CN102560079A

CN102560079A - 一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置

Info

Publication number: CN102560079A
Application number: CN2012100011238A
Authority: CN
Inventors: 冯爱新; 施芬; 聂贵锋; 李彬; 韩振春; 卢轶; 郭儒成
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2032-01-05
Also published as: CN102560079B

Abstract

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置。本发明利用高压气体作为约束层，高压气体的压力可以根据实验需要进行设定调节，并控制整个冲击过程中的压力不变，同时，喷嘴的位置能实时调节，确保了高压气体的喷射中心、激光光斑中心和工件预冲击处理位置重合，从而对试样实现单点多次和多点连续冲击。

Description

一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置。

背景技术

激光冲击强化技术(Laser Shock Processing，简称LSP)是一种利用高功率(10⁹W/cm²)短脉冲(ns级)激光与材料相互作用过程中产生的高压冲击应力波(GPa级)的力效应来改善金属机械性能的表面改性技术，这一技术已在机械工程、航空航天、微电子、军事等行业中广泛应用。

激光冲击强化可以分为直接烧蚀模型和有约束烧蚀模型；激光直接辐照在材料表面所获得的冲击波峰压只有数MPa，如果在材料表面涂上黑漆(即吸收层)并在其上覆盖一层对激光透明的物质(即约束层)将可以提高冲击波峰压至10GPa，约束层的使用和选择对激光冲击强化效果具有很大的影响。

目前主要使用水和玻璃作为约束层，此外还有使用冰和柔性贴膜作为约束层的；如我国专利CN1308112C“以冰为约束层的激光冲击处理方法及其装置”和CN1404954“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”；水约束层装置复杂，操作繁杂，不能保证水约束层厚度的均匀性，对激光参数有一定要求，对冲击效果也有一定影响，增效效果不明显；玻璃约束层适应性差，对于微孔、弯角、和非平面区域都无法适用，且成本较高，冲击时会产生玻璃碎片飞溅的现象，对仪器和人员存在安全隐患，而且清理也十分麻烦；冰约束层能解决玻璃约束层存在的安全隐患，清理方便，但冰易于融化，对实验装置具有一定的影响，而且冰约束层需现场制备，严重影响了冲击连续性和冲击效率；柔性贴膜虽然能解决上述的一些缺陷，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、制造要求较高，成本也相对较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述约束层在应用过程中存在的问题，提出一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置。

一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法，利用高压气体作为约束层，高压气体通过喷嘴喷射在工件预冲击处理位置，其压力值能在线实时检测、反馈和调控；激光冲击前，利用定位装置调整喷嘴的位置，使光斑中心与高压气体喷射中心重合，同时调整工件位置，使工件预冲击处理位置对准光斑中心；打开高压气体喷射装置，通过测压装置在线实时检测、反馈、调控高压气体的压力，当压力大小达到设定值并且稳定时，打开激光器，对工件进行冲击。工件能在运动控制卡的控制下实现二维平面运动；当工件厚度发生变化时，位移传感器检测工件表面的垂直位移，将检测到的位移信号传给工控机，工控机再传给运动控制卡，通过运动控制卡控制丝杠的旋转，实现喷嘴位置的快速自动调节，始终确保高压气体喷射中心，激光光斑中心和工件预冲击点三点重合。

以高压气体为约束层的激光冲击强化装置，包括激光器、电源、工控机、光路系统、定位装置、支撑架、滑块、丝杠、高压气体喷射装置、测压装置、位移传感器、运动控制卡和工件夹具系统。

所述定位装置由三个均布在支撑架圆环上的定位灯组成；支撑架由水平伸缩杆、与水平伸缩杆相连的圆环、L型杆和调节装置组成，水平伸缩杆位于L型杆的水平端内，L型杆的竖直端位于滑块内使得L型杆能绕其竖直端中心线360°旋转，水平伸缩杆的伸缩和L型杆的旋转通过调节装置调节，调节装置由旋转螺钉和微调螺钉组成；滑块安装在丝杠上，丝杠与运动控制卡相连，通过运动控制卡控制丝杠的旋转实现滑块上下移动；同时，圆环上还均布有三个喷嘴，喷嘴和定位灯依次相间，呈锥形分布，喷嘴和定位灯的中心轴线相交于同一点，喷嘴通过高压气管与高压气体喷射装置相连，高压气体喷射装置由工控机控制。

所述测压装置为压力传感器，位于工件夹具系统上方，通过导线与工件表面相连，用来在线实时检测、反馈、调控高压气体压力。

所述工件夹具系统由吸收层、工件、夹具、升降平台和工作台组成，升降平台安装在工作台上，夹具安装在升降平台上，工件安装在夹具上，工件表面设有吸收层，工作台由运动控制卡控制其在二维平面内运动。

位移传感器位于工件夹具系统上方，用来检测工件表面到工作台的垂直位移，当工件表面有垂直位移或者更换不同厚度的工件时，位移传感器将检测到的位移信号传给工控机，工控机再传给运动控制卡，从而控制丝杠的旋转，实现喷嘴位置的自动调节，始终保证喷射中心，激光光斑中心和工件预冲击点三点重合。

实施本发明的方法执行以下步骤：

1、激光冲击前，手动调节升降平台的高度获得所需直径的光斑，打开三个定位灯的开关，

通过运动控制卡控制丝杠旋转，调节支撑架的高度，使三个定位灯中心轴线的交点位于工件表面上，旋转支撑架的调节装置调节支撑架在水平面内的位置，使三个定位灯光线的交点与光斑中心重合。

2、通过运动控制卡自动调节工件的位置，使激光冲击光斑中心，高压气体喷射中心和工件预处理位置重合。

3、关闭定位灯，打开高压气体喷射装置，在工控机上输入所需高压气体的压力值，通过测压装置在线实时检测、反馈、调控高压气体的压力，当压力大小达到设定值并且稳定时，打开激光器，对工件进行冲击处理，工件通过运动控制卡实现二维平面上的运动，同时位移传感器检测工件表面的垂直位移，将检测到的位移信号传给工控机，工控机再传给运动

控制卡，通过运动控制卡控制丝杠的旋转，实现喷嘴位置的快速自动调节，实现工件多点

连续冲击。

本发明的优点如下：

（1）约束可靠；利用高压气体作为约束层，高压气体的压力可以根据实验需要进行设定调节，并控制整个冲击过程中的压力不变，同时，喷嘴的位置能实时调节，确保了高压气体的喷射中心、激光光斑中心和工件预冲击处理位置重合，使约束更有效。

（2）适应性强；利用高压气体作为约束层，约束层的形状不受限制，能对表面复杂或带有凹凸坑的试件起到很好的约束作用。

（3）安全环保；高压气体约束层对环境无污染，不存在玻璃约束层存在的破裂问题和水约束层存在的溅射问题，不会对激光设备和人员造成危害。

（4）结构简单，操作方便；可以对试样实现单点多次和多点连续冲击。

附图说明

图1为以高压气体为约束层的激光冲击强化装置结构示意图；

1、电源；2、激光器；3、光路系统；4、激光束；5、L型杆；6、滑块；7、丝杠；8、旋转螺钉A；9、微调螺钉A；10、旋转螺钉B；11、微调螺钉B；12、喷嘴；13、定位灯；14、高压气管；15、高压气体喷射装置；16、测压装置；17、位移传感器；18、吸收层；19、工件；20、夹具；21、升降平台；22、工作台；23、运动控制卡；24、工控机；25、水平伸缩杆；26、圆环。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

如图1所示，本发明装置由激光器2，电源1，工控机24，光路系统3，定位装置，支撑架，滑块6，丝杠7，高压气体喷射装置15，测压装置16，位移传感器17，运动控制卡23和工件夹具系统组成。

从激光器2中出来的光束经光路系统3后，得到激光束4作用于工件19上，工件19表面涂有能量吸收层18，同时工件19通过夹具20安装在升降平台21上，升降平台21安装在工作台22上，工作台22连接运动控制卡23，并通过工控机24的控制实现二维平面方向上的移动；定位装置由三个均布在支撑架圆环26上的定位灯13组成，支撑架由水平伸缩杆25、与水平伸缩杆相连的圆环26、L型杆5和调节装置组成，调节装置由旋转螺钉A8、旋转螺钉B10、微调螺钉A9和微调螺钉B11组成，L型杆5的的竖直端位于滑块6内使得L型杆5能绕其竖直端中心线360°旋转，水平伸缩杆25位于L型杆5的水平端内，其伸缩通过旋转螺钉A8和微调螺钉A9调节，L型杆5的旋转通过旋转螺钉B10和微调螺钉B11调节，圆环26上还均布有三个喷嘴12，喷嘴12和定位灯13依次相间，成锥形分布，各轴线相交于同一点，喷嘴12通过高压气管14与高压气体喷射装置15相连，高压气体喷射装置由工控机24控制。

测压装置16位于高压气体喷射装置15下方，用来在线实时检测、反馈、调控高压气体压力，位移传感器17用来检测工件19表面到工作台22的垂直位移，当工件19表面有垂直位移或者更换不同厚度的工件时，位移传感器17将检测到的位移信号传给工控机24，工控机24再传给运动控制卡23，从而控制丝杠7的旋转，实现喷嘴12竖直高度的自动调节，始终保证喷射中心，激光光斑中心和工件预冲击点三点重合。

激光冲击前，手动调节升降平台21的高度获得所需直径的光斑，打开三个定位灯13的开关，通过运动控制卡控制丝杠旋转来调节支撑架的高度，使三个定位灯中心轴线的交点位于工件表面上，旋转支撑架的调节装置调节支撑架在水平面内的位置，使三个定位灯13光线的交点与光斑中心重合，通过运动控制卡23自动调节工件19的位置，使激光冲击光斑中心、高压气体喷射中心和工件19预处理位置重合。关闭定位灯13的开关，打开高压气体喷射装置15，在工控机24上输入所需高压气体的压力值，通过测压装置16在线实时检测、反馈、调控高压气体的压力，当压力大小达到设定值并且稳定时，打开激光器2，对工件19进行冲击处理，工件19通过运动控制卡23实现二维平面上的运动，同时位移传感器17检测工件19表面的垂直位移，将检测到的位移信号传给工控机24，工控机24再传给运动控制卡23，通过运动控制卡23控制丝杠7的旋转，实现喷嘴位置的快速自动调节，从而实现工件多点连续冲击。

实施例

准备五块长50mm，宽50mm，厚10mm的2024铝合金试样，分别标记为试样1、试样2、试样3、试样4和试样5；激光冲击处理前，试样表面选用400#-1200砂纸打磨，随后置于乙醇中进行超声波清洗，冷风吹干，激光冲击时均采用0.1mm厚的美国3M公司专用铝箔（其中一面为粘贴剂，与试样表面粘贴）作为激光能量吸收层，激光脉冲能量均为8J，波长1064nm，脉宽10ns，光斑直径6mm，单次冲击；试样1在无约束层的情况下进行冲击，试样2在水约束层下进行冲击，试样3在K9玻璃约束层下进行冲击，试样4在高压气体约束层下进行冲击（高压气体压力控制在10MPa），试样5也在高压气体约束层下进行冲击（高压气体的压力控制在30MPa），激光冲击完后采用X-射线应力测定仪测量光斑中心的残余应力，测量结果如表1所示；由此看出高压气体能够作为约束层使用，并且可以通过调节高压气体的压强获得不同的光斑中心残余应力。

表1 约束层与光斑中心残余应力

约束层材料	无约束层	水	K9玻璃	高压气体（10MPa）	高压气体（30MPa）
						光斑中心残余应力/MPa	-50	-130	-163	-75	-101

Claims

1.一种以高压气体为约束层的激光冲击强化装置，包括激光器、电源、工控机、光路系统、运动控制卡和工件夹具系统，其特征在于：所述强化装置还设有定位装置、支撑架、滑块、丝杠、高压气体喷射装置、测压装置和位移传感器；支撑架由水平伸缩杆、与水平伸缩杆相连的圆环、L型杆和调节装置组成，水平伸缩杆位于L型杆的水平端内，L型杆的竖直端位于滑块内使得L型杆能绕其竖直端中心线360°旋转，水平伸缩杆的伸缩和L型杆的旋转通过调节装置调节，调节装置由旋转螺钉和微调螺钉组成；滑块安装在丝杠上，丝杠与运动控制卡相连，通过运动控制卡控制丝杠的旋转实现滑块上下移动；所述定位装置由三个均布在支撑架圆环上的定位灯组成；圆环上还均布有三个喷嘴，喷嘴和定位灯依次相间，呈锥形分布，喷嘴和定位灯的中心轴线相交于同一点，喷嘴通过高压气管与高压气体喷射装置相连；所述测压装置为压力传感器，位于工件夹具系统上方，通过导线与工件表面相连，用来在线实时检测、反馈、调控高压气体压力；所述位移传感器位于工件夹具系统上方，用来检测工件表面到工作台的垂直位移，当工件表面有垂直位移或者更换不同厚度的工件时，位移传感器将检测到的位移信号传给工控机，工控机再传给运动控制卡，从而控制丝杠的旋转，实现喷嘴位置的高度调节，始终保证喷射中心、激光光斑中心和工件预冲击点三点重合。

2.如权利要求1所述的一种以高压气体为约束层的激光冲击强化装置，其特征在于：所述工件夹具系统由吸收层、工件、夹具、升降平台和工作台组成，升降平台安装在工作台上，夹具安装在升降平台上，工件安装在夹具上，工件表面设有吸收层，工作台由运动控制卡控制其在二维平面内运动。

3.如权利要求1所述的一种以高压气体为约束层的激光冲击强化装置，其特征在于：工控机分别与高压气体喷射装置、电源、测压装置、位移传感器和运动控制卡相连，电源与激光器相连。

4.如权利要求1所述的一种以高压气体为约束层的激光冲击强化装置，其特征在于：激光器发出的激光通过光路系统入射到工件夹具系统的工件表面。

5.一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法，其特征在于：利用高压气体作为约束层，高压气体通过喷嘴喷射在工件预冲击处理位置；激光冲击前，利用定位装置调整喷嘴的位置，使光斑中心与高压气体喷射中心重合，同时调整工件位置，使工件预冲击处理位置对准光斑中心；打开高压气体喷射装置，通过测压装置在线实时检测、反馈、调控高压气体的压力，当压力大小达到设定值并且稳定时，打开激光器，对工件进行冲击；工件能在运动控制卡的控制下实现二维平面运动；当工件厚度发生变化时，位移传感器检测工件表面的垂直位移，将检测到的位移信号传给工控机，工控机再传给运动控制卡，通过运动控制卡控制丝杠的旋转，实现喷嘴位置的高度调节，始终确保高压气体喷射中心，激光光斑中心和工件预冲击点三点重合。

6.如权利要求5所述的一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法，包括如下步骤：

（1）激光冲击前，手动调节升降平台的高度获得所需直径的光斑，打开三个定位灯的开关，通过运动控制卡控制丝杠旋转，调节支撑架的高度，使三个定位灯中心轴线的交点位于工件表面上，旋转支撑架的调节装置调节支撑架在水平面内的位置，使三个定位灯光线的交点与光斑中心重合；

（2）通过运动控制卡控制工作台在二维平面内的运动进而调整工件的位置，使得激光冲击光斑中心、高压气体喷射中心和工件预处理位置重合；

（3）关闭定位灯，打开高压气体喷射装置，在工控机上输入所需高压气体的压力值，通过测压装置在线实时检测、反馈、调控高压气体的压力，当压力大小达到设定值并且稳定时，打开激光器，对工件进行冲击处理，工件通过运动控制卡实现二维平面上的运动，同时位移传感器检测工件表面的垂直位移，将检测到的位移信号传给工控机，工控机再传给运动控制卡，通过运动控制卡控制丝杠的旋转，实现喷嘴位置的高度调节，始终确保高压气体喷射中心，激光光斑中心和工件预冲击点三点重合。