CN108262563A - 一种随动式激光冲击强化处理装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种光水同轴的随动式激光冲击强化装置，其采用了随动式的吸收带输送方式，通过喷水装置喷出一定压力的水，将吸收带紧贴工件，随着电机的转动，激光冲击强化处理的同时输送吸收带，即可完成针对工件表面的激光冲击强化处理过程。由于本发明使用的吸收带不贴附于工件表面，且处理后表面光洁、无污垢，因此不需要进行前后处理即可完成激光冲击强化处理过程，同时解决了水膜不稳定问题，可以高效率进行激光冲击强化处理。所述装置包括激光输入单元、调焦单元、保护镜片、送带单元和喷头单元。本发明申请公开了采用上述装置的光水同轴的随动式激光冲击强化处理方法。
Description
技术领域
本发明属于材料加工领域，涉及激光冲击强化技术，具体地说是一种新型激光冲击强化处理装置。
背景技术
激光冲击强化技术(Laser Shocking Peening，LSP)是利用高能量密度，短脉宽的脉冲激光冲击材料，在材料表面产生等离子体，其产生GPa级冲击波作用于材料表面并向内部传播，使材料表面一定区域内产生塑性变形和位错结构，形成残余压应力，进而提高零件的疲劳强度和抗腐蚀能力。目前，激光冲击强化技术已经在航空、船舶、机械工程等领域得到了广泛应用，尤其是用于航空发动机叶片的抗疲劳处理。
如图1、2所示，现有的激光冲击强化处理装置包括激光发生单元，位于工件表面的吸收保护层，以及位于吸收保护层表面的约束层。约束层的功能是让激光能量穿过并作用于吸收保护层，同时提高冲击波耦合效率。目前普遍采用光学玻璃等固体材料作为约束层，或者采用水膜等柔性材料作为透明约束层。吸收保护层的主要作用是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收。目前普遍使用特种黑漆、柔性胶带或一定厚度的金属箔片等作为吸收保护层。
常规激光冲击强化处理使用侧面喷水形成水膜约束层受边沿或凸起结构影响严重，难以形成稳定约束层。同时常规的激光冲击强化处理通常采用在工件表面贴上金属箔片、黑色胶带或涂覆特种黑漆等形式。涂覆黑漆的优点是对各种不规则曲面贴合性良好，缺点是在喷涂后需要等待其干燥，然后才可以施加约束层进行冲击强化处理，生产效率低下；若采用铝箔贴层，则对倒角、不规则曲面的贴合性不好，影响强化质量。工件处理后，还需要想办法去除工件表面黑漆(见图2a)、胶带(见图2b)或箔片(见图2c)，费时费力，难以实现大规模、高效率生产应用，阻碍了产业化进程。
另外使用水溶性涂料，喷涂涂层后(前处理)无需干燥即可进行冲击强化处理，处理完之后使用高压水去除涂层(后处理)，存在加工效率不足及水污染等问题。综上所述，激光冲击强化处理工艺虽然效果突出，但目前的加工工艺普遍需要前处理、后处理、多次处理及个性化定制工艺，效率低下、成本偏高，因此需要发展一种更加高效的强化处理工艺方法。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种光水同轴的随动式激光冲击强化装置，其采用了随动式的吸收带输送方式，通过喷水装置喷出一定压力的水，将吸收带紧贴工件，随着电机的转动，激光冲击强化处理的同时输送吸收带，即可完成针对工件表面的激光冲击强化处理过程。由于本发明使用的吸收带不贴附于工件表面，且处理后表面光洁、无污垢，因此不需要进行前后处理即可完成激光冲击强化处理过程，同时解决了水膜不稳定问题，可以高效率进行激光冲击强化处理。
所述装置包括保护镜、送带单元和喷头单元；
所述送带单元包括电机和吸收带，所述电机通过传动机构带动所述吸收带移动，所述吸收带穿过所述喷水单元喷出的水柱。
优选地，所述随动式激光冲击强化装置包括激光输入单元、调焦单元；所述激光输入单元的一端连接并引入光源，另一端与所述调焦单元连接且光路相通；所述聚焦单元的另一端与所述喷水单元连接。
优选地，所述喷水单元包括保护镜片、进水接管和喷头。
优选地，所述电机为同步电机，所述同步电机的步进频率与所述随动式激光冲击强化装置的冲击强化工作频率谐调工作。所述装置每进行一个激光脉冲，所述同步电机即带动所述吸收带移动一段距离或带子持续高速运动。所述吸收带每次冲击移动的距离，由本领域技术人员可根据待加工工件的加工需求和激光光斑尺寸确定。
优选地，所述送带单元包括吸收带固定结构，所述吸收带固定结构固定连接于所述喷水单元的喷水出口处，所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷水单元喷出的水柱中央。进一步优选地，所述吸收带固定结构是所述喷水单元中喷头出水口的一部分。作为一个具体的实施方式，所述吸收带固定结构是所述喷水单元中喷头出水口部分的吸收带约束结构。进一步具体地，所述吸收带固定结构是所述喷水单元中喷头出水口部分侧壁相对设置的两个缝隙形成吸收带限位结构。所述吸收带从其中一个缝隙穿入并穿过所述喷水单元喷出的水柱后从另一个缝隙穿出。
优选地，所述喷头出水口端部设置有突起结构以限位的方式形成吸收带的固定结构；所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷水单元喷出的水柱中央。请参阅图6。
所述吸收带可选用颜色较深、不含粘性胶层、不易扯断的光滑柔软膜带。
优选地，所述吸收带的厚度为0.01mm至0.5mm的柔性膜带。
作为一个优选地实施方式，所述吸收带厚度为0.1mm。
作为本申请的一种实施方式，所述吸收带为对10640nm、1064nm、800nm、532nm、517nm、355nm中至少一个波长的激光之吸收率不低于95％。
作为本申请的一种实施方式，所述吸收带为对波长355nm至10640nm的激光的吸收率不低于95％。
作为本申请的一种实施方式，所述吸收带为对10640nm、1064nm、800nm、532nm、517nm、355nm中至少一个波长的激光之吸收率为95％至99.99％。
优选地，所述吸收带拉伸强度大于30N/cm。
进一步优选地，所述吸收带拉伸强度范围30N/cm至3000N/cm。
更进一步优选地，所述吸收带拉伸强度范围30N/cm至300N/cm的厚度为0.01mm至0.5mm的柔性膜带。
优选地，所述吸收带表面不含粘性胶层。
优选地，所述传动机构包括至少一个输送轮和至少一个涨紧轮。
进一步优选地，所述输送轮或涨紧轮可以是定轮、动轮或其它形式的光滑结构。
优选地，所述调焦单元可以是旋钮方式，通过锥齿轮组机构、凸轮机构或其它形式将旋转运动转化为上下直线运动，能够保证聚焦镜精密微调作用。
优选地，在不影响加工质量前提下，所述冲击头可以设置细而长，能够到达常规激光冲击加工无法到达的隐蔽部位进行表面强化处理。
优选地，所述喷水单元包括喷头，所述喷头的出水端侧壁具有相对设置的两个缝隙或端部两侧突起以形成吸收带限位固定结构，所述吸收带从其中一个缝隙穿入并穿过所述喷水单元喷出的水柱后从另一个缝隙穿出；所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷水单元喷出的水柱中央。
优选地，所述喷水单元包括喷头，所述喷头的出水口端部设置有突起结构以限位的方式形成吸收带的固定结构；所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷水单元喷出的水柱中央。
本申请中，所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷水单元喷出的水柱中央，是指激光的光斑以及同轴的水柱的中轴线能够指向所述吸收带的中央。
优选地，所述喷水单元包括保护镜片、喷水套筒、进水接管、喷头；
所述喷水套筒一端固定有所述保护镜片且与所述聚焦镜的光线出射方向连接，所述喷水套筒另一端与所述喷头连接；所述保护镜片将所述喷水单元与所述聚焦镜的空间分隔开；
所述喷水套筒的侧壁上设有所述进水接管。
优选地，所述冲击喷水有以下作用：(1)通过喷水压力使吸收层紧贴工件表面；(2)可作为约束层，能够约束等离子体的膨胀，提高冲击波的峰值和作用次数；(3)可去除工件表面污垢。
进一步优选地，在冲击加工之前冲击喷水端面至工件表面距离应大于等于0.1mm。使柔性贴膜不因摩擦阻力加大而扯断。更进一步优选地，在冲击加工之前冲击喷水端面至工件表面距离应为0.1mm至0.5mm。
优选地，所述激光冲击强化处理方式有以下三种方式：
(1)激光冲击头活动，对固定工件进行表面加工；
(2)激光冲击头固定，工件活动进行表面加工；
(3)激光冲击头与工件两者均活动。
根据本申请的一个方面，提供了一种光水同轴的随动式激光冲击强化处理方法，其采用了随动式的吸收带输送方式，通过喷水装置喷出一定压力的水，将吸收带紧贴工件，随着电机的转动，激光冲击强化处理的同时输送吸收带，即可完成针对工件表面的激光冲击强化处理过程。由于本发明使用的吸收带不贴附于工件表面，且处理后表面光洁、无污垢，因此不需要进行前后处理即可完成激光冲击强化处理过程，同时解决了水膜不稳定问题，可以高效率进行激光冲击强化处理。该方法采用上述任一项所述装置，操作步骤如下：
a)水进入喷水单元内形成水腔，并从喷水单元的喷头底部喷出，吸收带在水柱的冲击压力下紧贴工件表面；
b)激光光束通过保护镜片同轴通过喷水单元内的水腔以及喷头喷出的水柱射向步骤a)所述紧贴工件表面的吸收带，进行一次激光冲击强化；
c)所述装置与所述工件相对移动至下一个冲击位点，同时所述电机带动所述吸收带移动超过激光光斑的距离，重复步骤b)的激光冲击强化处理过程。
优选地，所述步骤a)所述装置的喷头底部与所述工件表面的距离大于等于0.1mm。
优选地，所述步骤b)中激光光束为脉宽小于100纳秒、功率密度大于1GW/cm2的脉冲激光。
进一步优选地，所述步骤b)中所述脉冲激光的波长为10640nm、1064nm、800nm、532nm、517nm和/或355nm。
优选地，所述步骤c)中所述装置与所述工件相对移动的方式选自以下三种方式的至少一种：
(1)所述装置活动，所述工件固定，以实现相对移动；
(2)所述装置固定，所述工件活动，以实现相对移动；
(3)所述装置与所述工件均活动，以实现相对移动。
本申请有益效果包括：所提供的光水同轴随动式激光冲击强化装置采用随动式的光滑柔软膜带，可以边冲击处理、边走带，不需要进行繁琐的前后处理即可完成激光冲击强化处理工艺，具有高效进行激光冲击强化处理的优势，并可以在一次运动中任意设置工件的冲击强化处理重叠率。
附图说明
图1常规激光冲击强化处理方法示意图。
图2常规激光冲击处理工艺流程图。
图3本申请一种实施方式中随动式激光冲击强化处理方法示意图。
图4本申请一种实施方式中随动式激光冲击处理工艺流程图。
图5本申请一种实施方式中随动式激光冲击强化前状态示意图。
图6本申请一种实施方式中随动式激光冲击强化处理过程示意图。
图7本申请一种实施方式中随动式吸收带位置一种设置方式剖面图。
图8本申请一种实施方式中随动式吸收带位置一种设置方式剖面图。
图9本申请一种实施方式中随动式吸收带位置一种设置方式的三维示意图。
图10本申请一种实施方式中随动式激光冲击强化移动方式示意图。
图11本申请一种实施方式中吸收带与工件相对运动及冲击重叠率。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如图3至图8所示，本申请的随动式激光冲击强化装置工作时，该激光冲击强化装置利用短激光脉冲(脉宽50纳秒)、功率密度2GW/cm2的532nm脉冲激光通过透明约束层(本申请为水)，作用于工件表面的吸收带上。吸收带吸收激光能量后迅速气化，形成稠密的高温、高压等离子体，等离子体急剧膨胀，形成冲击波，冲击波强度可达数个GPa(109Pa)量级，远高于许多工件材料的屈服强度；该冲击波穿过吸收保护层，作用于工件表面并向其内部传播，使工件产生塑性变形和残余压应力场，位错密度增加，晶粒细化，硬度升高，从而显著提高材料的抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能。
具体而言，本申请的随动式激光冲击强化装置工作时，如图3所示，所述装置包括保护镜、送带单元和喷头单元。水由进水接管进入喷水套筒内形成水腔，并由水喷头底部的出口喷出。激光光束经由光路输入模块照射在聚焦镜上，光束经过聚焦镜的聚焦后，通过保护镜片同轴射向喷水套筒内形成的水腔以及喷头喷出的水柱，射向底部的随动式吸收层。
请继续参阅图3，喷水单元包括保护镜、进水接管和喷头。喷头的上端固定有保护镜且与调焦单元连接，光线出射方向穿过保护镜，保护镜将图3中所示的上部光路部分空间与下部水腔部分的空间分隔开。喷水的侧壁上设有进水接管，用于连接水源。
如图5所示，本申请的随动式激光冲击强化装置的喷头出水端侧壁具有相对设置的两个缝隙，形成了送带单元的吸收带固定结构，放大图见图7和图8。图7中喷头的出水口端部设置有突起结构以限位的方式形成吸收带的固定结构；所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷头喷出的水柱中央。图8中吸收带从喷头底部两端的缝隙中的一个缝隙穿入并穿过喷头喷出的水柱后从另一个缝隙穿出，使得吸收带只能沿缝隙限定的路线一维移动，因此吸收带固定结构能够在吸收带移动的时候时刻保持在喷头喷出的水柱中央，其三维示意图见图9。
请继续参阅图5，为本申请的随动式激光冲击强化装置的初始状态，输入的脉冲激光光束经由聚焦镜聚焦后，通过保护镜片同轴射向喷水套筒内形成的水腔以及喷头喷出的水柱，射向底部的随动式吸收层。喷头底部与所述工件表面的距离大于等于0.1mm，以避免碰撞，以及避免吸收带引接触摩擦力产生不必要的拉力而对激光冲击强化处理过程产生影响甚至拉断。在工作状态，喷头喷水的情况下，水压即可将吸收带贴紧工件表面，如图6所示。
吸收带可选自铝箔带以及其他金属箔带，还可以选自颜色较深的有机聚合物带，也可选用颜色较深、不含粘性胶层、不易扯断的光滑柔软膜带。本申请中，选取0.1mm的黑色胶带(无粘性胶层)作为吸收带，吸收带拉伸强度35N/cm，对532nm激光的吸收率大于98％，吸收带的宽度不超过喷头的外径且能穿过喷头上的缝隙(吸收带固定结构)均可。
本申请的随动式激光冲击强化装置的激光冲击强化操作步骤如下：
a)水进入喷水单元内形成水腔，并喷水单元的喷头底部喷出，吸收带在水柱的冲击压力下紧贴工件表面；
b)激光光束通过保护镜片同轴通过喷水单元内的水腔以及喷头喷出的水柱射向步骤a)所述紧贴工件表面的吸收带，进行一次激光冲击强化；
c)所述装置与所述工件相对移动至下一个冲击位点，同时所述电机带动所述吸收带移动超过激光光斑的距离，重复步骤b)的激光冲击强化过程。
同步电机的步进频率与脉冲激光冲击强化工作频率谐调，实现脉冲激光冲击一次、同步电机拉动吸收带前进一段的效果，以保证连续的冲击而不击穿，如图4所示。
如图10所示，调节吸收带VB与工件VW速度，可以进行一次行程实现任意重迭率的激光冲击强化处理(LSP)，可以方便地对工件进行均匀的或发散的LSP。例如，在冲击频率和吸收带VB一定的情况下，工件VW减慢则会提高激光冲击强化处理的重迭率，如图11所示，图11由上至下三行的冲击区域分别为工件VW依次减慢得到，以满足不同的工件LSP重迭率需要。
图10所示为装置固定，工件移动的方式，以实现相对移动。还可以采用装置活动，工件固定，以实现相对移动得到VW。也可以采用装置与所述工件均活动，以实现相对移动得到VW。
本申请的具体实施方式中，吸收带的厚度分别选取0.01mm和0.5mm进行了激光冲击强化处理，均能达到对工件进行有效的激光冲击强化效果。
本申请的具体实施方式中，分别选取10640nm、1064nm、800nm、517nm和355nm的脉冲激光进行了激光冲击强化处理，均能达到对工件进行有效的激光冲击强化效果。
本申请的技术方案通过光水同轴的方式减小现有水约束层施加方式引起的参数波动，提高加工的稳定性和灵活性。最后，利用水的动能加强吸收层的贴附效果。通过上述三个方面提高激光冲击强化的效果，降低其实施自动化、工厂化生产的难度。本申请的技术方案通过采用随动式的颜色较深、不含粘性胶层、不易扯断的光滑柔软膜带，可以做到边冲击处理、边走带，由于吸收层不贴附于工件表面，处理后表面光洁、无污垢，因此不需要进行前后处理即可完成激光冲击强化处理过程。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种光水同轴的随动式激光冲击强化装置，其特征在于，所述装置包括保护镜、送带单元和喷水单元；
所述送带单元包括电机、传动机构和吸收带，所述电机通过传动机构带动所述吸收带移动，所述吸收带穿过所述喷水单元喷出的水柱。
2.根据权利要求1所述的随动式激光冲击强化装置，其特征在于，所述电机为同步电机，所述同步电机的步进频率与所述随动式激光冲击强化装置的冲击强化工作频率一致。
3.根据权利要求1所述的随动式激光冲击强化装置，其特征在于，所述送带单元包括吸收带固定结构，所述吸收带固定结构固定连接于所述喷头单元的喷水出口处，所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷水模块喷出的水柱中央。
4.根据权利要求1所述的随动式激光冲击强化装置，其特征在于，所述吸收带的厚度为0.01mm至0.5mm的柔性膜带。
5.根据权利要求1所述的随动式激光冲击强化装置，其特征在于，所述吸收带为对10640nm、1064nm、800nm、532nm、517nm、355nm中至少一个波长的激光之吸收率不低于95％；所述吸收带拉伸强度大于30N/cm。
6.根据权利要求1所述的随动式激光冲击强化装置，其特征在于，所述喷水单元包括喷头，所述喷头的出水端侧壁具有相对设置的两个缝隙以形成吸收带固定结构；所述吸收带从其中一个缝隙穿入并穿过所述喷水模块喷出的水柱后从另一个缝隙穿出；所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷水模块喷出的水柱中央；
或者
所述喷水单元包括喷头，所述喷头的出水口端部设置有突起结构以限位的方式形成吸收带的固定结构；所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷水单元喷出的水柱中央。
7.一种光水同轴的随动式激光冲击强化处理方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述随动式激光冲击强化装置，激光冲击强化操作步骤如下：
a)水进入喷水单元内形成水腔，并喷水单元的喷头底部喷出，吸收带在水柱的冲击压力下紧贴工件表面；
b)激光光束通过保护镜片同轴通过喷水单元内的水腔以及喷头喷出的水柱射向步骤a)所述紧贴工件表面的吸收带，进行一次激光冲击强化；
c)所述装置与所述工件相对移动至下一个冲击位点，同时所述电机带动所述吸收带移动超过激光光斑的距离，重复步骤b)的激光冲击强化过程。
8.据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤a)所述装置的喷头底部与所述工件表面的距离大于等于0.1mm。
9.据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中激光光束为脉宽小于100纳秒、功率密度大于1GW/cm2的脉冲激光，所述脉冲激光的波长为10640nm、1064nm、800nm、532nm、517nm和/或355nm。
10.据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中所述装置与所述工件相对移动的方式选自以下三种方式的至少一种：
(1)所述装置活动，所述工件固定，以实现相对移动；
(2)所述装置固定，所述工件活动，以实现相对移动；
(3)所述装置与所述工件均活动，以实现相对移动。
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