CN110438333A - 一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及表面处理技术领域，且公开了一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化方法，包括步骤工件的预处理、涂覆吸收保护层、施加约束层、扫描式激光冲击处理和工件后处理。通过使用光纤激光器输出高重频低能量激光降低了，使机械系统的设计变得非常简单，同时使用过程中不需要热电制冷和水冷，只需简单的风冷，综合光电效率高达20％以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本，通过模拟机械喷丸高速弹丸流对待强化区域进行扫描式冲击处理，提高加工效率，采用低能量光束对材料表面进行扫描式加工强化，形成均匀的残余压应力场，解决了强化后残余应力场优化难度大的难题，采用小光斑、低能量激光进行扫描式加工强化，适应性更广。

Description

一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化方法及其装置

技术领域

本发明涉及表面处理技术领域，具体为一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化方法及其装置。

背景技术

近年来，航空航天等领域关键部件为进一步提高表面强化效果，发展了一些新的表面强化技术，较有代表性的为激光冲击强化技术。其基本原理是利用激光诱导冲击波对金属部件表面作用，形成残余压应力和改变表层组织结构，大幅提高表面质量和表面完整性，从而显著提高其疲劳强度和寿命。

由于现有激光冲击强化成套设备主要采用YAG固体激光器，价格昂贵，市场价在800-1000万元/台，目前只针对航空航天部件及一些产品附加值较高的部件做表面处理，难以做到大范围的普及。

其次，由于目前激光冲击强化的激光触发频率一般为1-20Hz，与传统机械喷丸技术采用的高速密集的弹丸流相比，加工效率较低。

还有，激光冲击强化为保证形成均匀的残余压应力场，需要对脉冲能量、脉冲宽度、光斑大小、光斑搭接、冲击路径等工艺参数精确设计和控制，尤其针对复杂部件或薄壁部件，残余应力场优化难度大。

发明内容

针对上述背景技术的不足，本发明提供了一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化方法及其装置，具备的适应性好、强化效果好、绿色无污染的优点，解决了背景技术提出的问题。

本发明提供如下技术方案：一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化方法，包括步骤：

S1、工件的预处理：将工件放入装有恒温乙醇溶液的超声清洗机中，对工件进行超声清洗；

S2、涂覆吸收保护层：在加工工件表面涂抹吸收保护层用于吸收激光能量产生等离子体爆轰波并保护工件；

S3、施加约束层：根据前期设计好的扫描路径向工件表面施加一层均匀的水约束层，用于约束等离子体冲击波，提高冲击波压力；

S4、扫描式激光冲击处理：使用高重频光纤维激光器模拟机械喷丸高速弹丸流，并按照前期设计好的扫描路径对待强化工件的表面进行扫描式冲击处理；

S5、工件后处理：将强化后的工件再次放入装有恒温乙醇溶液的超声清洗机中，对工件进行超声清洗，清洗后在使用去离子水冲洗并使用氮气吹干。

优选的，所述步骤S4中高重频光纤维激光器的激光能量设置为50-500MJ，脉冲重复频率为500-2000HZ,光斑直径为0.4-0.6MM。

优选的，所述光纤激光器与过程控制系统电性连接，所述过程控制系统通过光敏元件获取采集等离子体辉光放电信息，所述过程控制系统通过处理器控制声波采集设备的开启并获取和处理声波采集设备接收的的声波信息，所述过程控制系统和工控机进行信息传输，所述过程控制系统控制运动平台的移动。

优选的，所述光纤激光器的底部安装有一体激光喷丸头，所述一体激光喷丸头的一侧设有通气孔，所述一体激光喷丸头的内部设有喷腔，所述喷腔的中部安装有加工透镜，所述喷腔连通有约束水腔。

优选的，所述过程控制系统中设置有合适的触发电平。

优选的，所述处理器内储存有标准声波特征。

本发明具备以下有益效果：

1、用光纤激光器输出高重频低能量激光，作为第三代激光技术的代表，与传统YAG固体激光器相比，玻璃光纤制造成本低、技术成熟，光纤激光器的市场价格在200-300万/台，且光纤的可饶性使得激光器小型化、集约化，另外光纤导出的技术优势使得激光器能够轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单，使用过程中不需要热电制冷和水冷，只需简单的风冷，综合光电效率高达20％以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。

2、模拟机械喷丸高速弹丸流对待强化区域进行扫描式冲击处理，区别于传统激光冲击强化过程中的逐点搭接冲击，通过扫描式冲击处理，不再需要提前规划冲击路径、光斑大小等参数，只需对强化区域全覆盖面扫冲击处理，加工效率高，工艺简单。

3、采用低能量光束对材料表面进行扫描式加工强化，保证了形成均匀的残余压应力场，无需要对脉冲能量、脉冲宽度、光斑大小、光斑搭接、冲击路径等工艺参数设计和控制，解决了对复杂部件或薄壁部件强化后残余应力场优化难度大的难题。

4、本发明中采用小光斑、低能量激光进行扫描式加工强化，一方面小光斑加工精准，具有处理复杂的异形构件的独特优势，拓宽激光冲击强化技术的应用范围，另一方面低能量光束对材料表面状态影响小，适用于精密加工零部件。

附图说明

图1为脉冲激光冲击强化示意图；

图2为脉冲激光冲击强化的效果图；

图3为本发明方法的过程示意图；

图4为本发明装置的示意图；

图5为本发明装置中一体激光喷丸头示意图；

图6为本发明方法强化的效果图；

图7本发明装置的控制流程图。

图中：1、光纤激光器；2、过程控制系统；3、工控机；4、处理器；5、声波采集设备；6、运动平台；7、工件；8、吸收保护层；9、约束层；10、光敏元件；11、一体激光喷丸头；12、通气孔；13、加工透镜；14、约束水腔；15、喷腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中对钛合金Ti6Al4V进行强化处理，该工件为长方形薄壁件，长45mm，宽20mm，厚3mm。

请参阅图3-7，一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化方法，包括步骤：

S1、工件7的预处理：本实施例中将工件7放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗9min。

S2、涂覆吸收保护层8：本实施例中在待加工工件7表面涂覆厚度为120um厚的吸收保护层8，用于吸收激光能量产生等离子体爆轰波并保护工件7，一般选用黑胶带或铝箔，本实施例中使用铝箔，涂覆后，将涂覆有吸收保护层8的工件7固定在运动平台6的夹具上，并通过运动平台6控制夹具姿态，使工件7与一体激光喷丸头11的位置相配合；

S3、施加约束层9：将前期设计好的面扫描式强化路径输入到工控机3中，并通过一体激光喷丸头11向工件7表面施加一层均匀的水约束层，用于约束等离子体冲击波，将提高冲击波压力一倍以上；

S4、扫描式激光冲击处理：启动高重频光纤激光器1，设置激光能量为低能量50-500mJ，光斑直径为0.4 2-0.6mm，脉冲重复频率为500-2000Hz，用以模拟机械喷丸高速弹丸流对待强化区域进行扫描式冲击处理，冲击1次；

S5、工件7后处理：将强化后的工件7取下，去除工件7表面涂覆的吸收保护层8，将试件放入装有温度20-24℃、浓度75-95％的乙醇水溶液的超声清洗机中，超声频率为40kHz，清洗10min，然后利用去离子水冲洗2min后用干燥的氮气吹干。

其中，步骤S4中高重频光纤维激光器的激光能量设置为50-500MJ，脉冲重复频率为500-2000HZ,光斑直径为0.4-0.6MM，一方面小光斑加工精准，具有处理复杂的异形构件的独特优势，拓宽激光冲击强化技术的应用范围；另一方面低能量光束对材料表面状态影响小，适用于精密加工零部件，而高频率则提高强化效率。

其中，光纤激光器1与过程控制系统2电性连接，由过程控制系统2控制的光纤激光器1的工作状态，过程控制系统2通过光敏元件10获取采集等离子体辉光放电信息，用于记录冲击发生的时间，过程控制系统2通过处理器4控制声波采集设备5的开启并获取和处理声波采集设备5接收的的声波信息，通过比对声波信号活动冲击状态是否正常，过程控制系统2和工控机3进行信息传输，工控机3对过程控制系统2进行控制并获得过程控制系统2的信息，过程控制系统2控制运动平台6的移动，运动平台6上夹具固定工件7，运动平台6移动带动工件7移动，使工件7的待冲击面全被覆盖。

其中，光纤激光器1的底部安装有一体激光喷丸头11，一体激光喷丸头11的一侧设有通气孔12，一体激光喷丸头11的内部设有喷腔15，喷腔15的中部安装有加工透镜13，喷腔15连通有约束水腔14，鉴于传统的激光冲击强化设备中水喷嘴与激光头相互分离，在加工复杂构型部件时会互相遮挡影响加工的缺点，本发明提出将水喷嘴与激光头结合到一起，实现水流、光束同口输出，约束水从约束水腔14的进水口流入，一部分从约束水腔14的出水口流出用于监测约束水的质量，通过约束水腔14和喷腔15之间的控制阀控制水流速度，激光束透过加工透镜13从激光头射出，通过加工透镜13的移动机构调节激光位置和大小，通过通气孔12通入和流出冷却、保洁用气体保护激光源不被污染，提高了激光冲击强化的精准性，使得激光红冲击强化设备小型化、集约化，拓宽了其加工复杂构型部件的应用范围。

其中，过程控制系统2中设置有合适的触发电平，当采集到的等离子体辉光放电放电信号强度大于触发电平时，则触发声波采集设备5工作。

其中，处理器4内储存有标准声波特征，用于比对冲击时产生的声波信号，判断冲击是否正常。

本发明的工作原理：

采用高灵敏度、宽频带的声波采集设备5进行声、电信号的转换，监控每一次冲击波的特性，并与数据库中的数据对比，激光经过约束层9辐照在吸收保护层8上，吸收保护层8形成等离子体，光敏元件10采集等离子体辉光放电，将其作为外接触发源，在过程控制系统2中设置合适的触发电平，确保只有在强化时才能触发声波采集设备5工作，处理器4对采集到的声波信号进行分析，并与在标准状态下得到的声波特征进行比较，并以光敏元件10采集到的信号为基准，确定声波的传播速度，综合得到每次激光触发的实时状态，过程控制系统2根据处理结果发出指令，若声波特征正常，则继续冲击，若有异常，则同步停止光纤激光器1以及运动平台6，并发出警告信号，显示出异常状态，由操作人员进行恢复并记录此时强化点的位置以及工艺参数的异常情况，当工艺参数恢复正常之后，操作人员点击同步控制，继续进行强化。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化方法，其特征在于：包括步骤：

S1、工件的预处理：将工件放入装有恒温乙醇溶液的超声清洗机中，对工件进行超声清洗；

S2、涂覆吸收保护层：在加工工件表面涂抹吸收保护层用于吸收激光能量产生等离子体爆轰波并保护工件；

S3、施加约束层：根据前期设计好的扫描路径向工件表面施加一层均匀的水约束层，用于约束等离子体冲击波，提高冲击波压力；

S4、扫描式激光冲击处理：使用高重频光纤维激光器模拟机械喷丸高速弹丸流，并按照前期设计好的扫描路径对待强化工件的表面进行扫描式冲击处理；

S5、工件后处理：将强化后的工件再次放入装有恒温乙醇溶液的超声清洗机中，对工件进行超声清洗，清洗后在使用去离子水冲洗并使用氮气吹干。

2.根据权利要求1所述的一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化方法，其特征在于：所述步骤S4中高重频光纤维激光器的激光能量设置为50-500MJ，脉冲重复频率为500-2000HZ,光斑直径为0.4-0.6MM。

3.一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化装置，包括光纤激光器(1)、过程控制系统(2)、工控机(3)、处理器(4)、声波采集设备(5)、运动平台(6)和光敏元件(10)，其特征在于：所述光纤激光器(1)与过程控制系统(2)电性连接，所述过程控制系统(2)通过光敏元件(10)获取采集等离子体辉光放电信息，所述过程控制系统(2)通过处理器(4)控制声波采集设备(5)的开启并获取和处理声波采集设备(5)接收的的声波信息，所述过程控制系统(2)和工控机(3)进行信息传输，所述过程控制系统(2)控制运动平台(6)的移动。

4.根据权利要求3所述的一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化方法及其装置，其特征在于：所述光纤激光器(1)的底部安装有一体激光喷丸头(11)，所述一体激光喷丸头(11)的一侧设有通气孔(12)，所述一体激光喷丸头(11)的内部设有喷腔(15)，所述喷腔(15)的中部安装有加工透镜(13)，所述喷腔(15)连通有约束水腔(14)。

5.根据权利要求3所述的一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化方法及其装置，其特征在于：所述过程控制系统(2)中设置有合适的触发电平。

6.根据权利要求3所述的一种千赫兹低能量激光扫描冲击强化方法及其装置，其特征在于：所述处理器(4)内储存有标准声波特征。