CN110157895A - 一种激光冲击强化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属表面处理，一种激光冲击强化装置，其包括高重频低能量激光器、导光装置、聚焦装置、约束层加载装置和金属零件；所述导光装置一端连接所述高重频低能量激光器、另一端连接所述聚焦装置；所述约束层加载装置在所述金属零件表面形成约束层；所述聚焦装置输出的光斑穿过所述约束层作用于所述金属零件表面。本发明采用的高重频低能量激光冲击强化方法，频率较高，加工效率有很大提高。
Description
技术领域
本发明属于金属表面处理领域，具体涉及一种激光冲击强化方法及装置。
背景技术
激光冲击强化技术又称为激光喷丸，是利用短脉冲(ns级)，高峰值功率密度(109W/cm2以上)激光透过约束层冲击覆盖在金属表面的激光吸收保护膜，产生高压瞬态等离子体冲击波，高达GPa的冲击波压力使得金属材料表层发生高应变塑性变形，形成很大的残余压应力，同时微观组织发生很大的变化，能显著提高金属材料抗外力损伤、抗腐蚀等疲劳性能的表面处理技术。
目前激光冲击强化方法多采用大能量纳秒激光进行激光冲击强化，据查资料，目前大能量激光冲击强化最大的重复频率为20Hz，激光冲击强化效率较低。
发明内容
本发明的目的是至少解决激光冲击强化效率低的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的第一方面提出了一种激光冲击强化装置，其包括高重频低能量激光器、导光装置、聚焦装置、约束层加载装置和金属零件；所述导光装置一端连接所述高重频低能量激光器、另一端连接所述聚焦装置；所述约束层加载装置在所述金属零件表面形成约束层；所述聚焦装置输出的光斑穿过所述约束层作用于所述金属零件表面。
根据本发明实施例的激光冲击强化装置，采用高重频低能量激光进行冲击强化，激光器的重复频率在10kHz级别时，频率较高，加工效率得到很大提高；高重频达到10kHz，聚焦光斑按0.2mm计算，每小时加工面积11304cm2，高能量激光冲击强化按目前最大频率20Hz，光斑3mm计算，每小时加工5086.8cm2。加工效率提升1倍。结合激光强化效果，本发明实施例一定程度上可以替代喷丸。从成本来看，低能量高重频的激光器价格只有大能量激光器的二分之一，甚至更低。所以加工成本会大大降低。
另外本发明实施例的高重频低能量激光器相对于通常激光冲击强化设备中高能量固体激光器，体积重量方面大大的减小，便于运输，提高了激光冲击强化的应用范围。
此外，相对于传统的高能量低重频激光进行激光冲击强化，本发明实施例是另外一种进行激光冲击强化的途径和方法。
另外，根据本发明实施例的激光冲击强化装置，还可具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述高重频低能量激光器，工作频率大于100Hz，脉宽在ns级别，能量小于1J。工作频率大于100Hz，既能达到激光冲击强化的效果，又能提升工作效率。
在本发明的一些实施例中，所述导光装置为光纤，所述光纤与聚焦装置之间设有整形装置，所述整形装置与所述聚焦装置一体化设置组成整形聚焦装置。光纤传输相对于透镜传输方式更加灵活性。透镜传输激光，激光只能沿着直线传输，在激光加工领域，要求光束沿复杂路径对工件进行加工操作时，很多时候实现不了，但是光纤就可以解决这个问题。
在本发明的一些实施例中，所述聚焦装置安装在运动夹持装置上。运动夹持装置在支撑聚焦装置的同时，能使其在不同角度、方向上进行位置调整，使聚焦的光斑工作角度更加灵活。
在本发明的一些实施例中，所述金属零件安装在零件运动装置上。零件运动装置在固定金属零件的同时，可以使金属零件平移或旋转。
在本发明的一些实施例中，所述约束层加载装置采用水光一体式加载装置。
在本发明的一些实施例中，所述约束层加载装置采用水下加载装置。
高重频的激光冲击加工中，采用以上两种方法，可以避免水嘴直接加载水约束层时，水约束层建立时间达不到高激光工作频率要求的问题。
在本发明的一些实施例中，所述高重频低能量激光器采用绿光波段的激光器。绿光波段的激光水吸收率低，可以进一步提高激光冲击强化的效果。
本发明的第二方面提出了一种激光冲击强化方法，包括：
采用高重频低能量激光器输出激光；
将激光传输聚焦后穿过约束层作用于金属零件表面。
根据本发明实施例的激光冲击强化方法，采用高重频低能量激光进行冲击强化，频率较高，加工效率得到很大提高。结合激光强化效果，本发明实施例一定程度上可以替代喷丸。另外本发明实施例的高重频低能量激光器相对于通常激光冲击强化设备中高能量固体激光器，体积重量方面大大的减小，便于运输，提高了激光冲击强化的应用范围。
本发明的第三方面提出了高重频低能量激光在激光冲击强化中的用途。
根据本发明实施例的用途，将高重频低能量激光应用于激光冲击强化中，可以提高激光冲击强化的效率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是整形聚焦装置示意图；
图3是水约束加载示意图；
图4是零件固定装置示意图。
附图中各标记表示如下：
1.高重频低能量激光器；2.导光装置；3.整形聚焦装置；4.运动夹持装置；5.金属零件；6.零件运动装置；7.水净化装置；8.约束层加载装置；9.控制系统；10.整形装置；11.聚焦装置；12.喷水嘴；13.进水口；14.出水口；15.水下加载系装置。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
如图1所示，本发明第一方面的实施例提出了一种激光冲击强化装置，其包括高重频低能量激光器1、导光装置2、聚焦装置、约束层加载装置8和金属零件5；导光装置2一端连接所述高重频低能量激光器1、另一端连接聚焦装置；约束层加载装置8在所述金属零件5表面形成约束层；聚焦装置输出的光斑穿过约束层作用于金属零件5表面。
根据本发明实施例的激光冲击强化装置，采用高重频低能量激光进行冲击强化，激光器的重复频率在10kHz级别时，频率较高，加工效率得到很大提高；结合激光强化效果，本发明实施例一定程度上可以替代喷丸。另外本发明实施例的高重频低能量激光器1相对于通常激光冲击强化设备中高能量固体激光器，体积重量方面大大的减小，便于运输，提高了激光冲击强化的应用范围。
此外，相对于传统的高能量低重频激光进行激光冲击强化，本发明实施例是另外一种进行激光冲击强化的途径和方法。
进一步的，聚焦装置11聚焦后可获得直径小于1mm的激光聚焦光斑，可达到激光冲击强化要求的激光功率密度GW/cm2。
在本发明的一些实施例中，高重频低能量激光器1，工作频率大于100Hz，脉宽在ns级别，能量小于1J。工作频率大于100Hz，既能达到激光冲击强化的效果，又能提升工作效率。高重频低能量激光器1采购现有产品。工作频率几百Hz的固体激光器在国内北京卓镭激光公司可以直接定制。几千Hz的光纤激光器，国外IPG公司的多款光纤激光器都符合要求。
在本发明的一些实施例中，导光装置2为光纤，光纤与聚焦装置11之间设有整形装置10，所述整形装置10与所述聚焦装置11一体化设置组成整形聚焦装置3。整形装置10对光纤传导的激光进行准直扩束及其他整形后，在经聚焦输出。整形装置10和聚焦装置11采用现有的光学组件，如图2所示。根据对光束质量要求以及聚焦光斑大小，选择相应的光学元件
进一步的，导光装置2可以采用透镜、棱镜等硬导光设备，也可以采用其它的柔性导光设备。
在本发明的一些实施例中，聚焦装置11安装在运动夹持装置4上。运动夹持装置4在支撑聚焦装置11的同时，能使其在不同角度、方向上进行位置调整，使聚焦的光斑工作角度更加灵活。
进一步的，当采用光纤导光时，整形聚焦装置3一体式的安装在运动夹持装置4上。运动夹持装置4可采用关节式机械臂或其它现有的设备。
在本发明的一些实施例中，金属零件5安装在零件运动装置6(如图4所示)上。零件运动装置在固定金属零件的同时，可以使金属零件平移或旋转。可以采用万向台或直线运动机构，或两者的结合。
在本发明的一些实施例中，约束层加载装置8采用水光一体式加载装置，可选用锥形管进行水光一体加载，如图3(2)所示，锥形管侧面设有进水口13、底部设出水口14，通过进水口13将净化水充满在水和激光一体的锥形管中，通过锥形管底部的出水口14将水约束层加载在金属零件5表面，锥形管的进水口13连接有水净化装置7。
水净化装置7对水进行多重过滤，为水约束层加载提供净化水。
在本发明的一些实施例中，所述约束层加载装置8采用水下加载装置，选用现有设备，利用水下加载装置15将金属零件5浸没在水中(如图3(3)所示)，经聚焦的光束在水中传输后作用于金属零件5表面。
在本发明的一些实施例中，(如图3(1)所示)约束层加载装置8还可以选购现有技术中的喷水嘴12将水约束层加载在金属零件5表面，喷水嘴12连接有水净化装置7。水净化装置7对水进行多重过滤，为水约束层加载提供净化水。
进一步的，约束层还可以选用其他现有的对激光吸收较小的透明材料。
在本发明的一些实施例中，所述高重频低能量激光器1采用绿光波段的激光器。绿光波段的激光水吸收率低，可以进一步提高激光冲击强化的效果。
在本发明的一些实施例中，还包括有控制系统9，控制系统9分别与高重频低能量激光器1、运动夹持装置4、零件运动装置6和水约束加载装置8、水净化装置7电连接。该控制系统9控制高重频低能量激光器1的输出、运动夹持装置4的运动、零件运动装置6的运动、水净化装置7的开关、约束层加载装置8的加载及其各部分协同工作。
在本发明的一些实施例中，金属零件5表面设有吸收保护层，该吸收保护层为胶带或涂料。
进一步的，金属零件5表面也可以不预置吸收保护层，激光冲击强化后将金属零件5表面的烧蚀层打磨至光亮。不预置吸收保护层时，直接利用金属零件表面吸收激光能量。
本发明第二方面的实施例提出了一种激光冲击强化方法，包括：
采用高重频低能量激光器1输出激光；
将激光传输聚焦后穿过约束层作用于金属零件5表面。
根据本发明实施例的激光冲击强化方法，采用高重频低能量激光进行冲击强化，频率较高，加工效率得到很大提高。结合激光强化效果，本发明实施例一定程度上可以替代喷丸。另外本发明实施例的高重频低能量激光器相对于通常激光冲击强化设备中高能量固体激光器，体积重量方面大大的减小，便于运输，提高了激光冲击强化的应用范围。
进一步的，高重频低能量激光器1输出的激光经光纤传输到激光整形聚焦装置3整形聚焦后穿过约束层作用于金属零件5表面；激光整形聚焦装置3为上述激光整形聚焦装置3。
本发明第三方面的实施例提出了高重频低能量激光在激光冲击强化中的用途。
根据本发明实施例的用途，将高重频低能量激光应用于激光冲击强化中，可以提高激光冲击强化的效率。
以下为高重频低能量激光冲击强化方法的两个实验：
实验1：
采用能量50mJ，脉宽约8ns，工作频率200Hz，波长532nm，聚焦光斑约0.3mm，相邻光斑搭接率分别为50％和75％对Ni基高温合金材料进行激光冲击强化。分别对试件的表面粗糙度及残余应力进行测试，测试结果如下：
1)试件表面粗糙度冲击后与冲击前对比
| 试样编号 | Sa/μm | Sq/μm | Sz/μm |
| 1-1 | 1.336/1.239 | 1.691/1.547 | 11.315/12.968 |
| 1-2 | 2.145/2.270 | 2.690/2.868 | 16.893/18.408 |
2)试件表面及一定深度上残余压应力测试结果
实验2：
采用能量100mJ，脉宽约8ns，工作频率200Hz,波长532nm，聚焦光斑约0.4mm，相邻光斑搭接率分别为50％和75％对Ni基高温合金材料进行激光冲击强化。分别对试件的表面粗糙度及残余应力进行测试，测试结果如下：
1)试件表面粗糙度冲击后与冲击前对比
| 试样编号 | Sa/μm | Sq/μm | Sz/μm |
| 2-1 | 1.155/0.973 | 1.426/1.241 | 9.155/8.853 |
| 2-2 | 1.693/1.873 | 2.151/2.365 | 15.427/15.977 |
2)试件表面及一定深度上残余压应力测试结果
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种激光冲击强化装置，其特征在于，包括高重频低能量激光器(1)、导光装置(2)、聚焦装置(11)、约束层加载装置(8)和金属零件(5)；
所述导光装置(2)一端连接所述高重频低能量激光器(1)、另一端连接所述聚焦装置(11)；
所述约束层加载装置(8)在所述金属零件(5)表面形成约束层；
所述聚焦装置(11)输出的光斑穿过所述约束层作用于所述金属零件(5)表面。
2.根据权利要求1所述的激光冲击强化装置，其特征在于，所述高重频低能量激光器(1)，工作频率大于100Hz，脉宽在ns级别，能量小于1J。
3.根据权利要求1所述的激光冲击强化装置，其特征在于，所述导光装置(2)为光纤，所述光纤与聚焦装置(11)之间设有整形装置(10)，所述整形装置(10)与所述聚焦装置(11)一体化设置组成整形聚焦装置(3)。
4.根据权利要求1所述的激光冲击强化装置，其特征在于，所述聚焦装置(11)安装在运动夹持装置(4)上。
5.根据权利要求1所述的激光冲击强化装置，其特征在于，所述金属零件(5)安装在零件运动装置(6)上。
6.根据权利要求1所述的激光冲击强化装置，其特征在于，所述约束层加载装置(8)采用水光一体式加载装置。
7.根据权利要求1所述的激光冲击强化装置，其特征在于，所述约束层加载装置(8)采用水下加载装置。
8.根据权利要求6或7任一项所述的激光冲击强化装置，其特征在于，所述高重频低能量激光器(1)采用绿光波段的激光器。
9.一种激光冲击强化方法，其特征在于，包括：
采用高重频低能量激光器(1)输出激光；
将激光传输聚焦后穿过约束层作用于金属零件(5)表面。
10.高重频低能量激光在激光冲击强化中的用途。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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