CN109454334A - 一种激光冲击温强化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光冲击温强化系统及方法，系统中计算机通过激光控制器和激光器连接，激光器的激光通过聚焦透镜产生激光脉冲照射在样件上，样件上覆盖吸收层和约束层；样件固定于夹具上，夹具上设置加热器，加热器外侧设有保护罩，夹具、加热器、保护罩连接在五轴联动工作台上，五轴联动工作台通过电机驱动器和计算机连接；样件上方设有喷嘴，喷嘴通过抽液泵、过滤器和储液槽连通，约束层的介质回流至储液槽；加热器通过恒温控制系统和计算机连接；方法是激光器发射激光，聚焦于已通过夹具预热样件表面及进行激光冲击温强化；驱动五轴联动工作台移动，实现样件表面不同位置的激光冲击温强化；本发明具有加热模具散热快、实验时间短的优点。

Description

一种激光冲击温强化系统及方法
技术领域
本发明涉及激光加工中的激光冲击强化(Laser Shock Peening)技术领域，特别涉及一种激光冲击温强化系统及方法。
背景技术
激光冲击强化技术是利用高能短脉冲激光诱导的高幅冲击波压力实施表面改性，可有效改善金属材料中的应力分布和微观组织结构，从而有效延缓裂纹扩展速率、提高零件的疲劳寿命。激光光斑的大小和位置可以精确控制，所以激光冲击强化技术可以实现传统工艺不能或难以处理的部位，如小孔、倒角、焊缝、沟槽等。
激光冲击温强化是先将工件加热到动态应变时效温度(0.2～0.5Tm，Tm为材料熔点)，并在该温度下对其进行激光冲击强化的一门新技术，其显著特点是整合了激光冲击强化和动态应变时效的双重优势，使材料表层发生位错增殖、高密度位错缠结和纳米级析出，析出物使得运动的位错钉扎，从而阻止位错的滑动，得到稳定的位错组织，改善了材料在高温条件下的热稳定性。
现有激光冲击温强化方法是首先将靶材固定在专用加热模具上，再把靶材和模具一起加热到预设定温度，保温一段时间使模具均匀受热，再分别将吸收层、约束层施加到靶材上，最后对靶材进行激光冲击强化。但是，现有激光冲击温强化方法由于加热、保温等步骤，且加热模具散热慢等因素，具有实验时间较长的缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种激光冲击温强化系统及方法，在激光器和五轴联动工作台基础上增加约束层循环系统和恒温控制系统；约束层采用耐高温性和流动性较好的硅油，保护层采用耐热性较好的铝箔；此外，也可将该激光冲击温强化系统的约束层循环系统去除，采用常用的石英玻璃做约束层进行激光冲击温强化实验，即本发明系统既可使用液体约束层(硅油等)也可使用固体约束层(石英玻璃等)进行实验，具有加热模具散热快、实验时间短的优点，
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种激光冲击温强化系统1，包括计算机2，计算机2通过激光控制器3和激光器4连接，激光器4发出的激光通过聚焦透镜6产生激光脉冲21，并照射在样件17上，样件17上方样件17上覆盖了吸收层19和约束层18；
样件17固定在夹具16上，夹具16上设置有加热器15，加热器15外侧设有保护罩20，夹具16、加热器15、保护罩20连接在五轴联动工作台13上，五轴联动工作台13通过电机驱动器12和计算机2连接；
所述的样件17的上方设有喷嘴11，喷嘴11通过抽液泵10、过滤器9和储液槽8连通，约束层18的介质回流至储液槽8；抽液泵10、过滤器9和储液槽8构成约束层循环系统7；
所述的加热器15通过恒温控制系统14和和计算机2连接。
所述的激光控制器3包括比较器，其从解调器接收信号并且将信号编程进入激光控制器3的一个或多个预定极限比较；如果信号超过预定极限，由激光器4沉积在样件17中的能量的量是足够的，激光控制器3指示激光冲击温强化系统1正常工作；相反，如果信号不超过预定极限中的一个或多个，由激光器4沉积在样件17中的能量的量是不足的，激光控制器3指示激光冲击温强化系统1发生故障，实现激光冲击温强化系统1提供激光冲击温强化工艺的效果和效率的实时监测。
所述的样件17采用从硬化获益的任何材料，包括钛合金、铝合金、镍基高温合金、铸铁，和实际上具有缺口、孔、角或易于疲劳失效的其他特征的任何金属。
所述的样件17上撞击点的区域的大小在直径2.5毫米到25毫米的范围内。
所述的吸收层19包括施加于样件17的表面的黑胶带或涂料的薄层。
所述的吸收层19采用铝箔。
所述的约束层18是施加在吸收层19之上的一薄层水，或其他半透明或全透明材料。
所述的约束层18采用硅油。
一种激光冲击温强化方法，包括以下步骤：
a.计算机2通过恒温控制系统14对样件17进行预加热，并保温；
b.计算机2通过激光控制器3使激光器4发射激光；
c.激光器4发射的激光经反射镜5反射，再由聚焦透镜6聚焦于样件17表面及进行激光冲击温强化；
d.计算机2通过电机驱动器12驱动五轴联动工作台13移动，从而使样件17位置移动，实现在样件17表面不同位置进行激光冲击温强化；
e.约束层18介质采用硅油，通过约束层循环系统7实现约束层18介质的循环利用。
本发明的有益效果为：
本发明在现有的激光冲击温强化技术的基础之上，引入了约束层循环系统和恒温控制系统，约束层循环系统实现了约束层的循环利用，有效降低了实验成本。若将约束层循环系统去除，也可采用常用的石英玻璃等做约束层进行激光冲击温强化实验。既可使用液体约束层，也可使用固体约束层进行实验。恒温控制系统扩大了激光冲击温强化系统的温度调节范围和升温降温速度，此外，通过恒温控制系统提高了样件表面温度控制精度。
附图说明
图1为本发明激光冲击温强化系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
参照图1，一种激光冲击温强化系统1，包括计算机2，计算机2通过激光控制器3和激光器4连接，激光器4可以是本领域内已知的任何激光器，例如Nd:YAG激光器；激光器4发出的激光通过反射镜5、聚焦透镜6产生激光脉冲21，并照射在样件17上，激光脉冲21的持续时间、波长和能量水平可以根据各种操作考虑改变，各种操作考虑例如是样件17的特定组成、样件17的厚度、个体激光脉冲21的数目和之间的距离以及要沉积在样件17中的期望能量的量等。例如，激光脉冲21可大约15-20纳秒长，其具有大约一微米的波长和50焦耳或更多的的能量。作为特定说明，具有一微米的波长的25纳秒激光脉冲21可沉积大约25焦耳的能量进入样件17并在样件17表面产生大约每平方英寸一百万磅的压强脉冲；样件17上方样件17上覆盖了吸收层19和约束层18；样件17包括从硬化获益的任何材料，例如钛合金、铝合金、镍基高温合金、铸铁，和实际上具有缺口、孔、角或易于疲劳失效的其他特征的任何金属部件等；吸收层19是施加于样件17的表面的不透明材料的的薄涂层，吸收层19包括施加于样件17的表面的黑胶带或涂料的薄层，吸收层19采用耐热性较好的铝箔；约束层18是施加在吸收层19之上的一薄层水或其他半透明或全透明材料，如石英玻璃等，约束层18采用耐高温性和流动性较好的硅油；
样件17固定在夹具16上，夹具16上设置有加热器15，加热器15外侧设有保护罩20，夹具16、加热器15、保护罩20连接在五轴联动工作台13上，五轴联动工作台13通过电机驱动器12和计算机2连接，计算机2发出信号，电机驱动器12接收由计算机2发出的信号，驱动五轴联动工作台13进行对应移动；
所述的样件17的上方设有喷嘴11，喷嘴11通过抽液泵10、过滤器9和储液槽8连通，约束层18的介质回流至储液槽8，进行循环利用，介质一般为硅油、水等；抽液泵10、过滤器9和储液槽8构成约束层循环系统7；约束层18介质通过过滤器9进行过滤，除去残渣；过滤之后的约束层18介质经过抽液泵10抽取，至喷嘴11处；喷嘴11将约束层18介质均匀喷涂于约束层18处，多余的介质则流入储液槽8中，被存储起来；如此通过约束层循环系统7进行约束层18循环。
所述的加热器15通过恒温控制系统14和和计算机2连接；计算机2设置预加热温度，将信号传递至恒温控制系统14，恒温控制系统14控制加热器15加热夹具16和样件17，当样件17加热至预加热温度时，恒温控制系统14控制加热器15进行保温，使样件17温度保持在计算机2设置的预加热温度。
所述的样件17上撞击点的形状一般是圆的，但可使用其他的形状(如果必要的话)以提供最高效和有效的加工条件。在一个脉冲中处理的区域的大小取决于许多工艺特定参数，例如样件17的组成、使用的激光器4和其他加工因素等。处理区域的大小可以在从直径大约2.5毫米到25毫米的范围内。
所述的激光控制器3包括比较器，其从解调器接收信号并且将信号编程进入激光控制器3的一个或多个预定极限比较；如果信号超过预定极限，由激光器4沉积在样件17中的能量的量是足够的，激光控制器3指示激光冲击温强化系统1正常工作；相反，如果信号不超过预定极限中的一个或多个，由激光器4沉积在样件17中的能量的量是不足的，激光控制器3指示激光冲击温强化系统1发生故障。例如，不存在或太薄的约束层18和/或吸收层19将减少由激光脉冲21产生的冲击波的大小，从而产生沉积在样件17中并且传播通过其的能量的量中的对应减少。类似的，太短、不正确地瞄准或具有不足能量地激光脉冲21将在沉积在样件17中并且传播通过其地能量的量中产生对应减少。由激光冲击温强化系统1中这些可能的故障中的任何故障引起的在沉积在样件17中并且传播通过其的能量中的减少将在样件17的速度中产生对应减少。采用上述方式，激光冲击温强化系统1能够提供激光冲击温强化工艺的效果和效率的实时监测。
本发明的工作原理为：在样件17的表面上的约束层18和吸收层19的组合增强激光脉冲21沉积能量进入样件17表面的能力；激光脉冲21通过约束层18并且轰击吸收层19，将吸收层19蒸发；从吸收层19产生的蒸汽吸收到来的激光能量，在样件17的表面和约束层18之间快速加热膨胀，在约束层18和样件17表面之间形成压力冲击波，压力冲击波在样件17内部传播，使样件17表面发生高速塑性应变，引起晶格畸变、位错、位错交织、晶粒细化等微观组织结构变化。在样件17的表面产生表面压应力，从而实现对样件17的表面强化和精密成型加工。
由激光脉冲21产生的冲击波以大约相同的速度传播通过样件17而不反射回到样件17，该反射可以导致原有裂纹扩展。
一种激光冲击温强化的方法，包括以下步骤：
a.计算机2通过恒温控制系统14对样件17进行预加热，并保温；
b.计算机2通过激光控制器3使激光器4发射激光；
c.激光器4发射的激光经反射镜5反射，再由聚焦透镜6聚焦于样件17表面及进行激光冲击温强化；
d.计算机2通过电机驱动器12驱动五轴联动工作台13移动，从而使样件17位置移动，实现在样件17表面不同位置进行激光冲击温强化；
e.约束层18介质采用高温硅油，通过约束层循环系统7实现约束层18介质的循环利用。

Claims (9)

1.一种激光冲击温强化系统(1)，包括计算机(2)，其特征在于：计算机(2)通过激光控制器(3)和激光器(4)连接，激光器(4)发出的激光通过聚焦透镜(6)产生激光脉冲(21)，并照射在样件(17)上，样件(17)上方样件(17)上覆盖了吸收层(19)和约束层(18)；
样件(17)固定在夹具(16)上，夹具(16)上设置有加热器(15)，加热器(15)外侧设有保护罩(20)，夹具(16)、加热器(15)、保护罩(20)连接在五轴联动工作台(13)上，五轴联动工作台(13)通过电机驱动器(12)和计算机(2)连接；
所述的样件(17)的上方设有喷嘴(11)，喷嘴(11)通过抽液泵(10)、过滤器(9)和储液槽(8)连通，约束层(18)的介质回流至储液槽(8)；抽液泵(10)、过滤器(9)和储液槽(8)构成约束层循环系统(7)；
所述的加热器(15)通过恒温控制系统(14)和和计算机(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种激光冲击温强化系统(1)，其特征在于：所述的激光控制器(3)包括比较器，其从解调器接收信号并且将信号编程进入激光控制器(3)的一个或多个预定极限比较；如果信号超过预定极限，由激光器(4)沉积在样件(17)中的能量的量是足够的，激光控制器(3)指示激光冲击温强化系统(1)正常工作；相反，如果信号不超过预定极限中的一个或多个，由激光器(4)沉积在样件(17)中的能量的量是不足的，激光控制器(3)指示激光冲击温强化系统(1)发生故障，实现激光冲击温强化系统(1)提供激光冲击温强化工艺的效果和效率的实时监测。
3.根据权利要求1所述的一种激光冲击温强化系统(1)，其特征在于：所述的样件(17)采用从硬化获益的任何材料，包括钛合金、铝合金、镍基高温合金、铸铁，和实际上具有缺口、孔、角或易于疲劳失效的其他特征的任何金属。
4.根据权利要求1所述的一种激光冲击温强化系统(1)，其特征在于：所述的样件(17)上撞击点的区域的大小在直径2.5毫米到25毫米的范围内。
5.根据权利要求1所述的一种激光冲击温强化系统(1)，其特征在于：所述的吸收层(19)包括施加于样件(17)的表面的黑胶带或涂料的薄层。
6.根据权利要求1所述的一种激光冲击温强化系统(1)，其特征在于：所述的吸收层(19)采用铝箔。
7.根据权利要求1所述的一种激光冲击温强化系统(1)，其特征在于：所述的约束层(18)是施加在吸收层(19)之上的一薄层水，或其他半透明或全透明材料。
8.根据权利要求1所述的一种激光冲击温强化系统(1)，其特征在于：所述的约束层(18)采用硅油。
9.一种激光冲击温强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.计算机(2)通过恒温控制系统(14)对样件(17)进行预加热，并保温；
b.计算机(2)通过激光控制器(3)使激光器(4)发射激光；
c.激光器(4)发射的激光经反射镜(5)反射，再由聚焦透镜(6)聚焦于样件(17)表面及进行激光冲击温强化；
d.计算机(2)通过电机驱动器(12)驱动五轴联动工作台(13)移动，从而使样件(17)位置移动，实现在样件(17)表面不同位置进行激光冲击温强化；
e.约束层(18)介质采用硅油，通过约束层循环系统(7)实现约束层(18)介质的循环利用。
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