CN103343190B - 一种采用高分子约束层的激光冲击强化装置 - Google Patents

一种采用高分子约束层的激光冲击强化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用高分子约束层的激光冲击强化装置，包括激光器、聚焦透镜、玻璃窗口、气嘴、主动轮、压轮一、工件、吸收层、压轮二、约束层、从动轮、压缩空气和喷嘴；约束层采用高分子材料制作成带状，并由主动轮、压轮一、压轮二和从动轮组成的进给装置实现约束层的进给；采用高压气嘴吹压约束层表面，使约束层可以紧贴任何曲面形状的工件。采用本发明可以提高激光冲击强化过程中的峰值压力并实现对任意曲面形状的金属件连续进行激光冲击强化处理。

Description

一种采用高分子约束层的激光冲击强化装置
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光冲击强化技术。
背景技术
激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术，可以在金属制件表面获得高幅残余压应力层，大大提高制件的疲劳寿命，与常规喷丸技术相比，其残余压应力层更深；激光冲击的原理是利用脉冲激光在约束状态下跟吸收层产生等离子爆炸，可产生强度高达几个吉帕斯卡的压力，该压力通过吸收层传播至工件，可对工件表层产生高幅残余压应力，由于吸收层的保护作用，工件表面不会受到热灼烧，激光冲击中脉冲激光的能量一般为1~100J，脉宽为10~30ns，约束层材料一般为水膜或玻璃，吸收层材料为铝箔或其他对激光有良好吸收作用的材料。21世纪初，美国将激光冲击技术应用到F101、F119和F414发动机叶片的强化和再制造上。
激光冲击强化中常用的约束层有水膜、高分子材料和光学玻璃，在一定条件下，采用特定的约束层，其产生的峰值压力和作用时间是一定的。约束层的刚性决定了激光冲击强化的峰值压力，在相同条件下，采用水膜产生的峰值压力最小，高分子材料次之，光学玻璃最高，由于光学玻璃是刚性的，当处理不规则表面时，无法使光学玻璃紧贴吸收层来约束等离子体爆炸，因此，在实际使用中，常常采用去离子水作为约束层，这是因为水膜是流动的，在破裂后很快就可以重新形成，而且水膜不受被处理工件表面形状的影响，为连续激光冲击强化处理提供了必要条件，但是采用去离子水作为约束层时，产生的峰值压力小，而且水膜厚度不容易控制，因此影响激光冲击工艺的稳定性；文献[1]制作了一种高分子材料和吸收层二合一的柔性贴膜，提高了激光冲击强化的峰值压力，当需要进行连续激光冲击强化时，由于激光辐照吸收层产生的等离子体灼烧高分子材料并使之融化，影响了后续激光冲击强化处理的效果。
[1] 张凌峰等，激光冲击约束层和吸收层的研究，农业机械学报，2007, 38(1):127-131
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用高分子约束层的激光冲击强化装置，以提高激光冲击强化的峰值压力、解决连续加工问题、保证高分子约束层在激光冲击过程中始终压紧吸收层，提供可靠的约束作用。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种采用高分子约束层的激光冲击强化装置，其特征在于包括：激光器（1）、聚焦透镜（2）、玻璃窗口（3）、气嘴（4）、主动轮（5）、压轮一（6）、工件（7）、吸收层（8）、压轮二（9）、约束层（10）、从动轮（11）、压缩空气（12）和喷嘴（13）；
激光器（1）发射的平行激光束的轴心与聚焦透镜（2）和喷嘴（13）的轴心重合，聚焦透镜（2）放置于激光器（1）和喷嘴（13）之间；进给装置由主动轮（5）、压轮一（6）、压轮二（9）和从动轮（11）组成，实现约束层（10）的进给，用未使用的约束层替换已使用的约束层；压轮一（6）和压轮二（9）将约束层（10）压紧在吸收层（8）上，吸收层（8）覆盖在工件（7）待处理表面；喷嘴（13）的出气端距离约束层（10）1~2毫米；
约束层（10）的材质为对激光透明的高分子材料，且为厚度均匀的带状；约束层（10）未使用部分固定在从动轮（11）上，已使用部分固定在主动轮（5）上；
玻璃窗口（3）、气嘴（4）和喷嘴（13）组成高压吹气压紧装置，可以透过激光束，并通过高压压缩空气把约束层（10）压紧在吸收层（8）上，以适应任何曲面形状的工件（7）；
压缩空气（12）经气嘴（4）后进入喷嘴（13），由喷嘴（13）喷到约束层（10）表面，使约束层（10）压紧在吸收层（8）表面；激光器（1）发射的激光束经聚焦透镜（2）聚焦后，穿过玻璃窗口（3）和约束层（10），到达吸收层（8）。
所述的高分子材料为丙烯酸合成树脂、PVC或丁苯透明树脂中的任一种。
所述的激光器为高能脉冲激光，脉冲激光的能量为1~100J，脉宽为10~30ns。
本发明的工作原理为：压缩空气12经气嘴4进入到喷嘴13，并由喷嘴13的喷口喷出，作用在约束层10，将约束层10压紧吸收层表面；激光器1发出一个脉冲激光，激光束经聚焦透镜2聚焦后，透过玻璃窗口3和约束层10，辐照到吸收层表面，完成一次激光冲击处理；在激光器1发出激光脉冲的同时，主动轮5转动，带动约束层10作进给运动，工件7也以相同的速度作进给运动。本发明实现了约束层10在工件7表面的压紧、约束层10的未使用部分替换已使用部分和激光冲击强化过程的连续进行。
本发明具有有益效果。本发明采用高分子材料作为约束层，提高了激光冲击强化的峰值压力；通过进给装置可以实现约束层的未使用部分自动替换已使用部分，使激光冲击强化过程可以连续进行；通过高压吹气压紧装置，可以使约束层压紧在任何曲面形状的工件表面，提供了可靠的约束；由于采用了厚度均匀的高分子材料作为约束层，保证了激光冲击强化过程的稳定性，可以获得稳定的强化效果。
附图说明
图1是采用高分子约束层的激光冲击强化装置的示意图。
图中：1激光器、2聚焦透镜、3玻璃窗口、4气嘴、5主动轮、6压轮一、7工件、8吸收层、9压轮二、10约束层、11从动轮、12压缩空气、13喷嘴。
具体实施方式
如图1所示，一种采用高分子约束层的激光冲击强化装置，包括：激光器1、聚焦透镜2、玻璃窗口3、气嘴4、主动轮5、压轮一6、工件7、吸收层8、压轮二9、约束层10、从动轮11、12压缩空气和13喷嘴。激光器1发射的平行激光束其轴心和聚焦透镜2和喷嘴13的轴心重合，压轮一6和压轮二9将约束层10压紧在吸收层8上，吸收层8覆盖在工件7上，喷嘴13的出气端距离约束层10约1~2毫米，压缩空气12经气嘴4后进入喷嘴13，由喷嘴13喷到约束层10表面，使约束层10压紧在吸收层8表面，激光器1发射的激光束经聚焦透镜2聚焦后，穿过玻璃窗口3和约束层10，到达吸收层8。玻璃窗口3、气嘴4和喷嘴13组成高压吹气压紧装置，可以透过激光束，并通过高压压缩空气把约束层10压紧在吸收层8上，以适应任何曲面形状的工件7；进给装置由主动轮5、压轮一6、压轮二9和从动轮11组成，可以实现约束层10的进给，用未使用的约束层替换已使用的约束层；约束层10为对激光透明的高分子材料，并且制作成厚度均匀的带状，其未使用部分固定在从动轮11上，已使用部分固定在主动轮5上，并穿过压轮一6和压轮二9，压轮一6和压轮二9之间的部分约束层10为约束层10的工作部分。
在本实施实例中，压缩空气12的压力为0.5Mpa；约束层10的材质为丙烯酸合成树脂，厚度为0.5mm；激光器1发出的脉冲激光，脉宽为10ns，脉冲能量为8J。
具体实施方式如下：压缩空气12经气嘴4进入到喷嘴13，并由喷嘴13的喷口喷出，作用在约束层10，将约束层10压紧吸收层表面；激光器1发出一个脉冲激光，激光束经聚焦透镜2聚焦后，透过玻璃窗口3和约束层10，辐照到吸收层表面，完成一次激光冲击处理；在激光器1发出激光脉冲的同时，主动轮5转动，带动约束层10作进给运动，工件7也以相同的速度作进给运动。本发明实现了约束层10在工件7表面的压紧、约束层10的未使用部分替换已使用部分和激光冲击强化过程的连续进行。

Claims (3)

1.一种采用高分子约束层的激光冲击强化装置，其特征在于包括：激光器（1）、聚焦透镜（2）、玻璃窗口（3）、气嘴（4）、主动轮（5）、压轮一（6）、工件（7）、吸收层（8）、压轮二（9）、约束层（10）、从动轮（11）、压缩空气（12）和喷嘴（13）；
激光器（1）发射的平行激光束的轴心与聚焦透镜（2）和喷嘴（13）的轴心重合，聚焦透镜（2）放置于激光器（1）和喷嘴（13）之间；进给装置由主动轮（5）、压轮一（6）、压轮二（9）和从动轮（11）组成，实现约束层（10）的进给，用未使用的约束层替换已使用的约束层；压轮一（6）和压轮二（9）将约束层（10）压紧在吸收层（8）上，吸收层（8）覆盖在工件（7）待处理表面；喷嘴（13）的出气端距离约束层（10）1~2毫米；
约束层（10）的材质为对激光透明的高分子材料，且为厚度均匀的带状；约束层（10）未使用部分固定在从动轮（11）上，已使用部分固定在主动轮（5）上；
玻璃窗口（3）、气嘴（4）和喷嘴（13）组成高压吹气压紧装置，可以透过激光束，并通过高压压缩空气把约束层（10）压紧在吸收层（8）上，以适应任何曲面形状的工件（7）；
压缩空气（12）经气嘴（4）后进入喷嘴（13），由喷嘴（13）喷到约束层（10）表面，使约束层（10）压紧在吸收层（8）表面；激光器（1）发射的激光束经聚焦透镜（2）聚焦后，穿过玻璃窗口（3）和约束层（10），到达吸收层（8）。
2.如权利要求1所述的一种采用高分子约束层的激光冲击强化装置，其特征在于：所述的高分子材料为丙烯酸合成树脂、PVC或丁苯透明树脂中的任一种。
3.如权利要求1所述的一种采用高分子约束层的激光冲击强化装置，其特征在于：所述的激光器为高能脉冲激光，脉冲激光的能量为1~100J，脉宽为10~30ns。
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