镜阵91、92-讯线路98-内部通讯线路
图4是一种简单的分光光学元件组的内部示意图。
11-激光束阵12-单元激光束20-主激光束21-分光光学元件组22-分激光束23-后置放大器阵24-透镜阵25-分光镜24-反射镜
图5是以黑漆为吸收层，水为约束层的激光束阵冲击强化方法流程图。
检测A-吸收层检测装置检测黑漆的厚度检测B-约束层检测装置检测水层的厚度
图6是以展开的方式示意出图1所示的激光束阵冲击强化装置。
10-激光器模块11-光束阵51-吸收层覆盖装置52-吸收层检测装置53-吸收层去除装置54-约束层覆盖装置55-约束层检测装置56-实时监测装置57-离线检测装置73-未加工工件74-返工工件75-工作台76-工件77-吸收层(黑漆)78-约束层(水层)79-报废工件80-加工过的工件
图7是加工区域为平面和曲面的工件示意图。
71-加工区域72-中心线76A-曲面工件76B-平面工件
图8是加工区域上的光斑覆盖示意图。
13-光斑
71-加工区域
a1-光斑与加工区域的纵向间距a2-光斑与加工区域的横向间距d1-两列纵向光斑间距d2-两列横向光斑间距
图9是将图8所示光斑覆盖分成A、B、C、D四个步骤。
11A、11B-激光束阵13-光斑
71-加工区域
a1、a3-光斑与加工区域的纵向间距(a3＝a1+D D为光斑直径)a2、a4-光斑与加工区域的横向间距(a4＝a2+D D为光斑直径)d3-两列纵向光斑间距(d3＝2d1)d4-两列横向光斑间距(d4＝2d2)
具体实施方式
一种基于激光束阵的冲击强化装置如图1所示，包含激光器模块10、处理和控制模块30、检测模块50、加工模块70、通讯线路91、92、93、94、95、96。处理和控制模块30按照图5所示流程图控制其余模块。
激光器模块10包含激光器A和激光器B：
激光器A(如图2所示)。激光器控制模块14通过内部通讯线路97控制单元激光器16的激光束参数、发射时间，通过内部通讯线路97控制机构模块15用，来控制单元激光器16的数量、排列方式和发射方向。
在加工如图7所示曲面工件76A时，机构模块15弯曲成平行于曲面的形状，使单元激光器16的发射方向处处垂直于曲面，通过改变单元激光器16的数量、排列方式，形成图8所示的数量为32、规则排列成矩形激光束阵11A和数量为24、规则排列成矩形的激光阵11B。当曲面工件76A所需形成具有梯度性质的残余压应力时，如要求残余压应力从左到右逐渐增加时，只需从左到右依次增加单元激光器16的功率密度。
激光器B(如图3所示)。激光器控制模块17通过内部通讯线路98控制主激光器18的激光束参数，经前置放大器19进行放大后形成主激光束20，主激光束20通过分光光学元件组21形成指定数量的、特定排列的、方向相同的分激光束22，分激光束22经过后置放大器阵23、透镜阵24形成激光束阵11。一种简单的分光光学元件组21如图4所示，通过分光镜25和反射镜26将主激光束20分成数量为4的、一字型排列、方向相同的激光束阵11，由于在加工曲面时很难控制每束单元激光束12都垂直与曲面，因而激光器B只适合与平面工件的加工。
在加工如图7所示平面工件76B时，通过调整分光光学元件组21形成图8所示的数量为32、规则排列成矩形激光束阵11A和数量为24、规则排列成矩形的激光阵11B。当平面工件76B所需形成具有梯度性质的残余压应力时，如要求残余压应力从左到右逐渐增加时，只需从左到右选用放大系数依次增大的后置放大器阵23。
实施例：以黑漆77为吸收层，水78为约束层，在曲面工件76A和平面工件76B的加工区域71上完成图8所示光斑覆盖。
将图8所示光斑覆盖分成图9所示A、B、C、D四个步骤，其中A、B步骤使用激光阵11A，其数量为32、规则排列成矩形；C、D步骤使用激光阵11B，其数量为24、规则排列成矩形。
步骤A包含一下工位(如图6所示)：
工位1：工作台75装夹工件76。
工位2：吸收层覆盖装置51在工件76表面上覆盖黑漆77。
工位3：吸收层检测装置52对黑漆77进行检测。
工位4A：在黑漆77厚度一致时，约束层覆盖装置54在黑漆77上覆盖水层78。
工位4B：在黑漆77厚度不一致时，约束层去除装置53除去工件表面上的黑漆77，并将工件返工。
工位5：约束层检测装置55对水层78进行检测。
工位6A：在水层78厚度一致时，当加工曲面工件76A时，激光器模块10选择激光器A；当加工平面工件76B时，激光器模块10选择激光器B。接着如图9A所示调整激光束阵11A与加工区域71之间的位置，对工件进行强化，同时实时监测装置56对冲击过程进行监测。
工位6B：在水层78厚度不一致时，对水层78进行调整，后返回工位5。
工位7A：在实时监测装置56反应的冲击质量符合要求时，离线检测装置57对工件76进行检测，当离线检测装置57检测合格后，加工过程结束；当离线检测装置57检测不合格时，对其结果进行分析，并将工件76分为返工74和报废79两种。
工位7B：在实时监测装置56反应的冲击质量不符合要求时，对其结果进行分析，并将工件76分为返工74和报废79两种。
在步骤B中，只需调整工位6A中激光束阵11A与加工区域71的相对位置(如图8B所示)，其余工位相同。
在步骤C、D中，只需调整工位6A中激光器模块10发射出激光束阵11B，并调整激光束阵11B与加工区域72之间的位置(如图8C和图8D所示)，其余工位相同。
Claims (9)
1.一种基于激光束阵的冲击强化方法，利用激光束的冲击作用强化工件材料，其特征在于采用流水线的方式将吸收层、约束层的覆盖和检测过程独立出来，激光器以其重复频率同时发射指定数量的、特定排列的、且每束单元激光束参数、方向可相同或不同的激光束阵，对工件进行激光冲击强化。
2.根据权利要求1中所述的一种基于激光束阵的冲击强化方法，其特征在于加工流程由以下工位组成：
工位(1)：工作台(75)装夹工件(76)；
工位(2)：吸收层覆盖装置(51)在工件(76)表面上覆盖吸收层(77)；
工位(3)：吸收层检测装置(52)对吸收层(77)进行检测；
工位(4A)：在吸收层(77)厚度一致时，约束层覆盖装置(54)在吸收层(77)上覆盖约束层(78)；
工位(4B)：在吸收层(77)厚度不一致时，约束层去除装置(53)除去工件(76)表面上的吸收层(77)，并将工件(76)返工；
工位(5)：约束层检测装置(55)对约束层(78)进行检测；
工位(6A)：在约束层(78)厚度一致时，激光器模块(10)发射出激光束阵(11)对工件(76)进行冲击强化，同时实时监测装置(56)对冲击过程进行监测；
工位(6B)：在约束层(78)厚度不一致时，对约束层(78)进行调整，后返回工位(5)；
工位(7A)：在实时监测装置(56)反应的冲击质量符合要求时，离线检测装置(57)对工件(76)进行检测，当离线检测装置(57)检测合格后，加工过程结束；当离线检测装置(57)检测不合格时，对其结果进行分析，并将工件(76)分为返工和报废两种；
工位(7B)：在实时监测装置(56)反应的冲击质量不符合要求时，对其结果进行分析，并将工件(76)分为返工和报废两种。
3.根据权利要求2中所述工位(6A)，其特征在于在加工曲面工件(76A)时，采用激光器A；在加工平面工件(76B)时，采用激光器B。
4.根据权利要求2中所述工位(6A)，其特征在于激光器模块(10)发射激光束阵(11)作用于工件(76)后，工件(76)的吸收层(77)全部清除。
5.一种基于激光束阵的冲击强装置，其特征在于由激光器模块(10)、处理和控制模块(30)、检测模块(50)、加工模块(70)和通讯线路(91、92、93、94、95、96)组成。
6.根据权利要求5中所述检测模块(50)，其特征在于由吸收层覆盖装置(51)、吸收层检测装置(52)、吸收层去除装置(53)、约束层覆盖装置(54)、约束层检测装置(55)、实时监测装置(56)、离线检测装置(57)组成。
7.根据权利要求5中所述激光器模块(10)，其特征在于由激光器A和激光器B组成。
8.根据权利要求7中所述激光器A，其特征在于由激光器控制模块(14)通过内部通讯线路(97)控制单元激光器(16)的激光束参数、发射时间，并通过内部通讯线路(97)控制机构模块(15)，来控制单元激光器(16)的数量、排列方式和发射方向，最终形成激光束阵(11)。
9.根据权利要求7中所述激光器B，其特征在于由激光器控制模块(17)通过内部通讯线路(98)控制主激光器(18)的激光束参数，经前置放大器(19)进行放大后形成主激光束(20)，主激光束(20)通过分光光学元件组(21)形成指定数量的、特定排列的、方向相同的分激光束(22)，分激光束(22)经过后置放大器阵(23)、透镜阵(24)形成激光束阵(11).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100512 |