CN104141035A - 一种环形激光带冲击强化孔壁的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形激光带冲击强化孔壁的方法和装置，涉及激光冲击强化小孔的孔壁领域；本发明利用环形激光带调节单元调整激光束成为环形激光带，将设有环形激光带调节单元的保护罩从孔的一端深入到孔内部，使环形激光带辐照在涂有吸收层的孔壁上产生等离子体爆炸，等离子体爆炸受到水的约束而形成高压冲击波，从而对孔壁进行冲击强化；通过工作台移动环形激光带的位置，完成整个孔壁的冲击强化。本发明适用于各种孔径孔壁的冲击强化处理，同时，不仅可以冲击强化通孔的孔壁，而且也可以对盲孔的孔壁进行冲击强化处理。

Description

一种环形激光带冲击强化孔壁的方法和装置

技术领域

本发明涉及孔壁强化和改性领域，特指一种利用环形激光带冲击强化孔壁的方法和装置，尤其适用于应力集中严重的通孔和盲孔内壁的强化。

技术背景

激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术，利用激光束与涂覆在工件表面的吸收层相互作用产生的高压冲击波作为力源，使工件表面材料发生塑性变形，从而使表面材料的组织致密化，并形成具有一定深度的残余应力层，残余应力层能有效地消除材料内部应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，能显著提高金属零件的疲劳寿命和耐腐蚀性能。

小孔通常是应力集中的主要位置，在交变载荷的作用下极易产生疲劳裂纹，降低零件的寿命。因此，对小孔的孔壁的强化处理成为了一项研究重点。激光冲击强化技术具有冲击力大和被冲击面粗糙度小等优点正逐步取代传统的冷挤压和机械喷丸技术。

申请号为200610096476.5的中国发明专利申请公开了一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置，利用从小孔下方插入空中的反射锥表面的吸收层材料吸收激光能量，产生等离子体爆炸形成冲击波作用于孔壁表面，从而实现对孔壁的强化。申请号为201010510712.X，名称为一种紧固孔激光冲击强化的方法和装置，以及申请号为201010603791.9，名称为一种环形激光冲击强化紧固孔的方法和装置，这两个均采用了类似的方法对孔壁进行强化。申请号为201310175958.X，名称为一种紧固孔水下激光微喷丸的方法和装置，以及申请号为201310175959.4，名称为一种环形激光水下冲击强化紧固孔孔壁的方法和装置，这两种方法改进了反射锥的特性，反射锥表面能将激光束全反射到孔壁表面的吸收层上，等离子体爆炸发生在孔壁表面的吸收层上，从而不会对反射锥带来破坏。但是，上述五个发明都是将反射锥从孔的一端插入，激光从孔的另一端入射进行强化，即只能对通孔进行冲击强化。

申请号为201310245984.5，名称为一种隐藏面激光冲击强化方法和装置，利用全反镜分段逐步扫描内壁进行激光冲击强化处理，可对盲孔进行冲击强化，但是由于需要往结构中置入大量的装置，如夹具、工作台和进给装置等，限制了该方法只能用于强化处理较大尺寸的盲孔，无法处理尺寸小的盲孔。申请号为200910213599.6，名称为一种基于激光冲击波技术的复杂表面强化的方法和装置，提出了以悬浊液作为激光的吸收材料，取代吸收层和约束层，该方法可对盲孔进行冲击强化，但是高温高压的等离子体爆炸会烧蚀孔壁，产生会降低表面疲劳强度的热裂纹等不利结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环形激光带冲击强化孔壁的方法和装置，以不仅可以对通孔的孔壁进行激光冲击强化，而且可以对盲孔的孔壁进行激光冲击强化。

为了解决上述技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种环形激光带冲击强化孔壁的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，将需冲击强化的孔壁涂覆一层吸收层（15），并对吸收层（15）进行风干处理；

步骤二，将工件（16）装夹在工作台（17）上，如果待强化的孔为盲孔，保证孔口朝上，如果待强化的孔为通孔，保证任意一个孔口朝上，环形激光带调节单元（5）从上孔口伸入待加工的孔内部，并与孔同轴，保证环形激光带调节单元（5）置于冲击强化的起始位置；所述环形激光带调节单元（5）的直径小于待加工孔的内径；

步骤三，调节脉冲激光器参数，环形激光带参数，使参数满足加工要求；所述脉冲激光器参数包括激光脉冲能量和激光脉宽；所述环形激光带参数为环形激光带宽度；

步骤四，利用喷水装置（19）向孔表面喷水，使水覆盖孔壁的待冲击强化位置，利用脉冲激光器（1）输出的激光束（2）通过环形激光带调节单元（5）调制成环形激光带（18），环形激光带（18）辐照在涂有吸收层（15）的孔壁上，诱导等离子体爆炸产生高压冲击波，从而使环形激光带（18）所在位置的孔壁得到强化；

步骤五，工作台（17）带动工件（16）沿着孔的轴向运动，使环形激光带（18）移动到新的孔壁位置，重复所述步骤三至步骤五，直至整个孔壁得到强化；

步骤六，工作台（17）带动工件（16）作远离环形激光带调节单元（18）的移动，使环形激光带调节单元（18）离开孔内部，取下工件（16），清理孔壁上的吸收层（15）。

所述脉冲激光器（1）输出的激光脉冲能量为2J~60J，激光脉宽为4ns~60ns；所述环形激光带调节单元（5）调制的环形激光带宽度为1mm~30mm。

脉冲激光器（1）、导光管（3）、45°全反镜（4）、环形激光带调节单元（5）、保护罩（13）、夹具（14）、工作台（17）、喷水装置（19）、控制器（20）和信号线（23）；导光管（3）一端固定在脉冲激光器（1）上，另一端与保护罩（13）相连，脉冲激光器（1）的出光口处设有固定在导光管（3）上的45°全反镜（4），45°全反镜（4）下方正对环形激光带调节单元（5），环形激光带调节单元（5）安装在保护罩（13）内部，保护罩（13）为透光材料制作而成，工作台（17）位于保护罩（13）正下方，工件（16）装夹在夹具（14）上，夹具（14）固定在工作台（17）上，工作台（17）上设有喷水装置（19），环形激光带调节单元（5）、工作台（17）和脉冲激光器（1）通过信号线（23）分别与控制器（20）相连。

所述环形激光带调节单元（5）包括扩束镜（6）、会聚透镜（7）、圆锥透镜A（8）、圆锥透镜B（10）、圆锥全反镜（12）、镜片驱动装置（9）和滑轨（11）；所述扩束镜（6）、会聚透镜（7）、圆锥透镜A（8）、圆锥透镜B（10）和圆锥全反镜（12）由上至下依次布置；镜片驱动装置（9）固定在保护罩（13）上，并通过信号线（23）与控制器（20）相连，镜片驱动装置（9）控制圆锥透镜A（8）和圆锥透镜B（10）沿滑轨（11）上下移动来调节圆锥透镜A（8）和圆锥透镜B（10）二者的间距，进而调节环形激光带上部位置（21）；镜片驱动装置（9）控制圆锥透镜B（10）和圆锥全反镜（12）的间距来调节环形激光带下部位置（22）。

所述圆锥全反镜（12）头部圆锥面的角度为a，0°＜a＜180°。

    本发明装置的工作过程如下：工件（16）装夹在夹具（14）上，控制器（20）控制工作台（17）运动，从而带动工件（16）移动，使内部设有环形激光带调节单元（5）的保护罩（13）伸入到待强化孔的底部；设置脉冲激光器参数和环形激光带参数，脉冲激光器输出激光束（2）经环形激光带调节单元（5）调制成环形激光带（18），喷水装置（19）向盲孔表面喷水，环形激光带（18）作用于涂有吸收层（15）的孔壁上，产生等离子体爆炸，强化环形激光带（18）所在区域的孔壁；工作台（17）沿竖直方向运动，使环形激光带（18）移动到新的孔壁位置，重复上述步骤，直至整个孔壁都完成强化处理。

本发明的工作原理为：环形激光带辐照在涂有吸收层的孔壁上，吸收层吸收大量激光产生强烈的等离子体爆炸形成冲击波，等离子体爆炸受到水的约束作用，延长了冲击波的作用时间和提高了冲击波的峰值压力，冲击波作用于孔壁，使孔壁产生塑性变形形成表面压应力，从而完成对孔壁进行冲击强化；通过工作台移动环形激光带相对工件的位置，完成整个孔壁的冲击强化。

本发明具有有益效果。

1.      本发明采用的环形激光带调节单元，可在不同孔径的内壁上调制出最优的环形激光带宽度，即本发明装置可适用于各种孔径孔壁的冲击强化处理。

2.      本发明采用的环形激光带冲击强化孔壁的装置不仅可以冲击强化通孔的孔壁，而且也可以对盲孔的孔壁进行冲击强化处理。

附图说明

图1是本发明环形激光带冲击强化盲孔的孔壁的示意图。

图2是本发明环形激光带冲击强化通孔的孔壁的示意图。

图中：1. 脉冲激光器，2. 激光束，3. 导光管，4. 45°全反镜，5. 环形激光带调节单元，6. 扩束镜，7. 会聚透镜，8. 圆锥透镜A，9. 镜片驱动装置，10. 圆锥透镜B，11. 滑轨，12. 圆锥全反镜，13. 保护罩，14. 夹具，15. 吸收层，16. 工件，17. 工作台，18. 环形激光带，19. 喷水装置，20. 控制器，21. 环形激光带上部外置，22. 环形激光带下部位置，23. 信号线，24. 水。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步详细说明本发明的技术方案。

实施例1

用本发明进行盲孔的孔壁激光冲击强化的装置如图1所示，包括脉冲激光器1、导光管3、45°全反镜4、环形激光带调节单元5、保护罩13、夹具14、工作台17、喷水装置19、控制器20和信号线23；导光管3一端固定在脉冲激光器1上，另一端与保护罩13相连，脉冲激光器1的出光口处设有固定在导光管3上的45°全反镜4，45°全反镜4下方正对环形激光带调节单元5，环形激光带调节单元5安装在保护罩13内部，保护罩13为透光的钢化玻璃材料制作而成，工作台17位于保护罩13正下方，工件16装夹在夹具14上，夹具14固定在工作台17上，工作台17上设有喷水装置19，环形激光带调节单元5、工作台17和脉冲激光器1通过信号线23分别与控制器20相连。

其中，环形激光带调节单元5包括扩束镜6、会聚透镜7、圆锥透镜A8、圆锥透镜B10、圆锥全反镜12、镜片驱动装置9和滑轨11；扩束镜6、会聚透镜7、圆锥透镜A8、圆锥透镜B10和圆锥全反镜12由上至下依次布置。镜片驱动装置9固定在保护罩13上，并通过信号线23与控制器20相连，镜片驱动装置9控制圆锥透镜A8和圆锥透镜B10沿滑轨11上下移动来调节圆锥透镜A8和圆锥透镜B10二者的间距，进而调节环形激光带上部位置21；镜片驱动装置9控制圆锥透镜B10和圆锥全反镜12的间距来调节环形激光带下部位置22，通过对环形激光带上部位置21和环形激光带下部位置22的调节，使环形激光带宽度达到激光冲击强化工艺的最优值。

圆锥全反镜12头部圆锥面的角度为a，a=70°。

实施本发明装置的具体工作过程如下：

（1）      工件16装夹在夹具14上，保证孔口朝上，控制工作台17运动，从而带动工件16移动，使内部设有环形激光调节单元5的保护罩13从孔口伸入到待强化孔的底部；

（2）      设置脉冲激光器参数和环形激光带参数，其中，激光脉冲能量为2J，激光脉宽为4ns，环形激光带宽度为1mm，利用喷水装置19向盲孔表面喷水，利用脉冲激光器输出激光束2经环形激光带调节单元5调制成环形激光带18，环形激光带18作用于涂有吸收层15的孔壁上，产生等离子体爆炸，强化环形激光带18所在区域的孔壁；

（3）      工作台17沿竖直方向运动，使环形激光带18移动到新的孔壁位置，重复步骤（2）和步骤（3），直至整个孔壁都完成强化处理。

实施例2

用本发明进行通孔的孔壁激光冲击强化处理的装置与实施例1相同，不同之处在于，圆锥全反镜12头部圆锥面的角度为a，a=90°，如图2所示。

实施本发明的具体工作过程如下：

（1）      工件16装夹在夹具14上，保证任意一个孔口朝上，控制工作台17运动，从而带动工件16移动，使内部设有环形激光带调节单元5的保护罩13从上孔口伸入到待强化孔的底部；

（2）      设置脉冲激光器参数和环形激光带参数，其中，激光脉冲能量为60J，激光脉宽为60ns，环形激光带宽度为30mm，喷水装置19向通孔上表面喷水，脉冲激光器输出激光束2经环形激光带调节单元5调制成环形激光带18，环形激光带18作用于涂有吸收层15的孔壁上，产生等离子体爆炸，强化环形激光带18所在区域的孔壁；

（3）      工作台17沿竖直方向运动，使环形激光带18移动到新的孔壁位置，重复步骤（2）和步骤（3），直至整个孔壁都完成强化处理。

Claims (5)

1.一种环形激光带冲击强化孔壁的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，将需冲击强化的孔壁涂覆一层吸收层（15），并对吸收层（15）进行风干处理；

步骤二，将工件（16）装夹在工作台（17）上，如果待强化的孔为盲孔，保证孔口朝上，如果待强化的孔为通孔，保证任意一个孔口朝上，环形激光带调节单元（5）从上孔口伸入待加工的孔内部，并与孔同轴，保证环形激光带调节单元（5）置于冲击强化的起始位置；所述环形激光带调节单元（5）的直径小于待加工孔的内径；

步骤三，调节脉冲激光器参数，环形激光带参数，使参数满足加工要求；所述脉冲激光器参数包括激光脉冲能量和激光脉宽；所述环形激光带参数为环形激光带宽度；

步骤四，利用喷水装置（19）向孔表面喷水，使水覆盖孔壁的待冲击强化位置，利用脉冲激光器（1）输出的激光束（2）通过环形激光带调节单元（5）调制成环形激光带（18），环形激光带（18）辐照在涂有吸收层（15）的孔壁上，诱导等离子体爆炸产生高压冲击波，从而使环形激光带（18）所在位置的孔壁得到强化；

步骤五，工作台（17）带动工件（16）沿着孔的轴向运动，使环形激光带（18）移动到新的孔壁位置，重复所述步骤三至步骤五，直至整个孔壁得到强化；

步骤六，工作台（17）带动工件（16）作远离环形激光带调节单元（18）的移动，使环形激光带调节单元（18）离开孔内部，取下工件（16），清理孔壁上的吸收层（15）。

2.根据权利要求1所述的一种环形激光带冲击强化孔壁的方法，其特征在于：所述脉冲激光器（1）输出的激光脉冲能量为2J~60J，激光脉宽为4ns~60ns；所述环形激光带调节单元（5）调制的环形激光带宽度为1mm~30mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种环形激光带冲击强化孔壁的方法的装置，其特征在于包括：脉冲激光器（1）、导光管（3）、45°全反镜（4）、环形激光带调节单元（5）、保护罩（13）、夹具（14）、工作台（17）、喷水装置（19）、控制器（20）和信号线（23）；导光管（3）一端固定在脉冲激光器（1）上，另一端与保护罩（13）相连，脉冲激光器（1）的出光口处设有固定在导光管（3）上的45°全反镜（4），45°全反镜（4）下方正对环形激光带调节单元（5），环形激光带调节单元（5）安装在保护罩（13）内部，保护罩（13）为透光材料制作而成，工作台（17）位于保护罩（13）正下方，工件（16）装夹在夹具（14）上，夹具（14）固定在工作台（17）上，工作台（17）上设有喷水装置（19），环形激光带调节单元（5）、工作台（17）和脉冲激光器（1）通过信号线（23）分别与控制器（20）相连。

4.根据权利要求3所述的一种环形激光带冲击强化孔壁的装置，其特征在于：所述环形激光带调节单元（5）包括扩束镜（6）、会聚透镜（7）、圆锥透镜A（8）、圆锥透镜B（10）、圆锥全反镜（12）、镜片驱动装置（9）和滑轨（11）；所述扩束镜（6）、会聚透镜（7）、圆锥透镜A（8）、圆锥透镜B（10）和圆锥全反镜（12）由上至下依次布置；镜片驱动装置（9）固定在保护罩（13）上，并通过信号线（23）与控制器（20）相连，镜片驱动装置（9）控制圆锥透镜A（8）和圆锥透镜B（10）沿滑轨（11）上下移动来调节圆锥透镜A（8）和圆锥透镜B（10）二者的间距，进而调节环形激光带上部位置（21）；镜片驱动装置（9）控制圆锥透镜B（10）和圆锥全反镜（12）的间距来调节环形激光带下部位置（22）。

5.根据权利要求4所述的一种环形激光带冲击强化孔壁的装置，其特征在于：所述圆锥全反镜（12）头部圆锥面的角度为a，0°＜a＜180°。