CN101962710B - 一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法，涉及硬脆材料加工的机械制造和激光应用领域。本发明的装置包括激光辅助加热系统、激光喷丸强化系统、工件夹具系统、计算机数控系统、测量反馈系统和保护气体循环系统。本发明方法包括激光辅助加热阶段和激光喷丸强化阶段，先采用高功率连续激光对待强化区域进行辅助加热处理，对于大多数金属材料而言，其塑性性能会随温度的上升而改善；在加热区域温度到达预定加热温度后，然后采用高功率脉冲激光实施激光喷丸强化处理。本发明可以对硬脆材料进行激光喷丸强化，从而拓宽了激光喷丸强化技术的适用范围，同时复合了连续激光和脉冲激光的各自优势，拓宽了激光制造的应用领域和应用前景。

Description

一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法

技术领域

本发明涉及硬脆材料加工的机械制造和激光应用领域，特指一种用于硬脆材料激光喷丸强化的方法及专用装置。

技术背景

为提高机械零件的使用性能和服役寿命，常常需要对加工表面进行后续的强化处理。随着高功率高性能激光器技术的不断成熟，激光喷丸强化技术作为一种新型表面强化方法，利用激光诱导冲击波进行冲击强化处理，已在一些重要零部件的表面改性方面得以应用。美国专利NO.4401477，发明名称为“激光冲击工艺”，介绍了一种用于金属零件表面改性的激光喷丸强化方法。中国发明专利申请号00112122.7，授权公告号CN113131325C，专利名为“钕玻璃激光冲击处理机”。这些常规激光喷丸强化方法及装置，可以满足一般金属零件的表面强化处理；但对一些硬脆材料(如单晶硅、陶瓷、硬质合金及淬火钢)而言，常规激光喷丸强化已经很难满足要求，一方面高硬度材料很难产生冲击塑性变形；另一方面高脆性材料在激光冲击波作用下会产生微观脆性裂纹和冲击层裂。

利用辅助加热手段可以有效改善硬脆材料的力学性能，随着温度的上升，脆性材料的屈服应力会明显下降，从而可以有效避免脆性裂纹和冲击层裂现象的产生。因此，我们可以将辅助加热手段引入激光喷丸强化领域，并以此来解决硬脆材料激光喷丸时的难强化和效果差等缺陷。经对国内外现有文献的检索结果发现，目前国内外还没有与本发明方法类似的研究报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对激光喷丸强化硬脆材料所存在的一些不足，提供了一种通过激光辅助加热手段来对硬脆材料实施激光喷丸强化的方法及装置。

本发明方法包括激光辅助加热阶段和激光喷丸强化阶段。先采用高功率连续激光对待强化区域进行辅助加热处理，对于大多数金属材料而言，其塑性性能会随温度的上升而改善；在加热区域温度到达预定加热温度后，然后采用高功率脉冲激光实施激光喷丸强化处理。

本发明的方法，要求加工试样需进行预处理。为了防止残留油垢对强化效果的影响，采用加热法或清洗法进行去油处理；工件表面涂覆上能量吸收层，并在其外固定上透明约束层。能量吸收层优先选择石墨涂层，其熔点高达3850℃，而且石墨对激光的吸收率高达77.3％；透明约束层优先选择耐高温强化玻璃，可以抵抗350℃的高温，其约束效果是普通玻璃的4～5倍。

本发明方法，要求在对工件进行加热处理之前，需先开启保护气体循环系统。按顺序依次打开排风扇、排气回路流量阀、氩气瓶开关、进气回路流量阀。保护气体循环系统主要用于保护加工表面，以及排出加工过程中的有害气体和粉尘。

本发明方法，要求在进行激光辅助加热阶段之前，必须根据实际强化区域大小和工作环境，选择好本次强化过程所用的工艺方案。强化方案分为点强化方案、线强化方案和面强化方案三大类。当强化区域较小时，可以选择单点覆盖强化方案；当强化区域呈明显的线状分布时，可以选择线强化方案，要求光斑完全覆盖待强化区域；当强化区域较大时，则需要选择面强化方案，该方案适合工作环境存在明显的接触和腐蚀等外部条件。

所述激光辅助加热阶段，就是采用高功率连续激光对待强化区域进行辅助加热处理。本发明方法，要求控制激光输出功率P_H为0～1000W，光斑直径D_H为8～10mm。利用在线温度测量仪实施检测加热区域的加热温度T_H，控制加热温度T_H在20～300℃之间，并将测得的温度信息及时反馈给中央计算机，对加热温度T_H进行精确闭环控制。

所述激光喷丸强化处理阶段，就是采用高功率脉冲激光器对工件进行激光喷丸强化处理。本发明方法，要求控制脉冲激光器输出单脉冲能量E_P为15～35J，光斑直径D_P为4～6mm。吸收层材料吸收激光能量并迅速汽化电离，形成高温高压等离子体，等离子快速膨胀并受到约束层的限制而产生脉冲冲击波，冲击波压缩工件表层材料，并最终在工件表面形成一定深度的有益的残余压应力影响层。

本发明方法，要求脉冲激光束垂直于工件加工面，连续激光与脉冲激光成一定夹角α(一般取α＝10～30°)，连续激光光斑必须覆盖脉冲激光光斑，通常D_H＝1.2～1.5D_P，其中D_H为连续激光光斑直径，D_P为脉冲激光光斑直径。

本发明方法所用的专用装置，主要包括激光辅助加热系统、激光喷丸强化系统、工件夹具系统、计算机数控系统、测量反馈系统和保护气体循环系统。

所述激光辅助加热系统主要包括高功率连续激光器、光纤和连续激光头。所述高功率连续激光器要求激光器工作物质为Nd:YAG晶体，高功率连续激光器的泵浦灯源为双氙灯，激光波长为1.06μm，激光能量均匀分布，功率调节分辨率小于0.1W，输出功率为0～1000W。

所述激光喷丸强化系统包括高功率脉冲激光器、光纤和脉冲激光头。所述高功率脉冲激光器要求激光器工作物质为Nd:YAG晶体，高功率脉冲激光器的泵浦灯源为LD阵列，激光波长为1.06μm，激光脉宽为20ns，稳定工作脉冲能量为40J，重复频率为1HZ，峰值功率为2GW。

所述连续激光头和脉冲激光头固定在同一个激光头支架上。激光头通过轴套连接固定在激光头基座前端的滑动导轨上，滑动导轨另一面固定有从动齿条，并通过齿轮副与主动齿轮相啮合，主动齿轮与调节旋钮相连。

所述激光头基座下方设一个止动机构，止动机构包括止动齿条、圆柱导杆、复位弹簧和调节开关，止动齿条与从动齿轮啮合，复位弹簧施加的预紧力使从动齿条卡死，旋动圆柱导杆末端的调节开关使止动齿条向左运动，关闭止动状态。

所述激光头基座后端是连接轴，通过孔轴连接固定在激光头支架上，连接轴末端有螺纹，并设紧定螺母。松开紧定螺母，激光基座可以绕连接轴轴线转动，旋紧紧定螺母后，激光头可以与工件表面保持一定角度；连接轴末端通过螺钉连接有角度标盘，激光头支架上孔上固定有角度标尺，可以显示激光头的转动角度。

所述工件夹具系统包括夹具体、工作台和工件等。工作台由工作台控制器来控制X、Y、Z方向上的移动和沿X、Y方向上的转动；对于复杂的运动轨迹控制，可以由中央计算机通过编程技术实现。

所述数控系统包括中央计算机、连续激光控制器、脉冲激光控制器和工作台控制器。

所述测量反馈系统包采用在线温度检测仪和在线位置检测仪，实时采集工作信号，并反馈给中央计算机，便于进行闭环精确控制。

所述保护气体循环系统，其目的主要是用于保护加工表面，以及排出加工过程中的有害气体和粉尘。所述保护气体循环系统分为进气部分和排气部分组成。进气部分包括氩气瓶、橡胶导管、流量调节阀、压力表和气体喷头；排气部分主要包括排风扇、橡胶导管、流量调节阀和气体吸头。

所述气体喷头前部为一长方体腔体，腔体前端面与腔体上表面成60°夹角，在腔体内距离腔体前端5～10mm；处是稳流片，要求稳流片垂直于腔体上表面，单个稳流片厚度在0.2～1mm之间，稳流片之间距离在1～3mm之间；气体喷头后部是一圆柱管结构，要求圆柱管外表面有1～3°的锥度，以保证其与橡胶软管连接具有良好的密封性。所述稳流片结构目的就是通过增加气体运动的自旋阻力来起到稳流的效果。

所述气体吸头前部为一长方体腔体，腔体前端面与腔体上表面成60°夹角，腔体前端固定有过滤网，通常选用金属或纤维制成的初级过滤网；气体吸头后部是一圆管接口，要求圆管接口外表面有1～3°的锥度，以保证其与橡胶软管连接具有良好的密封性。所述气体过滤网结构目的就是防止加工过程中一些玻璃碎屑和金属碎片进入排气回路，而损伤调节阀(36)和排风扇(20)等装置。

本发明方法及装置的技术优势如下：

(1)可以对硬脆材料进行激光喷丸强化，从而拓宽了激光喷丸强化技术的适用范围；

(2)可以获得更好的表面完整性，具体包括强化区域粗糙度、微观组织、显微硬度；可以明显抑制微观裂纹和冲击层裂现象的产生；

(3)提供了一种多激光系统的复合加工范例，集成了连续激光和脉冲激光的各自优势，拓宽了激光制造的应用领域和应用前景；

(4)采用高功率连续激光进行辅助辐照加热，可以精确控制加热温度和加热位置，避免工件整体加热方式对材料性能的影响，符合绿色制造的理念。

附图说明

图1为本发明方法的工艺流程图

图2为本发明方法的原理示意图

图3为本发明装置的结构示意图

图4为激光头装置的结构图

图5为图4中激光头基座结构的剖视图

图6为图4中A向视图

图7为保护气体循环系统示意图

图8为图7中气体喷头的结构图

图中，1，工作台；2，工件；3，能量吸收层；4，透明约束层；5，夹具体；6，保护气体回路；7，连续激光头；8，脉冲激光头；9，光纤A；10，光纤B；11，高功率连续激光器；12，高功率脉冲激光器；13，连续激光器控制器；14，脉冲激光器控制器；15，在线温度测试仪；16，在线位置检测仪；17，中央计算机；18，氩气瓶；19，工作台控制器；20，排风扇；21，调节旋钮A；23，轴套A；24，光纤接头A；26，轴套B，27，光纤接头B；28，滑动导轨B；29，从动齿条B；30，激光头基座B；31，调节旋钮B；32，支承板；33，从动齿条A；34，滑动导轨B；35，激光头基座A；36，支承架；37，主动齿轮；38，紧定螺母；39，指针盘；40，调节开关；41，圆柱导轨；42，复位弹簧；43，止动齿条；44，角度标尺；45，橡胶软管A；46，流量调节阀A；47，气体吸头；48，过滤网；49，稳流片；50，气体喷头；51，压力表；52，流量调节阀B；53，橡胶软管B；54，圆管接口。

具体实施方式

结合图1～图2来详细说明本发明方法的具体实施过程及工艺特点：

工序一、试样预处理。为了防止工件残留油垢对强化效果的影响，采用加热法或清洗法进行去油处理。加热法为将试样加热至300～450℃，清洗法可以选用碱性溶液或99.7％酒精溶液清洗试样表面。

在工件待强化区域涂覆上能量吸收层(3)，并在其外固定上透明约束层(4)。能量吸收层(3)优先选择石墨涂层，其熔点高达3850℃，而且石墨对激光的吸收率高达77.3％；透明约束层(4)优先选择耐高温强化玻璃，可以抵抗350℃的高温，其约束效果是普通玻璃的4～5倍。

最后，将处理好的试样装夹在工作台(1)上。

工序二、开启保护气体循环系统。按顺序依次开启排风扇(20)、流量控制阀A(46)、氩气瓶(18)、流量控制阀B(52)。保护气体循环系统主要用于保护加工表面，以及排出加工过程中的有害气体和粉尘。

工序三、选择强化方案。根据实际待强化区域大小和工作环境，来选择本次强化过程所用的工艺方案。强化方案分为点强化方案、线强化方案和面强化方案三大类。当强化区域相对脉冲激光光斑直径较小时，可以选择单点覆盖强化方案；当强化区域呈明显的线性分布，且宽度明显小于脉冲激光光斑直径时，可以选择线强化方案，要求光斑覆盖所有待强化区域；当强化区域较大时，应该选择面强化方案，该方案适合工作环境存在明显的接触、腐蚀等外部条件。

工序四、激光辅助加热处理。采用高功率连续激光对待强化区域进行辅助加热处理，要求控制激光输出功率P_H为0～1000W，光斑直径D_H为8～10mm。利用在线温度测量仪(15)实施检测加热区域的加热温度T_H，控制加热温度T_H在20～300℃之间，并将测得的温度信息反馈给中央计算机(17)，对加热温度T_H进行精确闭环控制；

当加热区域温度T_H稳定，并达到预定加热温度200°后，图1中表示为要求I，进入下一道工序；若未满足要求I，则手动调节连续激光器控制器(13)的输出功率P_H或利用中央计算机(17)自动控制，使得加热温度稳定在200℃附近。所述预定加热温度可以根据不同材料不同要求进行设定，本实例中设为200℃。

工序五、激光喷丸强化处理。采用高功率脉冲激光器对工件进行激光喷丸强化处理，要求控制脉冲激光器输出单脉冲能量E_P为15～35J，光斑直径D_P为4～6mm。吸收层材料吸收激光能量并迅速汽化电离，形成高温高压等离子体，等离子快速膨胀并受到约束层的限制而产生脉冲冲击波，冲击波压缩工件表层材料，并最终在工件表面形成一定深度的有益的残余压应力影响层。本发明方法要求脉冲激光束垂直于工件加工面，连续激光与脉冲激光成一定夹角α，一般取α＝10～30°，连续激光光斑必须覆盖脉冲激光光斑，D_H＝1.2～1.5D_P，其中D_H为连续激光光斑直径，D_P为脉冲激光光斑直径。

当强化区域满足工序三所设定的强化方案，图1中表示表示为要求II，进入下一道工序；若不满足要求II，则循环执行工序四～工序五，直到完成所需的强化方案为止。

工序六、后续性能测试。待处理试样冷却后，去除透明约束层(4)和能量吸收层(3)；用99.3％酒精溶液擦拭工件表面；对试样强化区域进行后续性能测试，包括表面形貌、残余应力、显微硬度和微观组织。

当强化区残余压应力水平大于150MPa，冲击凹坑在10μm以内，强化区硬度水平提高15％以上，图1中表示为要求III，则本次强化工序结束；若不满足要求III，则需对工艺参数和强化方案进行适当调整和改进，并重复执行工序一～工序六，直到满足要求III为止。

下面结合图3～图8详细介绍实施本发明方法的专用装置。本发明装置包括激光辅助加热系统、激光喷丸强化系统、工件夹具系统、计算机数控系统、测量反馈系统和保护气体循环系统。

所述激光辅助加热系统，包括高功率连续激光器(11)、光纤A(9)和连续激光头(7)。连续激光器(11)产生的高功率连续激光由光纤A(9)传递到连续激光头(7)，由连续激光头(7)聚焦的光束进照射到工件(2)表面；所述高功率连续激光器要求工作物质为Nd:YAG晶体，高功率连续激光器的泵浦灯源为双氙灯。所述高功率连续激光器的参数要求：激光波长为1.06μm，激光能量均匀分布，发散角小于3mrad，功率调节分辨率小于0.1W，输出功率为0～1000W，功率稳定性小于3％。

所述激光喷丸强化系统，包括高功率脉冲激光器(12)、光纤B(10)和脉冲激光头(8)。脉冲激光器(12)产生高功率脉冲激光由光纤B(10)传递到脉冲激光头(8)，由脉冲激光头(8)聚焦的对光束照射到工件(2)表面。所述高功率脉冲激光器要求工作物质为Nd:YAG晶体，高功率脉冲激光器的泵浦灯源为LD阵列。所述高功率脉冲激光器的参数要求：激光波长为1.06μm，激光脉宽为20ns，稳定工作脉冲能量为40J，重复频率为1HZ，静态光能量小于50mJ，发散角为2mrad，能量稳定性小于3％，峰值功率为2GW。

所述连续激光头(7)和脉冲激光头(8)固定在同一个支承板(32)上。结合图4～6以脉冲激光头为例来详细说明激光头装置的基本结构。脉冲激光头(8)通过轴套A(23)固定在激光头基座A(35)前端的滑动导轨A(34)上，滑动导轨A(34)另一面通过螺钉连接固定有从动齿条A(33)，从动齿条A(33)与主动齿轮(37)相啮合，主动齿轮(37)与调节旋钮A(21)相连。旋动调节旋钮(21)可以带动从动齿条A(33)和脉冲激光头(8)沿激光头轴线方向进行上下移动。

所述激光头基座A(35)下方是一止动机构，止动机构包括止动齿条(43)、圆柱导杆(41)、复位弹簧(42)和调节开关(40)。止动齿条(43)与从动齿轮A(33)相啮合，止动齿条(43)背面卡有一复位弹簧(42)，止动齿条(43)固定在圆柱导杆(41)上，圆柱导杆(41)左端是一调节开关(40)。通过复位弹簧(42)施加的预紧力使得从动齿条A(33)卡死，此时激光头(22)固定不动；当打开圆柱导杆(41)末端的调节开关(40)后，带动止动齿条(42)向左运动，从而关闭止动状态，此时可以旋动调节旋钮A(21)来，使得脉冲激光头(8)沿激光头轴线方向上下移动。

所述激光头基座A(35)后端有连接轴，通过孔轴连接固定在支承板(32)上，连接轴末端有螺纹结构，并设紧定螺母(38)，在连接轴末端面通过螺钉连接固定有角度指针盘(39)。松开紧定螺母(38)，激光基座A(35)可以绕连接轴轴线进行转动，旋紧紧定螺母(38)后，激光头(22)轴线可以与工件表面保持一定角度；头支承板(32)上凸台孔上方固定有角度标尺(44)，可以显示激光头(22)的转动角度。

所述工件夹具系统，包括夹具体(5)、工作台(1)和工件(2)。工作台(1)由工作台控制器(19)控制X、Y、Z方向上的移动和沿X、Y方向上的转动；对于复杂的运动轨迹控制，可以由中央计算机(17)通过计算机编程技术来实现。

所述计算机数控系统，主要包括中央计算机(17)、连续激光控制器(13)、脉冲激光控制器(14)和工作台控制器(19)。连续激光器控制器(13)控制输出连续激光参数，包括输出功率P_H、辐照时间T_H和光斑模式；脉冲激光器控制器(14)控制输出脉冲激光参数，主要有单脉冲能量E_P、脉冲宽度T_P和脉冲次数N等；工作台控制器(19)控制工作台(1)的移动和转动。

所述测量反馈系统，负责在线检测和采集整个强化过程中的工作信息，所述工作信息包括加热区温度、工件位置、连续激光器输出功率和脉冲激光器的脉冲能量，并反馈给中央计算机(17)。测量反馈系统包括连续激光器激光功率计、脉冲激光器激光能量计、在线温度测量装置(15)和在线位置检测装置(16)。激光功率计和激光能量计实时检测激光器工作过程中的连续激光输出功率P_H和脉冲激光器的单脉冲能量E_P及脉冲宽度T_P；在线温度测量装置(15)为红外温度仪，实时接受加工过程中加热区域的红外辐射信号，精确测量加热区域温度，并可以判断光斑中心位置；在线位置检测装置(16)为激光测距仪，实时监控工件的运动状态。

结合附图7来详细说明保护气体循环系统。所述保护气体循环系统分为进气部分和排气部分组成。进气部分包括氩气瓶(18)、橡胶导管B(53)、流量调节阀B(52)、压力表(51)和气体喷头(50)。氩气经由橡胶导管B(53)进行传递，先后到达流量控制阀B(52)、压力表(51)和气体喷头(50)。排气部分主要包括排风扇(20)、橡胶导管A(45)、流量调节阀A(46)和气体吸头(47)。工作气体经由橡胶导管A(45)，先后经过气体吸头(47)、流量控制阀A(46)和排气扇(20)。

所述气体喷头(50)前部为长方体腔体，腔体前端面与腔体上表面成60°夹角，在腔体内距离腔体前端5～10mm处是稳流片(49)，稳流片(49)垂直于腔体上表面，单个稳流片厚度在0.2～1mm之间，稳流片之间距离在1～3mm之间。所述气体喷头(50)后部是一圆管接口(54)。圆管接口(54)外表面有1～3°的锥度，以保证其与橡胶软管连接具有良好的密封性。所述稳流片结构目的就是通过增加气体运动的自旋阻力来起到稳流的效果。

所述气体吸头(47)前部为长方体腔体，腔体前端面与腔体上表面成60°夹角，腔体前端固定有过滤网(48)，气体吸头(47)后部是一圆管接口。本发明装置要求过滤网(48)通常选用金属或纤维制成的初级过滤网，圆管接口外表面有1～3°的锥度，以保证其与橡胶软管连接具有良好的密封性。所述气体过滤网结构(48)目的就是防止加工过程中一些玻璃碎屑和金属碎片进入排气回路，而损伤调节阀(36)和排风扇(20)等装置。

Claims (8)

1.一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置，其特征在于，包括激光辅助加热系统、激光喷丸强化系统、工件夹具系统、计算机数控系统、测量反馈系统和保护气体循环系统；

所述激光辅助加热系统，包括高功率连续激光器(11)、光纤A(9)和连续激光头(7)；所述连续激光器(11)产生的高功率连续激光由光纤A(9)传递到连续激光头(7)，由连续激光头(7)聚焦的光束照射到工件(2)表面；所述高功率连续激光器的工作物质为Nd:YAG晶体，高功率连续激光器的泵浦灯源为双氙灯；

所述激光喷丸强化系统，包括高功率脉冲激光器(12)、光纤B(10)和脉冲激光头(8)；所述脉冲激光器(12)产生的高功率脉冲激光由光纤B(10)传递到脉冲激光头(8)，脉冲激光头(8)聚焦的光束照射到工件(2)表面；所述高功率脉冲激光器的工作物质为Nd:YAG晶体，高功率脉冲激光器的泵浦灯源为LD阵列；

所述连续激光头(7)和脉冲激光头(8)固定在同一个支承板(32)上；所述脉冲激光头(8)通过轴套A(23)固定在激光头基座A(35)前端的滑动导轨A(34)上，滑动导轨A(34)另一面通过螺钉连接固定有从动齿条A(33)，从动齿条A(33)与主动齿轮(37)相啮合，主动齿轮(37)与调节旋钮A(21)相连；旋动调节旋钮(21)带动从动齿条A(33)和脉冲激光头(8)沿激光头轴线方向进行上下移动；

所述激光头基座A(35)下方设一止动机构，所述止动机构包括止动齿条(43)、圆柱导杆(41)、复位弹簧(42)和调节开关(40)；所述止动齿条(43)与从动齿轮A(33)相啮合，止动齿条(43)背面卡设一复位弹簧(42)，止动齿条(43)固定在圆柱导杆(41)上，所述圆柱导杆(41)左端设一调节开关(40)；复位弹簧(42)施加的预紧力使从动齿条A(33)卡死，固定脉冲激光头(8)；

所述激光头基座A(35)后端有连接轴，通过孔轴连接固定在激光头支承板(32)上，所述连接轴末端为螺纹结构，并设紧定螺母(38)，在连接轴末端面通过螺钉连接固定有角度指针盘(39)；松开紧定螺母(38)，激光基座A(35)绕连接轴轴线进行转动，旋紧紧定螺母(38)后，脉冲激光头(8)轴线与工件表面保持一定角度；支承板(32)上凸台孔上方固定有角度标尺(44)，显示脉冲激光头(8)的转动角度；

所述计算机数控系统，包括中央计算机(17)、连续激光控制器(13)、脉冲激光控制器(14)和工作台控制器(19)；所述连续激光器控制器(13)控制输出连续激光参数；所述脉冲激光器控制器(14)控制输出脉冲激光参数；工作台控制器(19)控制工作台(1)的移动和转动；

所述保护气体循环系统包括进气部分和排气部分，所述进气部分包括氩气瓶(18)、橡胶导管B(53)、流量调节阀B(52)、压力表(51)和气体喷头(50)，氩气经由橡胶导管B(53)先后到达流量控制阀B(52)、压力表(51)和气体喷头(50)；所述排气部分包括排风扇(20)、橡胶导管A(45)、流量调节阀A(46)和气体吸头(47)。打开排风扇(20)后，工作气体经由橡胶导管A(45)，先后经过气体吸头(47)、流量控制阀A(46)和排气扇(20)；

所述气体喷头(50)前部为长方体腔体，腔体前端面与腔体上表面成60°夹角，在腔体内距离腔体前端5～10mm处设稳流片(49)，稳流片(49)垂直于腔体上表面，单个稳流片厚度为0.2～1mm，稳流片之间距离为1～3mm，所述气体喷头(50)后部是一圆管接口(54)，圆管接口(54)外表面有1～3°的锥度；

所述气体吸头(47)前部为一长方体腔体，腔体前端面与腔体上表面成60°夹角，腔体前端固定有过滤网(48)，过滤网(48)选用金属或纤维制成的初级过滤网，气体吸头(47)后部是一圆管接口，圆管接口外表面有1～3°的锥度。

2.根据权利要求1所述的一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置，其特征在于，所述工件夹具系统，包括夹具体(5)、工作台(1)和工件(2)；所述工作台控制器(19)控制工作台(1)沿X、Y、Z方向上的移动和沿X、Y方向上的转动；中央计算机(17)通过计算机控制复杂的运动轨迹控制。

3.根据权利要求1所述的一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置，其特征在于，所述测量反馈系统主要包括连续激光器激光功率计、脉冲激光器激光能量计、在线温度测量装置(15)和在线位置检测装置(16)；所述在线温度测量装置(15)为红外温度仪，所述在线位置检测装置(16)为激光测距仪。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置，其特征在于，所述高功率连续激光器的激光参数要求：激光波长为1.06μm，激光能量均匀分布，发散角小于3mrad，功率调节分辨率小于0.1W，输出功率为0～1000W，功率稳定性小于3％。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置，其特征在于，所述高功率脉冲激光器的激光参数要求：激光波长为1.06μm，激光脉宽为20ns，稳定工作脉冲能量为40J，重复频率为1HZ，静态光能量小于50mJ，发散角为2mrad，能量稳定性小于3％，峰值功率为2GW。

6.一种实施权利要求1所述的用于硬脆材料激光喷丸强化的装置的方法，其特征在于，具体步骤如下：

A、试样预处理，采用加热法或清洗法进行去油处理；在工件待强化区域涂覆上能量吸收层(3)，并在其外固定上透明约束层(4)；将处理好的试样装夹在工作台(1)上；

B、开启保护气体循环系统；依次开启排风扇(20)、流量控制阀A(46)、氩气瓶(18)、流量控制阀B(52)；

C、选择强化方案，根据实际待强化区域大小和工作环境，来确定本次强化过程所用的工艺方案；强化方案分为点强化方案、线强化方案和面强化方案三大类；当强化区域相对脉冲激光光斑直径较小时，可以选择单点覆盖强化方案；当强化区域呈明显的线性分布，且宽度明显小于脉冲激光光斑直径时，选择线强化方案，要求光斑覆盖所有待强化区域；当强化区域较大时，选择面强化方案，该方案适合工作环境存在明显的接触、腐蚀的外部条件；

D、激光辅助加热处理；采用高功率连续激光对待强化区域进行辅助加热处理，要求控制激光输出功率P_H为0～1000W，光斑直径D_H为8～10mm。利用在线温度测量仪(15)实施检测加热区域的加热温度T_H，控制加热温度T_H在20～300℃之间，并将测得的温度信息及时反馈给中央计算机(17)，对加热温度T_H进行精确闭环控制；当加热区域温度T_H稳定，并达到预定加热温度，进入下一道工序；若未达到预定加热温度，则人工调节连续激光器控制器(13)的输出功率P_H或利用中央计算机(17)自动控制，使得加热温度稳定在预定加热温度；

E、激光喷丸强化处理，采用高功率脉冲激光器对工件进行激光喷丸强化处理；要求控制脉冲激光器输出单脉冲能量E_P为15～35J，光斑直径D_P为4～6mm；吸收层材料吸收激光能量并迅速汽化电离，形成高温高压等离子体，等离子快速膨胀并受到约束层的限制而产生脉冲冲击波，冲击波压缩工件表层材料，并最终在工件表面形成一定深度的有益的残余压应力影响层；脉冲激光束垂直于工件加工面，连续激光与脉冲激光成一定夹角α，α＝10～30°；连续激光光斑必须覆盖脉冲激光光斑，D_H＝1.2～1.5D_P，其中D_H为连续激光光斑直径，D_P为脉冲激光光斑直径；当强化区域满足步骤C所设定的强化方案，进入下一步骤；若不满足要求，则循环执行步骤D～步骤E，直到完成所需的强化方案为止；

F、后续性能测试；待处理试样冷却后，去除透明约束层(4)和能量吸收层(3)；用99.3％酒精溶液擦拭工件表面；对试样强化区域进行后续性能测试，包括表面形貌、残余应力、显微硬度和微观组织；若不满足要求，则需对工艺参数和强化方案进行适当调整和改进，并重复执行步骤A～步骤F，直到满足要求为止。

7.根据权利要求6所述的一种用于硬脆材料激光喷丸强化的方法，其特征在于，所述能量吸收层(3)选择石墨涂层，其熔点高达3850℃，而且石墨对激光的吸收率高达77.3％；透明约束层(4)选择耐高温强化玻璃。

8.根据权利要求6所述的一种用于硬脆材料激光喷丸强化的方法，其特征在于，所述加热法为将试样加热至300～450℃，清洗法选用碱性溶液或99.7％酒精溶液清洗试样表面。

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