CN103203543A - 一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射方法及装置。所述装置包括激光器、测距仪平台，支架，测距仪，控制器Ⅰ，控制器Ⅱ，水龙头，过渡接头，信号线，软管和水箱。通过叶片上沿激光束方向的竖直截面上三个点(探测点Ⅰ和探测点Ⅱ和一个待加工点)所对应的标准曲线段近似代替叶片上的实际曲线段，使水流从近似为实际曲线段中点的标准曲线段中点流入叶片，并且根据测距仪返回信息通过控制器Ⅰ将扁平的喷嘴长边与叶片待加工点切平面保持平行，并使水龙头的水流方向与待加工点切平面方向之间的角度为10o-15o，从而保证在曲线段下端点处区域(待加工区域)形成稳定、厚度均匀的水约束层。

Description

一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射方法和装置
技术领域
本发明涉及激光冲击强化技术领域，特指一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射方法，以及实现这种方法的装置，粘附叶片表面形成均匀厚度的水膜，适用于结构金属小曲率(曲率半径大于50 mm)光滑表面的激光冲击强化处理的水约束层。
背景技术
激光冲击强化(LSP：又叫激光喷丸)是一种新型的材料表面强化技术，具有高压、高能、超快和超高应变率等特点，具有常规加工方法无可比拟的优点，具有显著的技术优势，能大幅增强金属材料的耐久性，防止表面出现裂纹，提高材料的使用寿命降低维修成本；21世纪初，美国将LSP技术应用到F101、F119和F414发动机叶片的强化和再制造上。
要实现激光冲击波的力学强化效果，必须在激光冲击过程中使用约束层，约束层覆盖在工件表面，其厚度、材质(成分和性能)直接影响激光冲击强化的效果；目前，国内外文献和试验中所使用的约束层介质包括K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶、合成树脂和水等，玻璃类约束层对冲击波压力提升效果最明显，但仅适用于平面加工，且易碎，难于清理；硅胶和合成树脂与靶材结合力小，且难以重复利用；水约束层的优点是廉价、清洁、重复效果好，可加工曲面，而且流动的水约束层可以带走等离子体爆炸后的固体粉尘颗粒，具有明显的优势，工业中激光冲击强化结构金属构件通常使用水约束层。
目前国内外激光冲击强化工业应用最典型的航空构件是发动机叶片和整体叶盘的激光冲击强化处理，在对叶片曲面进行激光冲击强化的过程中，由程序控制多轴工作台使叶片进行移动或转动，保证激光束垂直于待加工点处的切平面(加工平面)；目前国内多采用传统的加工平面的水约束层的方法和装置，即水龙头的喷射出水角度和位置在加工过程中不变，在实际激光冲击过程中由于要保证入射激光束和叶片冲击点垂直，而不能够保证水龙头的喷射出水角度实时变化，在水流速稍大时，会在叶片凸面部分曲面和水约束层间形成空隙，从而入射激光束烧蚀叶片表面，形成加工破坏；在叶片凹面部分曲面形成较厚的水膜影响激光冲击强化效果；为了使激光冲击叶片过程中形成稳定、均匀厚度的水约束层，国内发明专利ZL200510094810.9“基于激光冲击技术的新型水约束层增压的方法和装置”中提出利用水龙头随行控制器实现对水约束层的实时控制，但主要集中在水约束层的控制，并未涉及水龙头喷嘴形状和结构设计，也没有进一步说明水龙头随行控制器的控制方法和实现装置。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于激光冲击强化叶片的水约束层喷射方法，即通过待加工叶片上沿激光束方向的竖直截面上三个点(探测点Ⅰ和探测点Ⅱ和一个待加工点)所对应的标准曲线段近似代替叶片上的实际曲线段，使水龙头的水流方向与待加工点切平面方向之间的角度为10o-15o，并使水从标准曲线段中点(近似为实际曲线段中点)流入叶片待加工表面，从而保证在曲线段下端点处区域(待加工区域)形成稳定、均匀厚度的水约束层。
同时，本发明提供一种稳定、均匀厚度的水约束层的喷射装置，包括测距仪平台，支架，测距仪，控制器Ⅰ，控制器Ⅱ，水龙头，过渡接头，信号线，软管和水箱；所述的测距仪上安装有探测头Ⅰ和探测头Ⅱ，探测头Ⅰ和探测头Ⅱ连线与测距仪底面垂直，探测头Ⅰ和探测头Ⅱ之间的距离可调(10-20 mm)，测距仪的输出端通过信号线Ⅰ与控制器Ⅰ的输入端相连。
控制器Ⅰ为总控制器，用于控制五轴工作台，控制器Ⅱ，水龙头的移动和转动；五轴工作台的输入端与控制器Ⅰ的输出端相连；测距仪平台位于激光器与五轴工作台之间；测距仪通过支架固定在测距仪平台上使得激光器发出的激光束能够通过测距仪与测距仪平台之间的空隙，不发生干涉，测距仪的信号输出端通过信号线Ⅰ与控制器Ⅰ的输入端相连；控制器Ⅱ安装在过渡接头上，其输入端与控制器Ⅰ的输出端相连；水龙头位于五轴工作台上方，高于探测头Ⅰ10-20 mm，通过过渡接头与软管相连；水箱安装在水龙头上方，与软管相连。
本发明所述的水龙头由外壳和扁平喷嘴组成，扁平喷嘴截面尺寸为1mm×20mm，能够根据控制器Ⅱ的指令绕外壳的轴线相对于外壳自由转动，过渡接头两端通过锥管螺纹分别与水龙头和软管相连，在软管与水龙头头部外壳之间设置有控制器Ⅱ，用于控制水流量、水流速度和水流压力，以及喷嘴相对于外壳的转动；软管由15-30个相同锥管状结构组成，相邻两个锥管的轴线夹角小于30o，因此水龙头能够实现任意角度和任意位置的摆放；控制器Ⅱ受控制器Ⅰ控制，根据加工需要调整水龙头的位置和扁平喷嘴的方向；在激光冲击叶片前，根据测距仪返回信息通过控制器Ⅰ将扁平的喷嘴长边与叶片待加工点切平面保持平行，并使水龙头的水流方向与待加工点切平面方向之间的角度为10o-15o，确保水流的稳定和厚度均匀。
使用该装置的具体步骤为：
(1)   通过支架将测距仪安装在测距仪平台上，保证探测头Ⅰ和探测头Ⅱ的连线与测距仪底面(基准面)垂直，并且确保探测头Ⅰ和探测头Ⅱ的连线与激光束位于同一平面上；同时，探测头Ⅱ与待加工点垂直方向上的距离D1为10-20 mm，水平方向上的距离L为20-30 mm，然后调节探测头Ⅰ的位置，使探测头Ⅰ与待加工点垂直方向上的距离为D2(D2为D1的2倍)；
(2)   将工件装夹在五轴工作台上，通过五轴工作台的移动使待加工点位于激光束的聚焦焦点上，并且待加工点处的切平面与加工平面重合；
(3)   通过测距仪测出待加工点上方与待加工点垂直距离分别为D1(10-20 mm)和D2(D2为D1的2倍)的两个点到加工平面(垂直于激光束并通过激光束焦点的平面)的距离，记为L1和L2，然后将这四个值输入到控制器Ⅰ；在控制器Ⅰ中，通过程序构建以待加工点为原点，激光束入射方向为横轴，竖直向上为纵轴的坐标系，则可以得到该坐标系下输入的两个点坐标分别为(L1，D1)和(L2，D2)；控制器Ⅰ根据输入点的坐标，计算出水龙头的目标角度和位置，其中tanθ=D2/L2；θ为水流方向与待加工点处的切平面的夹角，入水点的横坐标(L2-2L1)/2*Cos(θ) *Cos(θ)+L1；纵坐标〔L2-2L1〕/2*Cos(θ)*Sin(θ)+D1；从而控制水龙头移动或转动以及通过控制器Ⅱ对喷嘴相对于外壳的转动进行控制，使水龙头喷嘴长边与叶片待加工点切平面保持平行，水龙头的水流方向与待加工点切平面方向之间的角度为10o-15o，确保水流的稳定和厚度均匀；
(4)   控制器Ⅰ通过指令控制控制器Ⅱ调节水流的流速、流量以及压力，使待加工区水约束层的厚度为1-3 mm。
本发明的有益效果如下：
(1)     本发明能够使水龙头自动根据叶片的空间位置作相应的移动或转动，在叶片待冲击点区域形成稳定和厚度均匀水膜作为冲击时约束层，提高激光冲击叶片质量，增加激光冲击强化效果；
(2)     通过叶片上沿激光束方向的竖直截面上三个点所对应的微小的标准曲线段近似代替叶片上的实际曲线段，简化了对叶片上沿激光束方向的竖直截面复杂信息的处理，有利于程序化、自动化的实现。在曲线段微小的条件下，该方法所产生的误差可以忽略；
(3)     水流从标准曲线段中点（近似为实际曲线段中点）流入叶片，既可以避免直接从待加工点流入产生水膜厚度不均匀，又有利于程序化、自动化的实现；
(4)     扁平喷嘴长边与叶片待加工点切平面保持平行，有利于形成稳定和厚度均匀的水约束层；同时，水龙头喷嘴喷射水流的方向与待加工点切平面方向之间的角度为10o-15o，可以避免随机性误差的影响，也可避免因角度过大形成的喷射水膜和叶片表面形成的间隙以及凹面形成较厚的水膜影响冲击效果，从而使待加工区域的水约束层均匀稳定；
(5)     在软管与水龙头头部外壳之间设置控制器Ⅱ，可以直接控制水流量、水流速度和水流压力，以及扁平喷嘴相对于外壳的转动。
(6)     过渡接头能增加软管与水龙头之间的连接强度，同时能在水流由圆形转变为扁平状的过程中起缓冲作用，因此能适应更高的水流压力。
附图说明
图1为水约束层装置结构的示意图；
图中：1. 激光器，2. 测距仪平台，3. 测距仪，4. 水龙头，5. 控制器Ⅰ，6. 水箱，7. 过渡接头，8. 控制器Ⅱ，9. 五轴工作台，10. 信号线Ⅰ，11. 信号线Ⅱ，12. 软管，13.叶片，14.支架，15.激光束，28. 信号线Ⅲ，29. 信号线Ⅳ；
图2为水约束层装置工作的示意图；
图中：15. 激光束，16. 探测头Ⅰ，17. 探测头Ⅱ，18. 圆弧中点，19. 探测点Ⅰ，20. 水流，21. 探测点Ⅱ，22. 待加工点，23. 基准面，24. 叶片截面，25. 加工平面。
图3为水龙头结构示意图；
图4为喷嘴结构示意图；
26. 外壳，27. 喷嘴；
图5是水龙头与过渡接头、控制器Ⅱ和软管的连接示意图；
图中：4. 水龙头，7. 过渡接头，8. 控制器Ⅱ，12. 软管。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射装置，如图1所示，包括测距仪平台2，支架14，测距仪3，控制器Ⅰ5，控制器Ⅱ8，水龙头4，过渡接头7，信号线Ⅰ10，信号线Ⅱ11，信号线Ⅲ28，信号线Ⅳ29，软管12和水箱6。
五轴工作台9输入端通过信号线Ⅲ28与控制器Ⅰ5输出端相连；测距仪平台2位于激光器1与五轴工作台9之间；测距仪3通过支架14连接在测距仪平台2上(激光束可以通过测距仪与测距仪平台之间的空隙，不发生干涉)，位于激光器1和五轴工作台9之间，其信号输出端通过信号线Ⅰ10与控制器Ⅰ5的输入端相连；控制器Ⅰ5位于五轴工作台9上方，不与激光束15干涉，其输出端通过信号线Ⅱ11与水龙头4输入端相连；控制器Ⅱ8位于过渡接头7上，其输入端通过信号线Ⅳ29与控制器Ⅰ5输出端相连；水龙头4位于五轴工作台9上方，比探测头Ⅰ16高出10-20 mm，通过过渡接头7与软管12相连；水箱6安装在水龙头4上方，与过渡接头7相连。
使用该装置的具体步骤为：
(1) 通过支架14将测距仪3安装在测距仪平台2上，保证探测头Ⅰ16和探测头Ⅱ17的连线与基准面23垂直，并且与激光束15位于同一平面上；同时，探测头Ⅱ17与待加工点22垂直方向上的距离D1为10-20 mm,水平方向上的距离L为20-30 mm；然后调节探测头Ⅰ16的位置，使探测头Ⅰ16与待加工点22垂直方向上的距离为D2(D2为D1的2倍)。
(2) 将叶片13装夹在五轴工作台9上，通过五轴工作台9的移动使待加工点22位于激光束15的聚焦焦点上，并且待加工点22处的切平面与加工平面25重合。
(3) 通过测距仪2测出待加工点22上方与待加工点22垂直距离分别为D1(10-20 mm)和D2(D2为D1的2倍)的两个点到加工平面25的距离(记为L1和L2)，然后将这四个值输入到控制器Ⅰ5；在控制器Ⅰ5中，通过程序构建以待加工点22为原点，激光束15入射方向为横轴，竖直向上为纵轴的坐标系，则可以得到该坐标系下输入的两个点坐标分别为(L1，D1)和(L2，D2)；控制器Ⅰ5根据输入点的坐标，计算出水龙头4的目标角度和位置，从而控制水龙头4移动或转动以及通过控制器Ⅱ8对喷嘴27相对于外壳26的转动进行控制，使喷嘴27长边与叶片13待加工点切平面保持平行，水流方向与待加工点切平面方向之间的角度为10o-15o；
(4) 控制器Ⅰ5通过控制器Ⅱ8对水流的流速和流量以及压力等参数进行调节，使待加工区水约束层的厚度为1-3 mm，从而实现激光冲击强化叶片或整体叶片过程中水约束层的均匀稳定以及与叶片曲面间无间隙。

Claims (5)

1.一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射装置，其特征在于：所述装置包括激光器、测距仪平台，支架，测距仪，控制器Ⅰ，控制器Ⅱ，水龙头，过渡接头，信号线，软管和水箱；所述的测距仪上安装有探测头Ⅰ和探测头Ⅱ，探测头Ⅰ和探测头Ⅱ连线与测距仪的水平底面垂直，探测头Ⅰ和探测头Ⅱ之间的距离能够调整，测距仪的输出端通过信号线Ⅰ与控制器Ⅰ的输入端相连；控制器Ⅰ为总控制器，用于控制五轴工作台，控制器Ⅱ；五轴工作台的输入端通过信号线Ⅲ与控制器Ⅰ的输出端相连；测距仪平台位于激光器与五轴工作台之间；测距仪通过支架固定在测距仪平台上使得激光器发出的激光束能够通过测距仪与测距仪平台之间的空隙，不发生干涉，测距仪的信号输出端通过信号线Ⅰ与控制器Ⅰ的输入端相连；控制器Ⅱ安装在过渡接头上，其输入端通过信号线Ⅱ与控制器Ⅰ的输出端相连；水龙头位于五轴工作台上方，高于探测头Ⅰ10-20 mm，通过过渡接头与软管相连；水箱安装在水龙头上方，与软管相连；控制器Ⅱ控制水龙头的移动和转动
如权利要求1所述的一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射装置，其特征在于：所述水龙头由外壳和扁平喷嘴组成，扁平喷嘴能够根据控制器Ⅱ的指令绕外壳的轴线相对于外壳自由转动，过渡接头两端通过锥管螺纹分别与水龙头和软管相连，在软管与水龙头头部外壳之间设置有控制器Ⅱ，用于控制水流量、水流速度和水流压力以及喷嘴相对于外壳的转动；所述软管由15-30个相同锥管状结构组成，相邻两个锥管的轴线夹角小于30o。
2.如权利要求2所述的一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射装置，其特征在于：所述扁平喷嘴截面尺寸为1mm×20mm。
3.一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射方法，其特征在于：通过叶片上沿激光束方向的竖直截面上探测点Ⅰ和探测点Ⅱ和一个待加工点所对应的标准曲线段近似代替叶片上的实际曲线段，使水龙头喷射的水流从近似为实际曲线段中点的标准曲线段中点流入叶片，并且水流方向与该点切平面方向之间的角度为10o-15o，从而保证待加工区域形成稳定、平整的水约束层。
4.如权利要求4所述的一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射方法，其特征在于：
通过支架将测距仪安装在测距仪平台上，保证探测头Ⅰ和探测头Ⅱ的连线与作为基准面的测距仪水平底面垂直，并且确保探测头Ⅰ和探测头Ⅱ的连线与激光束位于同一平面上；同时，探测头Ⅱ与待加工点垂直方向上的距离D1为10-20 mm，水平方向上的距离L为20-30 mm，然后调节探测头Ⅰ的位置，使探测头Ⅰ与待加工点垂直方向上的距离为D2，D2为D1的2倍；
将工件装夹在五轴工作台上，通过五轴工作台的移动使待加工点位于激光束的聚焦焦点上，并且待加工点处的切平面与加工平面重合；所述的加工平面为垂直于激光束并通过激光束焦点的平面；
通过测距仪测出待加工点上方与待加工点垂直距离分别为D1和D2的两个点到加工平面的距离，记为L1和L2，然后将这四个值输入到控制器Ⅰ；在控制器Ⅰ中，通过程序构建以待加工点为原点，激光束入射方向为横轴，竖直向上为纵轴的坐标系，得到该坐标系下输入的两个点坐标分别为(L1，D1)和(L2，D2)；控制器Ⅰ根据输入点的坐标，计算出水龙头的目标角度和位置，从而控制水龙头移动或转动以及通过控制器Ⅱ对喷嘴相对于外壳的转动进行控制，使水龙头喷嘴长边与叶片待加工点切平面保持平行，水龙头的水流方向与待加工点切平面方向之间的角度为10o-15o，确保水流的稳定和厚度均匀；
控制器Ⅰ通过指令控制控制器Ⅱ调节水流的流速、流量以及压力，使待加工区水约束层的厚度为1-3 mm。
5.如权利要求5所述的一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射方法，其特征在于：所述的水龙头的目标角度和位置，其中tanθ=D2/L2；θ为水流方向与待加工点处的切平面的夹角，入水点的横坐标(L2-2L1)/2*Cos(θ) *Cos(θ)+L1；纵坐标〔L2-2L1〕/2*Cos(θ)*Sin(θ)+D1。
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