CN109252042A - 一种激光冲击强化点阵晶格结构的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光冲击强化点阵晶格结构的方法和装置，属于材料表面工程与激光技术应用领域。将可移动伸缩振镜组通过搭载平台置于点阵晶格结构件空隙中，延展臂打开，通过支撑杆将全反镜支撑起45度；高功率脉冲激光通过聚焦镜照射在折叠全反镜上，再反射通过全反镜反射在点阵晶格支撑骨架上，诱导等离子体爆炸产生冲击波作用在支撑骨架上，达到支撑骨架表面强化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及点阵晶格结构内部骨架表面强化和改性领域，特指一种激光冲击强化点阵晶格结构的方法和装置，特别适用于选择性激光烧结成型的点阵晶格结构内部骨架的表面冲击强化。
背景技术
点阵晶格结构是目前新兴快速成型工艺-选择性激光烧结(SLM)实现产品轻量化设计的重要结构，但是其成型件强度不够、残余应力不易去除，使用时容易发生晶格支撑断裂、疲劳时效和疲劳裂纹的萌生等问题；传统热处理后晶格内部氧化层不便于处理且整体结构易变形。
激光冲击强化(又叫激光喷丸)是一种新型的材料表面强化技术，属于冷加工技术领域，其加工柔性高，表面形貌好，利用强激光诱导的冲击波力学效应对材料进行加工，处理后零件表面晶粒得到细化，强度和韧性得到极大提高，其形成的残余压应力层能有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，能够显著提高金属零件的疲劳寿命，大量的研究证明激光冲击强化技术是延长裂纹萌生时间，降低裂纹扩展速度提高材料寿命的有效手段。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光冲击强化点阵晶格结构的方法和装置，对点阵晶格结构内部骨架进行表面冲击强化，实现骨架晶粒细化，增加其强度，同时形成高幅残余压应力层，大幅延长点阵晶格结构件的使用寿命。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
1、一种激光冲击强化点阵晶格结构的方法，其特征在于：将可移动伸缩振镜组通过搭载平台置于点阵晶格结构件空隙中，延展臂打开，通过全反镜下方的支撑杆将全反镜支撑起45度；高功率脉冲激光通过聚焦镜照射在折叠全反镜上，再反射通过全反镜反射在点阵晶格支撑骨架上，诱导等离子体爆炸产生冲击波作用在支撑骨架上，达到支撑骨架表面强化的目的，具体步骤如下：
a、根据点阵晶格结构件点阵之间的距离D制作相应尺寸的可移动伸缩振镜组的伸缩臂，伸缩臂最大长度为L，直径为d，延展臂长S，使其能够在点阵晶格空隙之间自由移动；
b、将聚焦镜固定在半回形固定架上端，可移动伸缩振镜组安装在半回形固定架下端滑轨上，搭载平台固定在半回形固定架下端上方1/4处；整个半回形固定架平台置于水槽内；固定卡盘安装在水槽壁滑轨上；将点阵晶格结构件置于搭载平台上，并用固定卡盘进行固定，在水槽中加水没过点阵晶格结构件并且水面位于固定卡盘上方20mm；
c、调节高功率脉冲激光器参数，使参数满足实验要求，其中高功率脉冲激光器参数包括：激光脉冲能量为5-20J、激光脉宽为10-30ns、发射频率为10-50Hz；
d、高功率脉冲激光器输出的激光通过光斑调节装置输出高功率脉冲激光，经过聚焦镜照射在折叠全反镜上，再反射通过全反镜反射在点阵晶格支撑骨架上，诱导等离子体爆炸产生的冲击波使点阵晶格支撑骨架表面得到强化；
e、将可移动伸缩振镜组向上移动到一个新位置，重复步骤a-d，直至z轴当前列方向冲击结束；
f、再将水槽整体在xy平面上按照晶格结构逐点进行移动，同时将可移动伸缩振镜组在xy平面上按照晶格结构逐点进行移动，调节聚焦镜，实现激光光源与可移动伸缩振镜组中的折叠全反镜的实时对焦，重复步骤a-e；
g、最后将点阵晶格结构件反转180°，重复步骤a-f，实现整个点阵晶格结构件的晶格骨架表面冲击强化。
所述步骤a中，点阵晶格结构件最大高度为H，伸缩臂直径d＝3D/5，伸缩臂总长L＝H+20mm，延展臂长S＝D；
2、一种激光冲击强化点阵晶格结构的装置，其特征在于:所述装置包括控制系统、高功率脉冲激光器、光斑调节装置、水槽、固定卡盘、聚焦镜、45°全反镜、半回形固定架、搭载平台、可移动伸缩振镜组；可移动伸缩振镜组包括伸缩臂、延展臂、折叠全反镜和全反镜；折叠全反镜位于伸缩臂顶端，延展臂分为两边，安装在伸缩臂上同时位于折叠全反镜两侧，能够竖直并拢和垂直展开，延展臂上设有全反镜，全反镜和折叠全反镜构成可移动伸缩振镜组的上端振镜组；高功率脉冲激光器连接光斑调节装置，光斑调节装置出光处设有45°全反镜，45°全反镜下方设有聚焦镜，聚焦镜正对可移动伸缩振镜组中的折叠全反镜，可移动伸缩振镜组下端安装在半回形固定架底端滑轨上，可移动伸缩振镜组的上端振镜组置于点阵晶格结构件空隙中，同时延展臂和全反镜能够在空隙内自由伸缩；聚焦镜安装在半回形固定架上端，能够在半回形固定架上端水平滑动，同时通过水槽的整体移动和可移动伸缩振镜组相应移动，实现激光光源与可移动伸缩振镜组中的折叠全反镜的实时对焦，搭载平台固定在半回形固定架下端上方1/4处；整个半回形固定架平台置于有水的水槽内；固定卡盘安装在水槽壁滑轨上；搭载平台用于放置点阵晶格结构件，点阵晶格结构件用固定卡盘进行固定；所述控制系统分别与高功率脉冲激光器和半回形固定架控制端相连。
所述折叠全反镜由对激光波长反射率高的材料制成，折叠全反镜展开后角度为α＝45°。
全反镜下设有支撑杆，通过支撑杆将全反镜支撑起45度。
本发明具有如下增益效果：
(1)该方法冲击后的零件表面形貌好，无需后处理，可直接使用，晶粒细化均匀，强度大幅提高；
(2)该方法将激光在点阵晶格骨架上诱导等离子体爆炸，整个零件置于水中进行冲击，增加了约束层稳定性，极大提高冲击效果，诱导产生比一般强化更深的高幅残余压应力，有效的提高点阵晶格结构件的疲劳寿命；
(3)本发明操作方便、绿色环保、成型工件综合性能优良，表面质量好，适用于各种点阵晶格结构件；
附图说明
图1为点阵晶格结构件二维平面示意图。
H和h为点阵晶格结构件较长的两个边长，两者进行比较：h≤H,故取点阵晶格结构件最大边长为H。
图2为一种激光冲击强化点阵晶格结构的装置示意图。
1控制系统；2高功率脉冲激光器；3光斑调节装置；4水槽；5固定卡盘6聚焦镜；745°全反镜；8高功率脉冲激光；9点阵晶格结构件；10半回形固定架；11搭载平台；12可移动伸缩振镜组。
图3为可移动伸缩振镜组打开-闭合状态局部放大图。
13全反镜折叠支架；14延展臂；15折叠全反镜；16全反镜。
具体实施方式
下面结合图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
实施例一：
本发明进行点阵晶格结构激光冲击强化的装置包括：控制系统1、高功率脉冲激光器2、光斑调节装置3、水槽4、固定卡盘5、聚焦镜6、45°全反镜7、半回形固定架10、搭载平台11、可移动伸缩振镜组12；其中高功率脉冲激光器2连接光斑调节装置3，光斑调节装置3出光处设有45°全反镜7，45°全反镜7下方设有聚焦镜6，聚焦镜6正对可移动伸缩振镜组12中的折叠全反镜15，可移动伸缩振镜组12下端安装在半回形固定架10底端滑轨上，可移动伸缩振镜组12上端振镜组置于点阵晶格结构件9空隙中，同时延展臂14和全反镜16能够在空隙内自由伸缩；所述控制系统1分别与高功率脉冲激光器2和半回形固定架10控制端相连；所述折叠全反镜15由对激光波长反射率高的材料制成，折叠全反镜15展开后角度为α＝45°；具体步骤如下：
a、根据点阵之间的距离D制作相应尺寸的可移动伸缩振镜组12的伸缩臂，点阵晶格结构件最大高度为H，伸缩臂最大长度为L＝H+20mm，直径为d＝3D/5，延展臂长S＝D；使其能够在点阵晶格空隙之间自由移动；
b、将聚焦镜6固定在半回形固定架10上端，可移动伸缩振镜组12安装在半回形固定架10下端滑轨上，搭载平台11固定在半回形固定架10下端上方1/4处；整个半回形固定架平台置于水槽4内。固定卡盘5安装在水槽壁滑轨上；将点阵晶格结构件9置于搭载平台11上，并用固定卡盘5进行固定，在水槽4中加水没过点阵晶格结构件9并且水面位于固定卡盘5上方20mm；将可移动伸缩振镜组12通过搭载平台11置于点阵晶格结构件9空隙中，延展臂14打开，通过支撑杆13将全反镜16支撑起45度；
c、根据加工要求调节高功率脉冲激光器2参数，使参数满足实验要求，其中高功率脉冲激光器2参数包括：激光脉冲能量为5J、激光脉宽为10ns、发射频率为10Hz；控制系统1控制高功率脉冲激光器2和可移动伸缩振镜组12的配合运行；由高功率脉冲激光器2发射的高功率脉冲激光8经过45°全反镜7反射通过聚焦镜6照射在折叠全反镜15上，再反射通过全反镜16反射在点阵晶格支撑骨架上，水作为约束层，诱导等离子体爆炸产生冲击波作用在支撑骨架上，达到支撑骨架表面强化的目的。
d、将可移动伸缩振镜组12向上移动到一个新位置，重复步骤a-c，直至z轴当前列方向冲击结束；
e、再将水箱整体在xy平面上按照晶格结构逐点进行移动，同时将可移动伸缩振镜组12在xy平面上按照晶格结构逐点进行移动，调节聚焦镜6，实现激光光源与可移动伸缩振镜组12中的折叠全反镜15的实时对焦，重复步骤a-d；
f、最后将点阵晶格结构件9反转180°，重复步骤a-e，实现整个点阵晶格结构件9的晶格骨架表面冲击强化。
实施例二：
将实施例一中的高功率脉冲激光器2参数改变为激光脉冲能量为10J、激光脉宽为20ns、发射频率为25Hz，其他方法和步骤不变。
实施例三：
将实施例一中的高功率脉冲激光器2参数改变为激光脉冲能量为20J、激光脉宽为30ns、发射频率为50Hz，其他方法和步骤不变。
Claims (9)
1.一种激光冲击强化点阵晶格结构的装置，其特征在于：所述装置包括控制系统、高功率脉冲激光器、光斑调节装置、水槽、固定卡盘、聚焦镜、45°全反镜、半回形固定架、搭载平台、可移动伸缩振镜组；可移动伸缩振镜组包括伸缩臂、延展臂、折叠全反镜和全反镜；折叠全反镜位于伸缩臂顶端，延展臂分为两边，安装在伸缩臂上同时位于折叠全反镜两侧，能够竖直并拢和垂直展开，延展臂上设有全反镜，全反镜和折叠全反镜构成可移动伸缩振镜组的上端振镜组；高功率脉冲激光器连接光斑调节装置，光斑调节装置出光处设有45°全反镜，45°全反镜下方设有聚焦镜，聚焦镜正对可移动伸缩振镜组中的折叠全反镜，可移动伸缩振镜组下端安装在半回形固定架底端滑轨上，可移动伸缩振镜组上端振镜组置于点阵晶格结构件空隙中，同时延展臂和全反镜能够在空隙内自由伸缩；聚焦镜安装在半回形固定架上端，能够在半回形固定架上端水平滑动，同时通过水槽的整体移动和可移动伸缩振镜组相应移动，实现激光光源与可移动伸缩振镜组中的折叠全反镜的实时对焦，搭载平台固定在半回形固定架下端上方；整个半回形固定架平台置于有水的水槽内；固定卡盘安装在水槽壁滑轨上；搭载平台用于放置点阵晶格结构件，点阵晶格结构件用固定卡盘进行固定；所述控制系统分别与高功率脉冲激光器和半回形固定架控制端相连。
2.如权利要求1所述的一种激光冲击强化点阵晶格结构的装置，其特征在于：所述折叠全反镜展开后角度为α＝45°。
3.如权利要求1所述的一种激光冲击强化点阵晶格结构的装置，其特征在于：全反镜下设有支撑杆，工作时通过支撑杆将全反镜支撑起45度。
4.如权利要求1所述的一种激光冲击强化点阵晶格结构的装置，其特征在于：搭载平台固定在半回形固定架下端上方1/4处。
5.利用如权利要求1所述装置激光冲击强化点阵晶格结构的方法，其特征在于：将可移动伸缩振镜组通过搭载平台置于点阵晶格结构件空隙中，延展臂打开，通过全反镜下方的支撑杆将全反镜支撑起45度；高功率脉冲激光通过聚焦镜照射在折叠全反镜上，再反射通过全反镜反射在点阵晶格支撑骨架上，诱导等离子体爆炸产生冲击波作用在支撑骨架上，达到支撑骨架表面强化的目的。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，具体步骤如下：
a、根据点阵晶格结构件点阵之间的距离D制作相应尺寸的可移动伸缩振镜组的伸缩臂，伸缩臂最大长度为L，直径为d，延展臂长S，使其能够在点阵晶格空隙之间自由移动；
b、将聚焦镜固定在半回形固定架上端，可移动伸缩振镜组安装在半回形固定架下端滑轨上，搭载平台固定在半回形固定架下端上方1/4处；整个半回形固定架平台置于水槽内；固定卡盘安装在水槽壁滑轨上；将点阵晶格结构件置于搭载平台上，并用固定卡盘进行固定，在水槽中加水没过点阵晶格结构件并且水面位于固定卡盘上方；
c、调节高功率脉冲激光器参数，使参数满足实验要求；
d、高功率脉冲激光器输出的激光通过光斑调节装置输出高功率脉冲激光，经过聚焦镜照射在折叠全反镜上，再反射通过全反镜反射在点阵晶格支撑骨架上，诱导等离子体爆炸产生的冲击波使点阵晶格支撑骨架表面得到强化；
e、将可移动伸缩振镜组向上移动到一个新位置，重复步骤a-d，直至z轴当前列方向冲击结束；
f、再将水槽整体在xy平面上按照晶格结构逐点进行移动，同时将可移动伸缩振镜组在xy平面上按照晶格结构逐点进行移动，调节聚焦镜，实现激光光源与可移动伸缩振镜组中的折叠全反镜的实时对焦，重复步骤a-e；
g、最后将点阵晶格结构件反转180°，重复步骤a-f，实现整个点阵晶格结构件的晶格骨架表面冲击强化。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤a中，点阵晶格结构件最大高度为H，伸缩臂直径d＝3D/5，伸缩臂总长L＝H+20mm，延展臂长S＝D。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，水面位于固定卡盘上方20mm。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，高功率脉冲激光器参数包括：激光脉冲能量为5-20J、激光脉宽为10-30ns、发射频率为10-50Hz。
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