CN110205478A - 一种扫描式激光冲击强化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属表面处理，一种扫描式激光冲击强化装置，包括激光器、导光装置、约束层加载装置、一维扫描振镜和聚焦装置；所述导光装置设置于所述激光器和所述一维扫描振镜之间；金属零件位于所述一维扫描振镜的输出光路上；所述金属零件有约束层且设有运动夹持装置；所述聚焦装置设置于所述导光装置与所述金属零件之间的光路上。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，具体涉及一种扫描式激光冲击强化装置。
背景技术
激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种技术。它具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。金属工件表面的涂层的作用主要是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，目前常用的涂层材料有黑漆和铝箔等。约束层除了能约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力外，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间，目前常用的约束层为流水，K9玻璃。
激光冲击强化技术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。
目前激光冲击强化装置多为低重频，高能量固体激光器，激光通过聚焦后固定不动，由运动夹持系统带动零件的运动来完成激光冲击强化加工，激光冲击强化加工效率较低。
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，提供一种扫描式激光冲击强化装置。该目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提出了一种扫描式激光冲击强化装置，包括激光器、导光装置、约束层加载装置、一维扫描振镜和聚焦装置；
所述导光装置设置于所述激光器和所述一维扫描振镜之间；
金属零件位于所述一维扫描振镜的输出光路上；所述金属零件有约束层且设有运动夹持装置；
所述聚焦装置设置于所述导光装置与所述金属零件之间的光路上。
本发明的装置通过控制一维扫描振镜控制电机的转动，控制一维扫描振镜的扫描角度，从而对激光进行不同角度、方向的反射，实现激光的一维高速扫描，使激光的作用范围扩大；金属零件设置的运动夹持装置，用于固定金属零件的同时支撑金属零件进行运动，该运动轨迹可配合一维扫描振镜及金属零件加工需要进行设计；一维扫描振镜和运动夹持装置的结合，使激光和金属零件均具有角度可调功能，极大的方便了激光冲击强化加工，提高了加工效率。另外，通过一维扫描振镜和运动夹持装置两者角度的配合，提高了激光和金属零件之间的匹配度和灵活性，便于对复杂曲面的金属零件进行激光冲击强化加工。
本发明的更进一步优选方案是：所述运动夹持装置为机械臂。机械臂具有良好固定性能的同时，可调节角度范围广，可实现金属零件全方位的位置调整，以适应不同角度的激光。
本发明的更进一步优选方案是：所述激光器，工作频率为1-20000Hz，能量为20mJ-20J，脉宽为ns级。采用工作频率高的激光器会提高激光冲击强化的加工效率，高重频低能量激光器在激光冲击强化中鲜有应用；再结合金属零件的运动夹持装置和一维扫描振镜，使加工效率得到提高。
本发明的更进一步优选方案是：所述导光装置设有改变激光光束质量或光束形状的光学元件，导光装置对激光进行传输的同时进行激光整形。
本发明的更进一步优选方案是：所述导光装置为反射镜，所述聚焦装置设置于所述一维扫描振镜与所述金属零件之间的光路上。反射镜适用于高能量激光传输。
本发明的更进一步优选方案是：所述导光装置为光纤。光纤适用于低能量激光传输。
本发明的更进一步优选方案是：聚焦装置可设置于一维扫描振镜的输入激光光路上，也可以设置于一维扫描振镜的输出(反射)激光光路上
本发明的更进一步优选方案是：所述聚焦装置为场镜。
本发明的更进一步优选方案是：所述聚焦装置为聚焦镜。激光器发出低重频激光，如50Hz以下时，可在一维镜后采用普通聚焦镜，聚焦镜可随一维振镜同时偏转，降低加工成本。
本发明的更进一步优选方案是：还包括水约束层加载装置，所述约束层加载装置连接有水净化装置。约束层加载装置为金属零件表面加载约束层，采用成本低、效果好的水作为约束层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的装置通过控制一维扫描振镜控制电机的转动，控制一维扫描振镜的扫描角度，从而对激光进行不同角度、方向的反射，实现激光的一维高速扫描，使激光的作用范围扩大；金属零件设置的运动夹持装置，用于固定金属零件的同时支撑金属零件进行运动，该运动轨迹可配合一维扫描振镜及金属零件加工需要进行设计；一维扫描振镜和运动夹持装置的结合，使激光和金属零件均具有角度可调功能，极大的方便了激光冲击强化加工，提高了加工效率。
2、本发明的装置通过一维扫描振镜和运动夹持装置两者角度的配合，提高了激光和金属零件之间的匹配度和灵活性，便于对复杂曲面的金属零件进行激光冲击强化加工。
3、本发明的装置实用高重频低能量激光器输出激光，高工作频率带来高的加工效率。
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是导光装置示意图，其中(1)为透镜导光示意图，(2)为光纤导光示意图；
图3是聚焦装置位置示意图，其中(1)为聚焦装置设于一维扫描振镜输入激光光路，(2)为场镜设于一维扫描振镜反射光路上，(3)为远心场镜设于一维扫描振镜反射光路上；
图4是水约束加载示意图。
附图中各标记表示如下：
1.激光器；2.导光装置；3.一维扫描振镜；4.聚焦装置；5.金属零件；6.运动夹持装置；7.水净化装置；8.水约束加载装置；9.控制装置；10.反射镜；11.透镜传输整形装置；12.光纤；13.光纤传输整形装置；14.聚焦整形装置；15.场镜；16.远心场镜；17.喷水嘴。
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，本实施例的一种扫描式激光冲击强化装置，包括激光器1、导光装置2、水约束层加载装置8、一维扫描振镜3和聚焦装置4。
导光装置2采用反射镜10，其设置于激光器1和一维扫描振镜3之间，导光装置2与一维扫描振镜3之间还设有改变光束质量或光束形状的光学元件。金属零件5位于一维扫描振镜3的输出光路上；金属零件5有约束层且设有运动夹持装置6。聚焦整形装置14，设置于一维扫描振镜3的输入激光光路上，如图3(1)所示。
如图2(1)所示，反射镜10配合作为改变光束质量或光束形状光学元件的透镜传输整形装置11，对激光器1输出的激光进行整形和传输。导光装置2还可以采用其他硬导光装置。
所述激光器1，采用50-20000Hz以上高重频、低能量激光器。工作频率高的激光器1会提高激光冲击强化的加工效率，高重频低能量激光器在激光冲击强化中鲜有应用；再结合金属零件5的运动夹持装置6和一维扫描振镜3，使加工效率提高20-50％。一维扫描振镜3包括与其一体设计的的电机。
金属零件5表面的约束层通过水约束层加载装置8加载，水约束层加载装置8为固定式结构，且连接有水净化装置7，水净化装置7具有多级过滤功能，提供水约束层加载装置8所需的净化水；水约束层加载装置8包括喷水嘴17，喷水嘴17将净化水加载到金属零件5表面，如图4所示。
运动夹持装置6为机械臂或具有旋转运动功能的运动平台，还可以是其他现有技术中具有类似功能的运动夹持装置；可根据金属零件5表面的形貌，设定相应的运动轨迹。
聚焦装置4也可以采用其他具有聚焦作用的光学元件。
还包括控制装置9，所述控制装置9分别与所述激光器1、所述一维扫描振镜3、所述运动夹持装置6和所述水约束层加载装置8连接。控制装置9控制上述各部件协同工作，提高激光冲击强化效率。
实施例2
本实施例的一种扫描式激光冲击强化装置与实施例1结构基本相同，区别在于：
聚焦装置4设置于一维扫描振镜3的输出(反射)激光光路上，如图3(2)所示。
实施例3
本实施例的一种扫描式激光冲击强化装置与实施例1结构基本相同，区别在于：
聚焦装置4采用远心场镜16，设置于一维扫描振镜3的输出(反射)激光光路上，如图3(3)所示。
实施例4
本实施例的一种扫描式激光冲击强化装置与实施例1结构基本相同，区别在于：
激光器1，采用50Hz以下的低重频、高能量激光器。
如图2(2)所示，导光装置2采用光纤12或其他柔性导光装置，光纤12配合光纤传输整形装置13对激光器1输出的激光进行整形和传输。
聚焦装置4采用普通的聚焦镜，设置于所述一维扫描振镜3与所述金属零件5之间的光路上，并随一维扫描振镜3一起运动、偏转。
水约束层加载装置8为可动式结构。
实施例1-4中的激光器1、导光装置2、一维扫描振镜3、聚焦装置4、运动夹持装置6、水净化装置7和水约束加载装置8均可通过商购获得。
工作原理：激光器1输出激光；经过导光装置2整形传输至一维扫描振镜3；一维扫描振镜3通过控制电机的转动来控制反射角度，对激光进行反射；聚焦4将激光聚焦后作用在零件5的表面。
水净化装置7提供符合要求的净化水，并经过水约束加载装置8配合将水约束层加载在金属零件5表面配合聚焦光斑进行加工；金属零件5固定在运动夹持装置6上，随运动夹持系统运动；运动夹持装置6可配合一维扫描振镜3设置合适的运动路径，实现对金属零件5表面的激光冲击强化加工；
控制装置9，控制激光器1的输出、一维扫描振镜3的反射、运动夹持装置6的运动、水净化装置7的开关、水约束层加载装置8的加载以及各部分协同工作完成对金属零件5表面的激光冲击强化等。采用低重频激光器的结构中，聚焦装置4可随一维扫描振镜系统3的偏转一起运动。
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 (9)
1.一种扫描式激光冲击强化装置，其特征在于，包括激光器、导光装置、约束层加载装置、一维扫描振镜和聚焦装置；
所述导光装置设置于所述激光器和所述一维扫描振镜之间；
金属零件位于所述一维扫描振镜的输出光路上；所述金属零件有约束层且设有运动夹持装置；
所述聚焦装置设置于所述导光装置与所述金属零件之间的光路上。
2.根据权利要求1所述的扫描式激光冲击强化装置，其特征在于，所述运动夹持装置为机械臂。
3.根据权利要求1所述的扫描式激光冲击强化装置，其特征在于，所述激光器，工作频率为1-20000Hz，能量为20mJ-20J，脉宽为ns级。
4.根据权利要求1所述的扫描式激光冲击强化装置，其特征在于，所述导光装置设有改变激光光束质量或光束形状的光学元件。
5.根据权利要求1所述的扫描式激光冲击强化装置，其特征在于，所述导光装置为反射镜。
6.根据权利要求1所述的扫描式激光冲击强化装置，其特征在于，所述导光装置为光纤。
7.根据权利要求1所述的扫描式激光冲击强化装置，其特征在于，所述聚焦装置为场镜。
8.根据权利要求1所述的扫描式激光冲击强化装置，其特征在于，所述聚焦装置为普通聚焦镜。
9.根据权利要求1所述的扫描式激光冲击强化装置，其特征在于，还包括水约束层加载装置，所述约束层加载装置连接有水净化装置。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |