CN104232879A

CN104232879A - 一种柔性激光冲击装置及其冲击工件的方法

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Publication number: CN104232879A
Application number: CN201410435409.6A
Authority: CN
Inventors: 周王凡; 任旭东; 徐士东; 任乃飞; 黄晶晶; 卢加兴
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-08-31
Filing date: 2014-08-31
Publication date: 2014-12-24

Abstract

本发明公开了一种柔性激光冲击装置和方法，属于激光冲击强化领域，包括激光头底座和六自由度机械手，激光头底座安装在六自由度机械手上，激光头底座从内到外依次装配激光调焦器和环形水室，激光调焦器安装在激光头底座内部，与环形水室同轴，激光调焦器通过光纤与激光器相连；环形水室通过螺纹与激光头底座相连，环形水室底部开有环形出水口，环形出水口喷出的水倾斜喷在工件的表面；激光调焦器下方设有反射镜片，反射镜片通过锁紧垫圈安装在环形水室的内壁上。工件表面吸收层吸收激光能量产生炮轰波，其中一部分向工件表面传播，另一部分向周围散射。由于谐振腔的存在，原本散射的冲击波通过反射再次作用在工件表面，大大提高了能量的利用率。

Description

一种柔性激光冲击装置及其冲击工件的方法

技术领域

本发明涉及激光冲击强化技术领域，特指一种柔性激光冲击装置和方法。

背景技术

激光冲击强化技术，也称激光喷丸技术。是通过高功率密度（GW/cm量级）、短脉冲（10～30ns量级）的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温（>10 K）、高压（>1GPa）等离子体。该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料表面一定区域内产生塑性变形和复杂的位错结构，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。

在激光冲击强化过程中，需要在待加工表面添加一层约束层以抑制等离子体的自由扩散，得到更集中、更长作用时间的冲击波。常用的约束层材料有石英、玻璃、柔性膜和水等。其中水因为成本低、柔性好，不会因碎裂产生残渣，对复杂形状的零件表面适应性强等优点得到了最广泛的使用，但其有一个主要的缺点是水层的刚度不足，难以提供强大的约束力。

现有的水约束层的实现方式主要有两种，一种是将零件放置到水箱里，进行水下加工；另一种是通过外置的水喷嘴在零件表面形成厚度约为2-3mm的流动水幕。这两种方式各有特点，前一种方式能够获得较为平整的约束层界面，加工过程比较稳定，但是加工系统不够灵活，加工范围受到了水箱尺寸的限制，而且每次冲击后需等待水面平复，加工效率较低。而后一种方式简单、灵活性高，但水层厚度不易控制，水幕偏置于激光束一侧，而且其落点距激光光束需要一定距离，因此在处理某些形状的零件时，可能难以达到激光束和水幕的最佳配合点"另外,上述两种水约束层在高冲击频率下,水层容易飞溅，光路中的水珠和水雾对激光形成散射，严重时可能会附着到光学镜片上，损坏光学镜片。

目前激光冲击所采用的约束方式并不能有效地利用激光诱导冲击波的全部能量。中国专利CN103614541 A“针对工件表面的激光冲击强化装置及激光冲击强化处理方法”，提出了一种带有谐振腔的激光冲击强化装置，但是只能用于平面的冲击，而不能用于复杂加工面。除此之外，目前对于激光冲击不规则平面还没有提供出一种有效的的装置。

发明内容

本发明针对激光冲击强化过程中所存在的问题，提出一种柔性激光冲击装置和方法。利用所提供的装置和方法不仅可以大大提高激光能量的利用效率，而且适用于各种加工表面，灵活性高。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种柔性激光冲击装置，其特征在于，包括激光头底座和六自由度机械手，所述激光头底座安装在所述六自由度机械手上，所述激光头底座从内到外依次装配激光调焦器和环形水室，所述激光调焦器安装在激光头底座内部，与所述环形水室同轴，所述激光调焦器通过光纤与激光器相连；所述环形水室通过螺纹与激光头底座相连，所述环形水室底部开有环形出水口，所述环形出水口喷出的水倾斜喷在工件的表面；所述激光调焦器下方设有反射镜片，所述反射镜片通过锁紧垫圈安装在所述环形水室的内壁上，所述反射镜片、工件上的吸收层、环形出水口喷出的环形水幕三者共同构成密闭的谐振腔。

上述方案中，所述环形出水口处安装有水喷头。

上述方案中，所述反射镜片与所述环形水室的连接处安装有密封圈。

上述方案中，所述环形出水口的轴心线与所述反射镜片的轴心线、所述激光调焦器的轴心线共线。

上述方案中，所述环形水室通过水管与水箱里面的微型水泵连接。

上述方案中，所述水管上还装有压力表。

上述方案中，所述微型水泵、所述激光器和所述六自由度机械手均与计算机连接。

上述方案中，所述反射镜片材料为耐高温高压玻璃或石英。

一种柔性激光冲击装置冲击工件的方法，包含如下步骤：

A.用丙酮、酒精等液体对工件进行清洗、晾干,然后在将铝箔吸收保护层涂覆在金属工件表面；

B.计算机控制六自由度机械手移动激光头底座到工件吸收层表面上方，调整激光头底座与吸收层的相对位置；

C. 计算机控制微型水泵启动，向环形水室内供水，再由水喷头喷出环形水幕至工件的吸收层上，环形水幕、反射镜片和吸收层一起构成密闭的谐振腔。

D.计算机控制Nd:YAG固体脉冲激光器发射激光。该激光波长为532nm，脉宽25ns，脉冲能量5-20J，激光经光纤传至激光调焦器，聚焦后焦点落在吸收层上,吸收保护层吸收激光能量形成冲击波,一部分冲击波直接作用于工件对工件进行强化,另一部分冲击波传向反射镜片内表面,经反射镜片反射聚波后再次形成冲击波,重复作用在工件表面；

E.待激光冲击完毕之后,在计算机的控制下依次关闭激光器与微型水泵，取下工件,最后,去除工件表面残余的吸收保护层。

有益效果：（1）本发明使用的六自由度机械手由计算机控制，可以精确地控制激光束移动到所需的加工位置。（2）本发明采用光水同轴的方式,对冲击强化过程中产生的等离子体进行约束,加工更加灵活,适应性更强。（3）本发明采用计算机监控水压，并控制微型水泵，通过调高水流的流速来提高激光冲击的约束效率。（4）本发明所采用的谐振系统可以对散射的等离子体反射，使其重新聚焦在反射镜焦点处，大大提高了能量利用效率。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是图1中I处局部放大图；

图3是本发明的反射镜片的结构示意图；

图4是本发明的激光冲击工件的方法流程图。

图中：1-六自由度机械手，2-激光器，3-计算机，4-水管，5-水箱，6-微型水泵，7-压力表，8-工件，9-吸收层，10.谐振腔，11-水喷头，12-环形水室，13-激光调焦器14-凸透镜，15-光纤,16-激光头底座，17-密封垫圈，18-锁紧垫圈，20-反射镜片。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1图2和图3所示，一种柔性激光冲击装置，包括激光头底座16和六自由度机械手1，所述激光头底座16安装在所述六自由度机械手1上，所述激光头底座16从内到外依次装配激光调焦器13和环形水室12，所述激光调焦器13安装在激光头底座16内部，与所述环形水室12同轴，所述激光调焦器13通过光纤15与激光器2相连；所述环形水室12通过螺纹与激光头底座16相连，所述环形水室12底部开有环形出水口，所述环形出水口喷出的水倾斜喷在工件8的表面；反射镜片20通过锁紧垫圈18固定在所述环形水室12的内壁面上，位于激光调焦器13下方，所述反射镜片20通过锁紧垫圈(18)安装在所述环形水室12的内壁上，所述反射镜片20、工件8上的吸收层9、环形出水口喷出的环形水幕三者共同构成密闭的谐振腔10。所述环形出水口的轴心线与所述反射镜片20的轴心线、所述激光调焦器13的轴心线共线，所述环形水室12通过水管4与水箱5里面的微型水泵6连接。所述水管4上还装有压力表7。所述微型水泵6、所述激光器2和所述六自由度机械手1均与计算机3连接。所述反射镜片20材料为耐高温高压玻璃或石英。

如图4所示，利用该柔性激光冲击强化装置对工件进行强化处理的处理方法如下:

A.用丙酮、酒精等液体对工件进行清洗、晾干,然后在将铝箔吸收保护层9涂覆在金属工件8表面；

B.计算机3控制六自由度机械手1移动激光头底座16到工件吸收层9表面上方，调整激光头底座16与吸收层9的相对位置；

C. 计算机3控制微型水泵6启动，向环形水室12内供水，再由水喷头11喷出环形水幕至工件8的吸收层9上，环形水幕、反射镜片和吸收层一起构成密闭的谐振腔10。

D.计算机3控制Nd:YAG固体脉冲激光器2发射激光。该激光波长为532nm，脉宽25ns，脉冲能量5-20J，激光经光纤15传至激光调焦器13，聚焦后焦点落在吸收层上,吸收保护层吸收激光能量形成冲击波,一部分冲击波直接作用于工件对工件进行强化,另一部分冲击波传向反射镜片20内表面,经反射镜片20反射聚波后再次形成冲击波,重复作用在工件8表面，计算机3对压力表7进行实时监控，并控制微型水泵6从而获得不同的水流速度以适应工件加工要求；

E.待激光冲击完毕之后,在计算机3的控制下依次关闭激光器2与微型水泵6，取下工件8,最后,去除工件表面残余的吸收保护层9。

Claims

1.一种柔性激光冲击装置，其特征在于，包括激光头底座（16）和六自由度机械手（1），所述激光头底座（16）安装在所述六自由度机械手（1）上，所述激光头底座（16）从内到外依次装配激光调焦器（13）和环形水室（12），所述激光调焦器（13）安装在激光头底座（16）内部，与所述环形水室（12）同轴，所述激光调焦器（13）通过光纤（15）与激光器（2）相连；所述环形水室（12）通过螺纹与激光头底座（16）相连，所述环形水室（12）底部开有环形出水口，所述环形出水口喷出的水倾斜喷在工件（8）的表面；所述激光调焦器（13）下方设有反射镜片（20），所述反射镜片（20）通过锁紧垫圈(18)安装在所述环形水室（12）的内壁上，所述反射镜片（20）、工件（8）上的吸收层（9）、环形出水口喷出的环形水幕三者共同构成密闭的谐振腔（10）。

2.根据权利要求1所述的一种柔性激光冲击装置，其特征在于，所述环形出水口处安装有水喷头（11）。

3.根据权利要求1所述的一种柔性激光冲击装置，其特征在于，所述反射镜片（20）与所述环形水室（12）的连接处安装有密封圈（17）。

4.根据权利要求1所述的一种柔性激光冲击装置，其特征在于，所述环形出水口的轴心线与所述反射镜片（20）的轴心线、所述激光调焦器（13）的轴心线共线。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种柔性激光冲击装置，其特征在于，所述环形水室（12）通过水管（4）与水箱（5）里面的微型水泵（6）连接。

6.根据权利要求5所述的一种柔性激光冲击装置，其特征在于，所述水管（4）上还装有压力表（7）。

7.根据权利要求5所述的一种柔性激光冲击装置，其特征在于，所述微型水泵（6）、所述激光器（2）和所述六自由度机械手（1）均与计算机（3）连接。

8.根据权利要求5所述的一种柔性激光冲击装置，其特征在于，所述反射镜片（20）材料为耐高温高压玻璃或石英。

9.一种柔性激光冲击装置冲击工件的方法，包含如下步骤：

A.用丙酮、酒精等液体对工件进行清洗、晾干,然后在将铝箔吸收保护层（9）涂覆在金属工件（8）表面；

B.计算机（3）控制六自由度机械手（1）移动激光头底座16到工件吸收层（9）表面上方，调整激光头底座（16）与吸收层（9）的相对位置；

C. 计算机（3）控制微型水泵（6）启动，向环形水室12内供水，再由水喷头11喷出环形水幕至工件（8）的吸收层（9）上，环形水幕、反射镜片和吸收层一起构成密闭的谐振腔10;

D.计算机（3）控制Nd:YAG固体脉冲激光器（2）发射激光;该激光波长为532nm，脉宽25ns，脉冲能量5-20J，激光经光纤（15）传至激光调焦器（13），聚焦后焦点落在吸收层上,吸收保护层吸收激光能量形成冲击波,一部分冲击波直接作用于工件对工件进行强化,另一部分冲击波传向反射镜片（20）内表面,经反射镜片（20）反射聚波后再次形成冲击波,重复作用在工件(8)表面；

E.待激光冲击完毕之后,在计算机（3）的控制下依次关闭激光器（2）与微型水泵（6），取下工件（8）,最后,去除工件表面残余的吸收保护层（9）。