CN105907941B - 一种水下激光冲击强化回转体部件表面的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下激光冲击强化回转体部件表面的装置与方法。包括激光发生系统，光束调节系统和工件系统，激光发生系统由高功率脉冲激光发生装置和激光加工头组成，激光加工头和工件系统均位于反应容器内；通过电机带轮箱,同步带,直线滑轨等构成一个光束调节系统,光束经过两次转向，可实现X、Y平面的任一点照射。高功率脉冲激光发生装置发出强激光通过光束调节系统聚焦于回转体部件表面上，等离子体爆炸形成的爆轰波高速冲击回转体部件表面形成一次冲击波；高功率脉冲激光击穿水溶液时在回转体部件表面附近产生大量的空泡，溃灭后形成二次冲击波，提高了回转体部件的接触强度和抗疲劳断裂性能，改善回转体部件的耐磨性和耐应力腐蚀性。

Description

一种水下激光冲击强化回转体部件表面的装置与方法

技术领域

本发明属于回转体部件表面强化处理技术，特指一种水下激光冲击强化回转体部件表面的装置与方法。

背景技术

回转体部件是现代工业设备中一种广泛出现的元器件，例如使用反渗透海水淡化技术就需要一种高容高压泵，为了避免腐蚀，泵的材料一般选用双相不锈钢，其中环、套筒或衬套等一些回转体部件的表面硬度就显得尤为重要，回转体部件的表面硬化，不仅可以大大降低粘滞作用，还可以延长组件的使用寿命，减少更换，节约很大的维修成本。

通过电机带轮箱,同步带,直线滑轨等构成一个光束调节系统,三个电机带轮箱安装在同一根直线滑轨上，可同时沿Y方向左右进给运动，同时X向直线滑轨中部的电机带轮箱可自由沿X方向前后进给运动。全反镜安装在电机带轮箱上，光束照射到全反镜后可进行90度的转向，经过两次转向，可将光束垂直向下照射。结合电机带轮箱X、Y向的自由进给，从而可实现激光头在X、Y平面的任一点照射。结合电机齿轮箱和齿条的升降运动，将激光焦点对准在工件正上表面，利用电机带轮箱Y轴向的进给运动，实现工件Y向的连续冲击。

表面激光冲击强化是一种新型的表面强化技术，其热影响区小，能量清洁无污染，还可以克服传统的表面强化工艺的硬化层分布不均、变形大、能耗高等缺点。而水下激光冲击利用水介质约束气化物的扩散，来增强激光冲击波效果，同时利用激光击穿水溶液产生空泡溃灭现象进一步加强材料冲击强化效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光束可调节的水下激光冲击强化回转体部件表面的装置和方法，用来提高回转体表面冲击强化的质量和效率，减少回转体表面强化工艺的能耗。

本发明采用的技术方案为：一种水下激光冲击强化回转体部件表面的装置，包括激光发生系统和位于激光发生系统下方的反应容器，所述反应容器底部设有工作台，所述工作台上安装有回转体部件夹具，所述回转体部件夹具用来固定回转体部件并带动回转体部件进行转动；所述反应容器上方一侧设有第一固定横梁，另外一侧设有第二固定横梁，所述第一固定横梁和所述第二固定横梁均通过支撑杆固定支撑，所述第一固定横梁和所述第二固定横梁的两端分别通过第一Y向直线滑轨和第二Y向直线滑轨连接，所述第一Y向直线滑轨和所述第二Y向直线滑轨之间设有X向直线滑轨；所述X向直线滑轨通过第一电机带轮箱与所述第一Y向直线滑轨连接，所述X向直线滑轨通过第二电机带轮箱与所述第二Y向直线滑轨连接，所述X向直线滑轨上还安装有第三电机带轮箱，所述第一固定横梁和所述第二固定横梁上均安装有若干第四电机齿轮箱，所述第四电机齿轮箱通过齿条装置带动所述工作台整体上下运动；所述第三电机带轮箱下方固定安装有激光加工头，所述激光发生系统发出的激光依次通过第一电机带轮箱上的第一全反镜、第三电机带轮箱上的第二全反镜后反射给所述激光加工头。

上述方案中，所述回转体部件夹具包括卡盘传动箱、三爪卡盘、支撑轴、螺母和顶尖；所述三爪卡盘固定在所述卡盘传动箱内，三爪卡盘内卡装有支撑轴，所述支撑轴末端设有和螺母相配合的螺纹，支撑轴端面中心孔与所述顶尖配合实现对支撑轴的整体支撑定位；所述卡盘传动箱和所述顶尖均位于所述的工作台上。

上述方案中，还包括流量调节器、储液箱和电泵，所述流量调节器一端与储液箱相连，另一端通过电泵与反应容器的入水口相连，所述反应容器的出水口与储液箱相连。

上述方案中，所述激光发生系统包括高功率脉冲激光发生装置和准直扩束镜，所述准直扩束镜由聚焦透镜和凹透镜组成。

上述方案中，所述第一电机带轮箱、所述第二电机带轮箱、所述第三电机带轮箱和所述第四电机齿轮箱均与数字控制器连接，所述数字控制器、所述高功率脉冲激光发生装置、所述流量调节器均与计算机连接。

本发明还提供了一种水下激光冲击强化回转体部件表面的方法，包含以下步骤：A预处理回转体部件：用无水乙醇清洗回转体部件表面，然后在回转体部件表面均匀喷涂黑漆；B回转体部件的定位夹紧：将支撑轴一端固定在三爪卡盘里，把预处理后的回转体部件放置在支撑轴上，拧紧支撑轴上的螺母，实现回转体部件在支撑轴上的定位夹紧；用顶尖顶住支撑轴端面的中心孔后摇动顶尖手柄锁紧顶尖，摇动三爪卡盘手柄实现支撑轴的定位夹紧；C调节数字控制器控制所述第一电机带轮箱、所述第二电机带轮箱、所述第三电机带轮箱和所述第四电机齿轮箱，使得激光光斑中心位于回转体部件的正上表面上，激光束垂直入射回转体部件的上表面；D向反应容器内注入水溶液至水面超过回转体部件最高处15~30cm，调节流量调节器设置流量为0.65~1L/s，打开电泵使水溶液循环流动；E打开高功率脉冲激光发生装置，通过计算机设置激光参数，高功率激光发生装置发出激光通过激光加工头将激光聚焦到回转体部件的上表面，数字控制器控制所述第一电机带轮箱、所述第二电机带轮箱、所述第三电机带轮箱和所述第四电机齿轮箱的进给和卡盘传动箱的转动速度来进行回转体部件表面的激光冲击强化过程；F关闭所有装置，将冲击处理后的回转体部件拆卸后，清除表面剩余的黑漆并用乙醇将表面清洗干净。

上述方案中，在所述螺母和所述回转体部件之间设置一个垫片。

上述方案中，步骤A中的黑漆厚度为0.16~0.4mm。

上述方案中，激光的扫射速度为140~180mm/min，回转体部件旋转一周后，第一电机带轮箱和第二电机带轮箱分别沿第一Y向直线滑轨和第二第一Y向直线滑轨移动3mm后继续下一周的激光冲击处理，如此循环直至完成整个表面的加工。

上述方案中，高功率激光发生装置发出激光的激光参数为：激光波长1064nm，脉宽30ns，光斑直径6mm，激光能量25~50J，频率5Hz。

本发明的有益效果：1. 回转体部件经过水下激光冲击强化处理后，在表层和亚表层发生塑性变形，形成均匀稳定的位错、细化的晶粒，在材料表层产生残余压应力，从而有效地提高回转体部件的接触强度和抗疲劳断裂性能，改善回转体部件的耐磨性和耐应力腐蚀性；2. 激光冲击处理不改变回转体部件的尺寸精度，与在空气介质中的激光冲击强化工艺相比，水溶液的存在产生的空泡不仅强化了激光冲击的效果，又节约了能量；3. 使用光束调节系统，不仅可以实现激光在回转体表面的快速对焦，还可以实现高强度脉冲激光在回转体表面Y方向的连续冲击。

附图说明

图1为本发明装置的结构原理图。

图2为第一电机带轮箱、第二电机带轮箱、第三电机带轮箱和第四电机齿轮箱的位置示意图。

图中：1.工作台；2.反应容器；3.出水口；4.入水口；5.电泵；6.储液箱；7.流量调节器；8.计算机；9.数字控制器；10.高功率脉冲激光发生装置；11.准直扩束镜；12.聚焦透镜；13.凹透镜；14.激光束；15.第一全反镜；16.第一电机带轮箱；17.同步带；18.第三电机带轮箱；19.第二全反镜；20.激光加工头；21.聚焦透镜；22.保护镜；23.第四电机齿轮箱；24.齿条装置；25.卡盘传动箱；26.三爪卡盘；27.三爪卡盘手柄；28.支撑轴；29.回转体部件；30.垫片；31.螺母；32.顶尖；33.顶尖手柄；34.锁紧手柄；351.第一Y向直线滑轨；352.固定架支撑杆；353.X向直线滑轨；354.第二Y向直线滑轨；355.第一固定横梁；356.第二固定横梁；36.第二电机带轮箱。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行更详细的说明。

如图1和图2所示，一种水下激光冲击强化回转体部件表面的装置，包括激光发生系统，光束调节系统和工件系统，所述激光发生系统由高功率脉冲激光发生装置10和激光加工头20组成，激光加工头20和所述工件系统均位于反应容器2内；所述反应容器2上方一侧设有第一固定横梁355，另外一侧设有第二固定横梁356，所述第一固定横梁355和所述第二固定横梁356均通过支撑杆352固定支撑，所述光束调节系统由第一全反镜15、第二全反镜19、第一电机带轮箱16、第二电机带轮箱36、第三电机带轮箱18、第四电机齿轮箱23、同步带17、第一Y向直线滑轨351、X向直线滑轨353、第二Y向直线滑轨354等组成，第一电机带轮箱16、第二电机带轮箱36、第三电机带轮箱18安装在同一根X向直线滑轨353上，在第一电机带轮箱16、第二电机带轮箱36的驱动下，可带动激光加工头20沿Y方向左右进给运动，第三电机带轮箱18安装在X轴直线滑轨353的中部，带动激光加工头20可实现X方向前后进给运动。第一全反镜15安装在第一电机带轮箱16上，第二全反镜19安装在第三电机带轮箱18上，激光束沿第一Y向直线滑轨照射到第一全反镜15上后进行90度的转向，变为沿X向，再经第二全反镜19反射后，沿负Z轴方向竖直向下照射。结合第一电机带轮箱16、第二电机带轮箱36、第三电机带轮箱18沿X、Y向的自由进给，从而可实现X、Y平面的任一点照射。结合第四电机齿轮箱23及齿条装置24的升降运动，将激光焦点对准在工件正上表面，利用第一电机带轮箱16、第二电机带轮箱36沿Y轴向的进给运动，带动激光头可实现工件Y向的连续冲击；所述工件系统包括数字控制器9，卡盘传动箱25、三爪卡盘26、支撑轴28、螺母31、顶尖32、工作台1和电机齿轮箱23、齿条装置24，所述三爪卡盘26固定在所述的卡盘传动箱25内，所述支撑轴末端设有和螺母31相配合的螺纹，其中端面中心孔与所述顶尖32配合实现对支撑轴28的整体支撑定位；所述卡盘传动箱25和所述顶尖32均位于所述的工作台1上，所述第四电机齿轮箱23安装在固定横梁35的两侧，所述齿条装置24一端固定安装在工作台1上，另一端安装在第四电机齿轮箱23内；所述数字控制器9通过控制所述第四电机齿轮箱23及相连接的齿条装置24来调节所述工作台1的上下位移；所述数字控制器9通过控制所述卡盘传动箱25的转动来调节支撑轴28的转速和转向；所述数字控制器9通过控制所述第一电机带轮箱16、第二电机带轮箱36实现光束的Y方向移动；所述数字控制器9通过控制所述第三电机带轮箱18实现光束的X方向移动。本实施例还包括一个辅助系统；所述辅助系统由流量调节器7、储液箱6和电泵5组成，所述流量调节器7一端与储液箱6相连，另一端通过电泵5与反应容器2的入水口4相连，所述反应容器2的出水口3与储液箱6相连。通过电泵5使反应容器2内的水溶液循环流动，所述流量调节器7控制反应容器2内水溶液的流动速度。所述高功率脉冲激光发生装置10、所述数字控制器9和所述流量调节器7均由计算机8控制。

实施例：回转体部件的材料为双相不锈钢，将支撑轴左端插入三爪卡盘26内，将回转体部件29用垫片30和螺母31固定夹紧于支撑轴上，拧紧顶尖手柄33、三爪手柄27和锁紧手柄34将支撑轴固定锁紧。调节数字控制器控制工作台升降、通过光束调节系统调节激光束，使其垂直入射回转体表面最高点处，打开激光器设置激光参数：波长1064nm，脉宽20ns，激光能量30J，频率5Hz，光斑直径6mm。向反应容器2内注入水溶液，使其超过回转体最高点20cm，设置流量调节器9，使其流量为0.8L/s，打开电泵5使反应容器2内水溶液循环流动。开始激光冲击过程。设置数字控制器9，使激光的扫射速度为140~180mm/min，回转体部件旋转一周后，暂停激光器，设置数字控制器9，通过光束调节系统中电机带轮箱使激光束沿Y轴方向移动3mm后继续下一周的激光冲击处理，如此循环直至完成整个表面的冲击加工。冲击完成后，关闭电源，取下回转体部件，清除表面残余的黑漆并用乙醇清洗干净表面。

高功率脉冲激光发生装置发出强激光通过光束调节系统聚焦于回转体部件表面上，等离子体爆炸形成的爆轰波高速冲击回转体部件表面形成一次冲击波；高功率脉冲激光击穿水溶液时在回转体部件表面附近产生大量的空泡，空泡继续吸收激光能量后膨胀，溃灭后内部的高压气体冲击回转体部件表面形成二次冲击波，有效地提高回转体部件的接触强度和抗疲劳断裂性能，改善回转体部件的耐磨性和耐应力腐蚀性将水下冲击强化完成后的回转体部件通过X射线应力测定仪测量残余应力，发现冲击处理后的回转体表面拥有很大的残余压应力，对提高回转体表面的性能起到了积极的作用。

Claims (10)

1.一种水下激光冲击强化回转体部件表面的装置，其特征在于，包括激光发生系统和位于激光发生系统下方的反应容器（2），所述反应容器（2）底部设有工作台（1），所述工作台（1）上安装有回转体部件夹具，所述回转体部件夹具用来固定回转体部件并带动回转体部件进行转动；所述反应容器（2）上方一侧设有第一固定横梁（355），另外一侧设有第二固定横梁（356），所述第一固定横梁（355）和所述第二固定横梁（356）均通过支撑杆（352）固定支撑，所述第一固定横梁（355）和所述第二固定横梁（356）的两端分别通过第一Y向直线滑轨（351）和第二Y向直线滑轨（354）连接，所述第一Y向直线滑轨（351）和所述第二Y向直线滑轨（354）之间设有X向直线滑轨（353）；所述X向直线滑轨（353）通过第一电机带轮箱（16）与所述第一Y向直线滑轨（351）连接，所述X向直线滑轨（353）通过第二电机带轮箱（36）与所述第二Y向直线滑轨（354）连接，所述X向直线滑轨（353）上还安装有第三电机带轮箱（18），所述第一固定横梁（355）和所述第二固定横梁（356）上均安装有若干第四电机齿轮箱（23），所述第四电机齿轮箱（23）通过齿条装置（24）带动所述工作台（1）整体上下运动；所述第三电机带轮箱（18）下方固定安装有激光加工头（20），所述激光发生系统发出的激光依次通过第一电机带轮箱（16）上的第一全反镜（15）、第三电机带轮箱（18）上的第二全反镜（19）后反射给所述激光加工头（20）。

2.根据权利要求1所述的一种水下激光冲击强化回转体部件表面的装置，其特征在于，所述回转体部件夹具包括卡盘传动箱（25）、三爪卡盘（26）、支撑轴（28）、螺母（31）和顶尖（32）；所述三爪卡盘（26）固定在所述卡盘传动箱（25）内，三爪卡盘（26）内卡装有支撑轴（28），所述支撑轴（28）末端设有和螺母（31）相配合的螺纹，支撑轴（28）端面中心孔与所述顶尖（32）配合实现对支撑轴（28）的整体支撑定位；所述卡盘传动箱（25）和所述顶尖（32）均位于所述的工作台（1）上。

3.根据权利要求1或2所述的一种水下激光冲击强化回转体部件表面的装置，其特征在于，还包括流量调节器（7）、储液箱（6）和电泵（5），所述流量调节器（7）一端与储液箱（6）相连，另一端通过电泵（5）与反应容器（2）的入水口（4）相连，所述反应容器（2）的出水口（3）与储液箱（6）相连。

4.根据权利要求3所述的一种水下激光冲击强化回转体部件表面的装置，其特征在于，所述激光发生系统包括高功率脉冲激光发生装置（10）和准直扩束镜（11），所述准直扩束镜（11）由聚焦透镜（12）和凹透镜（13）组成。

5.根据权利要求4所述的一种水下激光冲击强化回转体部件表面的装置，其特征在于，所述第一电机带轮箱（16）、所述第二电机带轮箱（36）、所述第三电机带轮箱（18）和所述第四电机齿轮箱（23）均与数字控制器（9）连接，所述数字控制器（9）、所述高功率脉冲激光发生装置（10）、所述流量调节器（7）均与计算机（8）连接。

6.一种水下激光冲击强化回转体部件表面的方法，包含以下步骤：

预处理回转体部件：用无水乙醇清洗回转体部件表面，然后在回转体部件表面均匀喷涂黑漆；

回转体部件的定位夹紧：将支撑轴（28）一端固定在三爪卡盘（26）里，把预处理后的回转体部件（29）放置在支撑轴上，拧紧支撑轴上的螺母（31），实现回转体部件在支撑轴上的定位夹紧；用顶尖（32）顶住支撑轴端面的中心孔后摇动顶尖手柄（33）锁紧顶尖，摇动三爪卡盘手柄（27）实现支撑轴的定位夹紧；

调节数字控制器控制第一电机带轮箱（16）、第二电机带轮箱（36）、第三电机带轮箱（18）和第四电机齿轮箱（23），使得激光光斑中心位于回转体部件的正上表面上，激光束垂直入射回转体部件的上表面；

向反应容器（2）内注入水溶液至水面超过回转体部件（29）最高处15~30cm，调节流量调节器（7）设置流量为0.65~1L/s，打开电泵（5）使水溶液循环流动；

打开高功率脉冲激光发生装置（10），通过计算机（8）设置激光参数，高功率激光发生装置发出激光通过激光加工头（20）将激光聚焦到回转体部件的上表面，数字控制器（9）控制第一电机带轮箱（16）、第二电机带轮箱（36）、第三电机带轮箱（18）和第四电机齿轮箱（23）的进给和卡盘传动箱的转动速度来进行回转体部件表面的激光冲击强化过程；

关闭所有装置，将冲击处理后的回转体部件拆卸后，清除表面剩余的黑漆并用乙醇将表面清洗干净。

7.根据权利要求6所述的一种水下激光冲击强化回转体部件表面的方法，其特征在于，在所述螺母（31）和所述回转体部件（29）之间设置一个垫片（30）。

8.根据权利要求6所述的一种水下激光冲击强化回转体部件表面的方法，其特征在于，步骤A中的黑漆厚度为0.16~0.4mm。

9.根据权利要求6所述的一种水下激光冲击强化回转体部件表面的方法，其特征在于，激光的扫射速度为140~180mm/min，回转体部件旋转一周后，第一电机带轮箱（16）和第二电机带轮箱（36）分别沿第一Y向直线滑轨（351）和第二Y向直线滑轨（354）移动3mm后继续下一周的激光冲击处理，如此循环直至完成整个表面的加工。

10.根据权利要求6~9所述的任意一种水下激光冲击强化回转体部件表面的方法，其特征在于，高功率激光发生装置发出激光的激光参数为：激光波长1064nm，脉宽30ns，光斑直径6mm，激光能量25~50J，频率5Hz。