CN104148803B - 一种大批量异形零件激光冲击强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大批量异形零件激光冲击强化装置及方法，涉及激光冲击强化领域，所述的大批量异形零件激光冲击强化装置包括工控机、激光器、光纤和光线调制装置，所述光线调制装置包括外腔体和底部透光的内腔体，所述内腔体通过转轴设置在外腔体内并通过光纤与激光器相连，所述外腔体外设有能控制转轴和内腔体转动的电机，所述内腔体下部设有转台，所述转台上设有聚焦镜，所述外腔体的底部设有与零件相配合的异形透镜，所述电机和转台均与工控机相连接。本发明防止零件较薄区域由于过大的冲击力产生凹陷缺陷，同时降低了成本、节约了操作空间。

Description

一种大批量异形零件激光冲击强化装置及方法

技术领域

本发明涉及激光冲击强化领域，具体的说是一种大批量异形零件激光冲击强化装置。

背景技术

航空发动机中具有许多诸如发动机叶片的薄壁零件，这些零件服役环境恶劣，极易发生疲劳破坏，提高发动机中零件的可靠性及使用寿命对航空器械的性能及安全性都有着重要的影响。

激光冲击强化技术能够方便的在工件表面引入残余压应力，从而抑制工件表面产生微裂纹等疲劳破坏，大幅延长工件的使用寿命。它与现有的冷挤压、喷丸等表面强化方法相比,具有非接触、柔性、可控性强以及强化效果显著等突出优点。

而对于薄壁零件，如发动机叶片的边缘，零件厚度很低，采用激光冲击强化时极易使零件表面产生过大的塑性变形，导致冲击后零件不符合生产制造要求。

发明内容

本发明针对以上提出的激光冲击强化极易使被处理零件薄壁部分产生塑性变形的问题，而研究设计一种大批量异形零件激光冲击强化装置。本发明采用的技术手段如下：

一种大批量异形零件激光冲击强化装置，包括工控机、激光器、光纤和光线调制装置，所述光线调制装置包括外腔体和底部透光的内腔体，所述内腔体通过转轴设置在外腔体内并通过光纤与激光器相连，所述外腔体外设有能控制转轴和内腔体转动的电机，所述内腔体下部设有转台，所述转台上设有聚焦镜，所述外腔体的底部设有表面曲率与待冲击零件所需冲击强度相配合的异形透镜，能将激光光线根据待冲击零件形状进行不同程度的聚焦，以适应待冲击零件不同区域的需求，所述电机和转台均与工控机相连接。

进一步地，所述内腔体的内部设有能将激光光线反射至聚焦镜的反射镜。

一种异形透镜的曲率计算方法，包括以下步骤：

计算待冲击零件不同区域所需要的激光功率密度：

P＝e×h

其中：P为激光功率密度，e为能量系数，h为厚度；

计算所需光斑面积：

v＝E/p

其中：v为光斑面积，E为激光能量，p为激光功率密度；

计算异形透镜的上、下表面曲率：

$\frac{1}{f}=(n-1)(\frac{1}{r_1}-\frac{1}{r_2})$

其中：f为焦距，n异形透镜材料的折射率，r₁、r₂分别为异形透镜的上、下表面曲率半径；

通过待冲击零件9表面所需光斑直径d与焦距f间的关系,确定出异形透镜不同区域所需的焦距f，对表面曲率进行连续的计算即可绘制出异形透镜具体的形状。

一种大批量异形零件激光冲击强化方法，使用所述的大批量异形零件激光冲击强化系统，包括以下步骤：

a.将待冲击零件置于激光调制装置的异形透镜端的对应位置，在待冲击零件表面施加吸收层和水约束层；

b.打开激光器，通过工控机控制转台的转动实现激光光线的横向移动，控制电机的转动实现激光光线的纵向移动；

处理过程中，每次冲击光斑移动距离不大于前一光斑的中心到其边界的最短距离，处理完成一行后，光斑移动进入下一行时，光斑移动距离不大于前一行扫描位移中的最小位移。

进一步地，光斑为圆形光斑时，同一行的处理中，每次冲击光斑移动距离不大于前一光斑的半径，处理完成一行后，光斑移动进入下一行时，光斑移动距离不大于前一行的最小光斑的半径。

与现有技术比较，本发明所述的一种大批量薄壁异形零件激光冲击强化装置具有以下优点：

(1)通过异形透镜保证了异形零件表面不同区域采用不同能量密度的激光进行冲击强化，防止零件较薄区域由于过大的冲击力产生凹陷缺陷；

(2)对于不同的零件只需更换异形透镜，不需要重新编写控制程序，降低了成本；

(3)激光光线的移动由光线调制装置完成，光线调制装置本身不需要移动，装置整体行程短，节约了操作空间。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中待冲击零件示意图；

图3是本发明实施例中待冲击零件的待冲击区域截面示意图。

图4是透镜前后光线几何关系示意图。

1、激光器；2、光纤；3、外腔体；4、内腔体；5、转轴；6、电机；7、工控机；8、工作台；9、待冲击零件；10、透镜端盖；11、异形透镜；12、聚焦镜；13、反射镜；14、激光光线；15、转台；16、喷水口；17、水约束层；18吸收层。

具体实施方式

一种大批量异形零件激光冲击强化装置，包括工控机7、激光器1、光纤2和光线调制装置19，所述光线调制装置19包括外腔体3和底部透光的内腔体4，所述内腔体4通过转轴5设置在外腔体内并通过光纤2与激光器1相连，所述外腔体3外设有能控制转轴5和内腔体4转动的电机6，所述内腔体4下部设有转台15，所述转台15上设有聚焦镜12，所述外腔体3的底部设有与待冲击零件9相配合的异形透镜11，所述电机6和转台15均与工控机7相连接。

所述内腔体4的内部设有能将激光光线14反射至聚焦镜12的反射镜13，在入射激光光线14和聚焦镜12的位置不对应时采用反射镜13对光线位置进行调整。

所述的异形透镜的曲率计算方法，包括以下步骤：

计算待冲击零件9不同区域所需要的激光功率密度：

P＝e×h

其中：P为激光功率密度，e为能量系数，h为厚度；

计算所需光斑面积：

v＝E/p

其中：v为光斑面积，E为激光能量，p为激光功率密度；

将光斑近似为圆形，相应地可以算出光斑的半径R。

计算异形透镜的上、下表面曲率：

$\frac{1}{f}=(n-1)(\frac{1}{r_1}-\frac{1}{r_2})$

其中：f为焦距，n异形透镜材料的折射率，r₁、r₂分别为异形透镜的上、下表面曲率半径；

通过待冲击零件9表面所需光斑面积v与焦距f间的关系(对于圆形光斑即光斑直径d与焦距f间的关系)，确定出异形透镜11不同区域所需的焦距f，对表面曲率进行连续的计算即可绘制出异形透镜11具体的形状。

一种大批量异形零件激光冲击强化方法，使用所述的大批量异形零件激光冲击强化系统，包括以下步骤：

a.将待冲击零件9安装在工作台8上，与激光调制装置19的异形透镜11端位置相对应，调整工作台8高度，使待冲击零件9的最低点移动到计算高度，确保到达待冲击零件9表面的光斑直径为冲击处理所需的大小。在待冲击零件9表面施加吸收层18和水约束层17；本实施例在待冲击零件9上方设有喷水口16，打开喷水口16即在待冲击零件9表面形成水约束层17，

b.打开激光器1，工控机7通过控制转台15的转动实现激光光线的横向移动，控制电机6的转动实现激光光线的纵向移动。激光光线14通过光纤2导入内腔体4，通过反射镜13反射后通过聚焦镜12初步聚焦，再通过异形透镜11聚焦于待冲击零件9表面，形成激光冲击强化，通过转动转台15调整反射镜13与聚焦镜12间的角度配合，实现激光光线14在异形透镜11上的横向扫描，通过电机6的转动实现内部腔体4的前后摆动进而实现内激光光线14在异形透镜11上的纵向扫描；

处理过程中，每次冲击光斑移动距离不大于前一光斑的中心到其边界的最短距离，处理完成一行后，光斑移动进入下一行时，光斑移动距离不大于前一行扫描位移中的最小位移，可以确保第二行的冲击填补第一行中光斑未覆盖的部分，保证总体光斑搭接率在50％以上，一定程度上避免产生搭接空隙，造成应力集中和突变，甚至成为疲劳裂纹的起始位置。

进一步地，光斑为圆形光斑时，同一行的处理中，每次冲击光斑移动距离不大于前一光斑的半径，处理完成一行后，光斑移动进入下一行时，光斑移动距离不大于前一行的最小光斑的半径。

根据光斑搭接率公式：

$q=(1-\frac{L}{2R})\×100\%$

其中：q为光斑搭接率，L为相邻光斑中心的距离，R为光斑半径。

对相同大小光斑，光斑移动距离等于半径时，光斑搭接率为50％，而对大小变化的光斑，则满足光斑移动距离为最小光斑的半径即可满足光斑搭接率在50％以上。

由于异形透镜11不同区域的曲率不同，实现了照射到待冲击零件9表面激光光线14能量密度的渐变，避免了待冲击零件9较薄区域由于冲击力过大而产生的过量塑性变形。同时满足待冲击零件9不同区域对不用激光能量密度的需求。

实施例一

如图1所示，本实施例包括工控机7、激光器1、光纤2和光线调制装置19，所述光线调制装置19包括外腔体3和底部透光的内腔体4，所述内腔体4通过转轴5设置在外腔体内并通过光纤2与激光器1相连，所述外腔体3外设有能控制转轴5和内腔体4转动的电机6，所述内腔体4下部设有转台15，所述转台15上设有聚焦镜12，所述外腔体3的底部设有与待冲击零件9相配合的异形透镜11，异形透镜通过透镜端盖10固定于外腔体3下方，作为外腔体3的底部，所述电机6和转台15均与工控机7相连接。激光管线14通过光纤2从内腔体4的上方左侧入射，在内腔体4内通过四个反射镜13反射至聚焦镜12，再通过异形透镜11聚焦于待冲击零件9表面，形成激光冲击强化，通过转动转台15调整反射镜13与聚焦镜12间的角度配合，实现激光光线14在异形透镜11上的横向扫描，通过电机6的转动实现内部腔体4的前后摆动进而实现内激光光线14在异形透镜11上的纵向扫描。

如图2所示，区域a为待冲击零件9上需进行激光冲击处理的区域。图3为区域a的截面图，待冲击零件9平放在工作台8上。待冲击零件9的厚度由左至右逐渐变厚，区域a最薄处的厚度为0.21mm，最厚处为0.56mm，对区域a不同厚度区域进行激光冲击处理所需的激光功率密度如表1所示。当激光能量为6J时，区域a表面达到所需激光功率密度的光斑直径如表1所示。

表1

首先选定基准焦距f＝150mm，为得到所需光斑直径d，区域a距离基准焦点的距离l可通过图4所示的几何关系由所需的光斑直径d反算得到

其中 $\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α},\mathrm{\α}=arctan\left(\frac{D/2-ftan\mathrm{\θ}}{f}\right),$ θ为入射角，D为入射光斑直径，d为达到所需激光功率密度待冲击零件表面的光斑直径大小。因此，区域a不同厚度区域对应的异形透镜11的焦距f’修正为f’：

f’＝l_n+f-h-l₀-g

l_n为区域a上不同位置与预选基准焦点间的距离，l₀为待冲击零件最低点与焦点间的距离，g为待冲击零件9由于外形弯曲产生的附加高度。

因此可计算出异形透镜11上对应于区域a表面三处厚度不同的区域的焦距值，区域a其他部分对应的异形透镜11的焦距值可通过插值计算得到。确定异型透镜11不同区域的焦距后，取适当的上下表面曲率r₁、r₂即可得到异型透镜11不同区域的具体厚度及形状，异形透镜11的大小与区域a的面积相当。图3中待冲击零件9最薄、中间及最厚区域对的应异形透镜11焦距及上下表面曲率如表2所示。

表2

待冲击零件厚度	f’(mm)	r1(mm)	r2(mm)
				0.21	152.1	∞	-112.554
0.32	158.3	∞	-117.142
				0.65	127	∞	-93.98

本实施例中光斑为圆形光斑，同一行的处理中，每次冲击光斑移动距离未前一光斑的半径，处理完成一行后，光斑移动进入下一行时，光斑移动距离为前一行的最小光斑的半径。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大批量异形零件激光冲击强化装置，包括工控机、激光器、光纤和光线调制装置，其特征在于：所述光线调制装置包括外腔体和底部透光的内腔体，所述内腔体通过转轴设置在外腔体内并通过光纤与激光器相连，所述外腔体外设有能控制转轴和内腔体转动的电机，所述内腔体下部设有转台，所述转台上设有聚焦镜，所述外腔体的底部设有表面曲率与待冲击零件所需冲击强度相配合的异形透镜，所述电机和转台均与工控机相连接。

2.根据权利要求1所述的大批量异形零件激光冲击强化装置，其特征在于：所述内腔体的内部设有能将激光光线反射至聚焦镜的反射镜。

3.一种大批量异形零件激光冲击强化方法，使用如权利要求1或2所述的大批量异形零件激光冲击强化装置，包括以下步骤：

a.将待冲击零件置于激光调制装置的异形透镜端的对应位置，在待冲击零件表面施加吸收层和水约束层；

b.打开激光器，通过工控机控制转台的转动实现激光光线的横向移动，控制电机的转动实现激光光线的纵向移动；

其特征在于：处理过程中，每次冲击光斑移动距离不大于前一光斑的中心到其边界的最短距离，处理完成一行后，光斑移动进入下一行时，光斑移动距离不大于前一行各光斑的中心到边界的最短距离中的最小值。

4.根据权利要求3所述的大批量异形零件激光冲击强化方法，其特征在于：光斑为圆形光斑时，同一行的处理中，每次冲击光斑移动距离不大于前一光斑的半径，处理完成一行后，光斑移动进入下一行时，光斑移动距离不大于前一行的最小光斑的半径。