CN110453063B - 一种温度可控的低温激光冲击强化的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度可控的低温冲击强化的装置与方法，包括激光冲击强化系统、夹具、计算机控制系统以及制冷系统，涉及极端工况激光加工处理领域。所述制冷系统可以在激光冲击过程中向夹具内充入液氮，提供‑70—‑300°±3°的低温环境；工件与约束层贴合避免液氮对激光束的散射。所述工件固定在夹具上；所述夹具与三维移动平台相连；所述三维移动平台可以带动所述夹具上下左右前后运动，完成激光冲击强化。本发明操作便捷，适用范围广，结构简单，可以加工大小各异的块状零件，可以实现更优的低温冲击强化试验效果。

Description

一种温度可控的低温激光冲击强化的装置与方法

技术领域

本发明属于激光加工处理领域，具体的说是一种温度可控的低温激光冲击强化装置与方法。

技术背景

激光冲击强化概念的出现可以追溯到20世纪60年代，但真正开始研究则是70年代的事情，在90年代则引起学者的高度关注并开始被大规模研究。激光冲击强化技术是一种表面处理技术，它利用短脉冲、高峰值功率密度的激光辐照金属表面，诱发等离子体，等离子体在约束层的约束下，产生高压冲击波轰击靶材。在经过激光冲击强化处理后，会在材料表面产生极高的残余压应力和细化晶粒，以此来改变材料的力学性能。但是其产生的残余压应力和微观结构会在高温交变载荷下产生松弛与失效，降低材料的力学性能。为了改善激光冲击强化后表面的高温性能，有学者在2012年提出了低温激光冲击强化的概念，低温激光冲击强化需要先将工件降温到一定程度，然后再对其进行冲击强化处理，它结合了激光冲击强化超高应变率与低温的体积收缩效应，可以使得工件表面产生密度更大的机械孪晶、超细晶粒、高密度位错结构与更加高的残余应力，从而极大的加强材料的表面硬度与韧性，以此来提高材料表面的高温摩擦磨损与疲劳性能。但是目前关于采用低温激光冲击强化的装置及方法很少有学者进行研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温度可控的低温激光冲击强化的装置与方法，实现对工件的低温激光冲击强化。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：一种温度可控的低温激光冲击强化的装置，包括激光发生器和三维移动平台，所述三维移动平台上安装有激光冲击夹具，所述激光冲击夹具包括第一连接板和第二连接板，所述第一连接板上设置有透光孔，所述透光孔内固定安装有K9玻璃，所述透光孔的孔壁上设置有两个通孔，储氮罐通过绝热管道与其中一个通孔连通，另外一个通孔上密封安装有气动减压阀，所述第二连接板的两侧分别固定在第一电动伸缩柱和第二电动伸缩柱上，所述第二连接板的中部安装有第三电动伸缩柱，所述第三电动伸缩柱位于所述第一连接板的透光孔内，所述第三电动伸缩柱的表面装有压力传感器与温度传感器，工件固定在所述第三电动伸缩柱的伸缩面末端，所述激光发生器发出的激光经K9玻璃聚焦到所述工件上。

上述方案中，所述激光发生器、所述三维移动平台、所述第一电动伸缩柱、所述第二电动伸缩柱、所述第三电动伸缩柱、所述压力传感器、所述温度传感器均与计算机控制系统连接。

上述方案中，所述K9玻璃通过压块固定在所述第一连接板的透光孔内，所述压块通过第一螺钉与第二螺钉固定在所述第一连接板的透光孔端面壁上。

上述方案中，所绝热述管道入口处安装有节流阀。

上述方案中，所述激光发生器发出的激光通过由导光系统和聚焦透镜构成的光路聚焦到所述工件上。

本发明还提供了一种温度可控的低温激光冲击强化的方法，包括以下步骤：S1.对工件进行抛光与清洁处理，使得表面光洁和去除表面的污垢；S2.在工件上涂抹激光能量吸收层，将工件固定在第二连接板中部的第三电动伸缩柱的伸缩面端部；S3. 将K9玻璃放入第一连接板的透光孔中，将压块压紧K9玻璃，通过第一螺钉和第二螺钉将压块固定在第一连接板的透光孔端面壁上；S4.通过计算机控制系统控制第一电动伸缩柱和第二电动伸缩柱，实现第二连接板朝着第一连接板的方向平动，直至将第一连接板与第二连接板贴合在一起；S5.此时第三电动伸缩柱上的压力传感器开始工作，将压力参数传回计算机控制系统，计算机控制系统控制第三电动伸缩柱朝着K9玻璃方向移动，使得工件触碰到K9玻璃，当压力传感器数值达到规定值时，第三电动伸缩柱停止运动，工件被牢牢地夹紧在K9玻璃上；S6.调整三维移动平台，使得激光发生器发出的激光的光斑聚焦于工件上，计算机控制系统预先设定好三维移动平台的运动轨迹；S7.打开节流阀，并设定好其流量参数控制储氮罐中的液氮流经绝热管道充入夹具内，同时设定好气体减压阀的参数，将气化的液氮排出夹具，保证液氮能持续流入第一连接板的透光孔内；通过节流阀与减压阀参数的相互配合可以调整第一连接板的透光孔内的温度；温度传感器将温度数据传回计算机控制系统，达到指定温度时，计算机控制系统启动激光发生器，三维移动平台开始移动，开始冲击强化；S8.冲击完成后，关闭激光发生器与三维移动平台，计算机控制系统控制第一电动伸缩柱与第二电动伸缩柱，使得第一连接板与第二连接板分离，计算机控制系统控制第三电动伸缩柱回缩到极限位置，取下工件，同时将K9玻璃拆下，完成激光冲击强化，整个过程结束。

上述方案中，所述激光能量吸收层为铝箔或者硅酸乙酯黑漆。

上述方案中，当压力传感器数值达到1000Pa时，第三电动伸缩柱停止运动。

本发明的有益效果：（1）制冷系统可以在激光冲击过程中向夹具内充入液氮，提供-70到-300°的低温环境；工件与K9玻璃约束层贴合在一起，避免液氮对激光束的散射。（2）本发明智能化程度高，操作便捷，结构简单，通过低温激光冲击强化可以很好的提升材料的高温摩擦磨损性能与高温疲劳性能。

附图说明

图1是本发明装置的结构原理图。

图2为压力传感器与温度传感器放大图。

图中：1.激光发生器;2.计算机控制系统；3.第一连接板；4.第一电动伸缩柱；5.第二连接板；6.三维移动平台；7.压力传感器；8.第三电动伸缩柱；9.温度传感器；10.第二电动伸缩柱；11.绝热管道；12.气动减压阀；13.工件；14. 压块；15.第二螺钉；16.K9玻璃；17.第一螺钉；18.聚焦透镜；19.导光系统；20.节流阀；21.储氮罐；22.高能平行激光束；23.数据连接线。

具体实施方式

下面结合附图例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例提供的一种温度可控的低温激光冲击强化的装置，包括激光发生器1，所述激光发生器1与计算机控制系统2相连，计算机控制系统2可以控制激光发生器1中激光的各种参数包括光斑直径，脉冲宽度，激光波长，激光能量密度、搭接率与激光频率以；计算机控制系统2与三维移动平台6相连，用来控制三维移动平台6的运动参数；导光系统19位于激光发生器1正下方并将激光器发射的高能平行激光束22反射到聚焦透镜18中；所述聚焦透镜18位于导光系统19正右方，用来将高能激光束聚焦于激光冲击夹具内的工件13上。激光冲击夹具由第一连接板13和第二连接板5围成，其中K9玻璃16放置在第一连接板3的透光孔内，且由压块14固定，所述压块14通过第一螺钉17与第二螺钉15与第一连接板13固定；所述第一连接板13透光孔上方有2个通孔，一个通孔通过绝热管道11与气体减压阀12相连，另外一个通孔上安装有气动减压阀12；第二连接板5上方固定在第一电动伸缩柱4上，下方固定在第二电动伸缩柱10上；所述第二连接板5中间安装有第三电动伸缩柱8；如图2所示，所述第三电动伸缩柱8表面装有压力传感器7与温度传感器9；所述第三电动伸缩柱8的伸缩面端部固定安装工件13。

优选的，所述第一电动伸缩柱4、所述第二电动伸缩柱10、所述第三电动伸缩柱8、压力传感器7、温度传感器9通过数据连接线23与计算机控制系统2连接。所述第一连接板3的透光孔腔与储氮罐21通过绝热管道11相连；所绝热述管道11入口处有节流阀20。

利用该装置进行温度可控的低温激光冲击强化的方法如下：S1.对工件进行抛光与清洁处理，使得表面光洁和去除表面的污垢；S2.在工件上涂抹硅酸乙酯黑漆，通过激光控制系统调节好激光器各项参数，例如脉冲宽度10ns、激光波长1064nm、激光能量6J，搭接率33%、光斑直径1mm、重复率1Hz，通过计算机控制系统调节好温度参数；S3.待硅酸乙酯黑漆干了之后，将工件固定在第三电动伸缩柱的伸缩面端部上；S4.将K9玻璃放入第一连接板的透光孔中，在将压块压紧K9玻璃并通过第一螺钉和第二螺钉固定好。S5.通过计算机控制系统控制第一电动伸缩柱和第二电动伸缩柱，实现第一连接板与第二连接板的贴合；S6.压力传感器开始工作，将压力参数传回计算机控制系统，计算机控制系统控制第三电动伸缩柱上升，使得工件触碰到K9玻璃，K9玻璃作为约束层，当压力传感器数值达到1000Pa时，第三电动伸缩柱停止上升，夹紧工件。S7.调整三维移动平台将光斑聚焦于工件的所需位置，通过计算机控制系统设定三维移动平台的运动参数。S8.打开节流阀并设定好其流量参数控制储氮罐中的液氮流经绝热管道充入夹具内，同时设定好气体减压阀的参数，将气化的液氮排出夹具，保证液氮能持续流入夹具内；通过节流阀与减压阀参数的相互配合可以调整夹具内的温度；温度传感器开始工作，将温度数据传回计算机控制系统，达到指定温度时，计算机控制系统，启动激光发生器，三维移动平台开始移动，开始冲击强化。S9.冲击完成后，关闭激光发生器与三维移动平台，计算机控制系统控制第一电动伸缩柱与第二电动伸缩柱上升使得第一连接板与第二连接板分离，计算机控制系统控制第三电动伸缩柱下降到最低点，取下工件，同时将K9玻璃拆下，完成激光冲击强化，整个过程结束。

Claims (8)

1.一种温度可控的低温激光冲击强化的装置，其特征在于，包括激光发生器（1）和三维移动平台（6），所述三维移动平台（6）上安装有激光冲击夹具，所述激光冲击夹具包括第一连接板（3）和第二连接板（5），所述第一连接板（3）上设置有透光孔，所述透光孔内固定安装有K9玻璃（16），所述透光孔的孔壁上设置有两个通孔，储氮罐（21）通过绝热管道（11）与其中一个通孔连通，另外一个通孔上密封安装有气动减压阀（12），所述第二连接板（5）的两侧分别固定在第一电动伸缩柱（4）和第二电动伸缩柱（10）上，所述第二连接板（5）的中部安装有第三电动伸缩柱（8），所述第三电动伸缩柱（8）位于所述第一连接板（3）的透光孔内，所述第三电动伸缩柱（8）的表面装有压力传感器（7）与温度传感器（9），工件（13）固定在所述第三电动伸缩柱（8）的伸缩面末端，所述激光发生器（1）发出的激光经K9玻璃（16）聚焦到所述工件（13）上。

2.根据权利要求1所述的一种温度可控的低温激光冲击强化的装置，其特征在于，所述激光发生器（1）、所述三维移动平台（6）、所述第一电动伸缩柱（4）、所述第二电动伸缩柱（10）、所述第三电动伸缩柱（8）、所述压力传感器（7）、所述温度传感器（9）均与计算机控制系统（2）连接。

3.根据权利要求1所述的一种温度可控的低温激光冲击强化的装置，其特征在于，所述K9玻璃（16）通过压块（14）固定在所述第一连接板（3）的透光孔内，所述压块（14）通过第一螺钉（17）与第二螺钉（15）固定在所述第一连接板（13）的透光孔端面壁上。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种温度可控的低温激光冲击强化的装置，其特征在于，所述绝热述管道（11）入口处安装有节流阀（20）。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种温度可控的低温激光冲击强化的装置，其特征在于，所述激光发生器（1）发出的激光通过由导光系统（19）和聚焦透镜（18）构成的光路聚焦到所述工件（13）上。

6.一种温度可控的低温激光冲击强化的方法，包括以下步骤：

S1.对工件（13）进行抛光与清洁处理，使得表面光洁和去除表面的污垢；

S2.在工件（13）上涂抹激光能量吸收层，将工件（13）固定在第二连接板（5）中部的第三电动伸缩柱（8）的伸缩面端部；

S3. 将K9玻璃（16）放入第一连接板（3）的透光孔中，将压块（14）压紧K9玻璃（16），通过第一螺钉（17）和第二螺钉（15）将压块（14）固定在第一连接板（3）的透光孔端面壁上；

S4.通过计算机控制系统（2）控制第一电动伸缩柱（4）和第二电动伸缩柱（10），实现第二连接板（5）朝着第一连接板（3）的方向平动，直至将第一连接板（3）与第二连接板（5）贴合在一起；

S5.此时第三电动伸缩柱（8）上的压力传感器（7）开始工作，将压力参数传回计算机控制系统（2），计算机控制系统（2）控制第三电动伸缩柱（8）朝着K9玻璃（16）方向移动，使得工件（13）触碰到K9玻璃（16），当压力传感器数值达到规定值时，第三电动伸缩柱（8）停止运动，工件（13）被牢牢地夹紧在K9玻璃（16）上；

S6.调整三维移动平台（6），使得激光发生器（1）发出的激光的光斑聚焦于工件（13）上，计算机控制系统（2）预先设定好三维移动平台（6）的运动轨迹；

S7.打开节流阀（20），并设定好其流量参数控制储氮罐（21）中的液氮流经绝热管道（11）充入夹具内，同时设定好气体减压阀（12）的参数，将气化的液氮排出夹具，保证液氮能持续流入第一连接板（3）的透光孔内；通过节流阀（20）与减压阀（12）参数的相互配合可以调整第一连接板（3）的透光孔内的温度；温度传感器（9）将温度数据传回计算机控制系统（2），达到指定温度时，计算机控制系统（2）启动激光发生器（1），三维移动平台（6）开始移动，开始冲击强化；

S8.冲击完成后，关闭激光发生器（1）与三维移动平台（6），计算机控制系统（2）控制第一电动伸缩柱（4）与第二电动伸缩柱（10），使得第一连接板（3）与第二连接板（5）分离，计算机控制系统（2）控制第三电动伸缩柱（8）回缩到极限位置，取下工件（13），同时将K9玻璃（16）拆下，完成激光冲击强化，整个过程结束。

7.根据权利要求6所述的一种温度可控的低温激光冲击强化的方法，其特征在于，所述激光能量吸收层为铝箔或者硅酸乙酯黑漆。

8.根据权利要求6所述的一种温度可控的低温激光冲击强化的方法，其特征在于，当压力传感器数值达到1000Pa时，第三电动伸缩柱（8）停止运动。

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