CN110499418B

CN110499418B - 一种用于深冷激光冲击强化的装置

Info

Publication number: CN110499418B
Application number: CN201910788375.1A
Authority: CN
Inventors: 胡文景; 任旭东; 周王凡; 刘怀乐; 陈嘉男; 孙禺州; 顾嘉阳
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2039-08-26
Also published as: CN110499418A

Abstract

本发明涉及一种用于深冷激光冲击强化的装置，包括激光冲击强化系统、温度控制系统和计算机控制系统。所述激光冲击强化系统主要包括激光控制器，YAG激光器，全返镜，聚光镜。所述温度控制系统主要包括液氮罐，低温泵，伺服电机控制系统，伺服电机，锥形齿轮，直齿轮，底座，工作平台。所述工作平台位于二维移动平台上，所述计算机控制系统主要由计算机控制中心组成，计算机控制中心控制激光控制器、低温泵两部分，从而与激光冲击强化系统和温度控制系统联系起来，形成一个整体。此外，计算机系统还与温度传感器相连，达到检测温度的目的。本发明提出的一种温度可控的装置，可高效率大范围给材料降温，计算器系统控制，安全可靠。

Description

一种用于深冷激光冲击强化的装置

技术领域

本发明属于材料表面强化处理技术领域，具体涉及一种可用于深冷激光处理强化相关金属或合金表面的装置。

背景技术

深冷激光冲击强化（Cryogenic Laser Shock Peening）是一种在低温状态下对材料进行激光冲击强化（LSP）以达到给材料改性目的的处理方法。它结合深冷处理和激光冲击强化两种对材料进行处理的方法，能够在处理的材料表面形成比常温状态下更多的纳米孪晶，产生更高密度的位错，增强材料的材料强度和良好的热稳定性。

深冷激光冲击强化的低温条件是以液氮为制冷剂，已达到低温的效果。深冷处理分为液体法和气体法。液体法是将工件直接放入液氮中，处理温度为-150℃，缺点是热冲击大，有时甚至造成工件开裂；气体法是通过液氮的气化潜热和低温氮气吸热制冷，处理温度达-196℃，处理效果较好。

发明内容

本发明提出了一种用于深冷激光冲击强化的装置，可以实现加工工件在恒定的低温环境下进行激光的冲击强化处理。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种用于深冷激光冲击强化的装置，包括激光发生系统，所述激光发生系统发出的激光传送至工作平台内，所述工作平台位于二维移动平台上，所述工作平台包括底板，所述底板上固定有密封盖，所述密封盖内设置有旋转平台，所述旋转平台上开设有若干第一通孔，所述旋转平台下方与旋转轴连接，所述旋转平台上从下到上依次设置有不锈钢试样、吸收层和约束层，所述约束层正对K9玻璃盖板，所述K9玻璃盖板位于所述密封盖上，所述旋转轴外设置有石墨轴套，所述旋石墨轴套嵌套在下固定工形套内，所述下固定工形套的下端面通过螺栓固定在底板上，所述下固定工形套的上端面上开设有若干第二通孔，所述旋转平台的下端面与所述下固定工形套的上端面贴合；所述密封盖内还设置有挡套，所述挡套与所述下固定工形套的上端面之间的空间构成调节腔，所述调节腔与液氮罐的输出管道连接；所述旋转平台与所述密封盖之间的空间构成低温保温腔，所述不锈钢试样位于所述低温保温腔内；所述旋转轴下方与动力装置连接。

上述方案中，所述液氮罐的输出管道上设置有低温泵，所述旋转轴下方安装有直齿轮，所述直齿轮与锥形齿轮组啮合，所述锥形齿轮组的动力轴与伺服电机连接。

上述方案中，所述伺服电机、所述低温泵与计算机控制中心连接。

上述方案中，所述低温保温腔内设置有温度传感器，所述温度传感器与计算机控制中心连接。

上述方案中，所述激光发生系统包括激光控制器，YAG激光器，全反镜和聚光镜，所述激光控制器与计算机控制中心连接。

上述方案中，所述密封盖上开设有平衡孔，所述平衡孔与所述低温保温腔连通。

本发明的有益效果：（1）提出一种温度可控的装置，可高效率大范围给材料降温，方便控制。通过控制加工平台的旋转，改变低温氮气气体通道的横截面积，调节流量，以达到控制温度的目的，相对于直接用喷嘴式直接利用液氮降温，该装置比较稳定，并且温度可控。（2）通过控制旋转工作台进行降温处理，改变第一通孔和第二通孔的重合度，实现对低温氮气通道横截面积的改变，从而改变氮气进入到低温保温腔的流量以达到控制温度的目的，储于调节腔内的液氮可多次使用，换样期间只需关闭通道即可，防止液氮大量流失。（3）与一般的强化处理相比效果更加明显，加工过程环保安全。（4）本装置适用于奥氏体不锈钢304作为材料，深冷激光冲击后可在材料表面形成一种微观结构，变形孪晶，堆垛层错和复合结构网络，有助于提高材料强度和微观结构稳定性。

附图说明

图1为深冷激光冲击强化的装置的示意图。

图2为工作平台结构的示意图。

图3为旋转台的上端面俯视图。

图中：1-计算机控制中心；2-激光控制器；3- Nd：YAG激光器；4-全返镜；5-聚光镜；6- 工作平台（6-1旋转平台；6-2石墨轴套；6-3下固定工形套；6-4挡套；6-5密封盖；6-6螺栓；6-7底板；6-8轴承；6-9温度传感器，6-10垫片，6-11K9玻璃盖板，6-12约束层，6-13吸收层，6-14不锈钢试样）；7-二维移动平台；8-直齿轮；9-锥形齿轮组；10-伺服电机；11-伺服电机控制系统；12-低温泵；13-液氮罐。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行更详细的说明。

如图1所示，本实施例的一种用于深冷激光冲击强化的装置，包括激光冲击强化系统、温度控制系统和计算机控制系统。所述激光冲击强化系统主要包括激光控制器2，Nd：YAG激光器3，全返镜4，聚光镜5。所述温度控制系统主要包括液氮罐13，低温泵12，伺服电机控制系统11，伺服电机10，锥形齿轮9，直齿轮8，底座7，工作平台6。所述工作平台6位于二维移动平台7上，所述计算机控制系统主要由计算机控制中心1组成，计算机控制中心1控制激光控制器2、低温泵12两部分，从而与激光冲击强化系统和温度控制系统联系起来，形成一个整体。此外，计算机系统还与温度传感器6-9相连，达到检测温度的目的。

如图2所示，工作平台6组成包括旋转台6-1，石墨轴套6-2，下固定工形套6-3，挡套6-4，密封盖6-5，螺栓6-6，底板6-7，轴承6-8，温度传感器6-9，垫片6-10，K9玻璃盖板6-11，约束层6-12，吸收层6-13，不锈钢试样6-14，所述底板6-7上固定有密封盖6-5，所述密封盖6-5内设置有旋转平台6-1，所述旋转平台6-1上开设有若干第一通孔（如图3所示），所述旋转平台6-1下方与旋转轴连接，所述旋转平台6-1上从下到上依次设置有不锈钢试样6-14、吸收层6-13和约束层6-12，所述约束层6-12正对K9玻璃盖板6-11，所述K9玻璃盖板6-11位于所述密封盖6-5上，所述旋转轴外设置有石墨轴套6-2，所述旋石墨轴套6-2嵌套在下固定工形套6-3内，所述下固定工形套6-3的下端面通过螺栓6-6固定在底板6-7上，所述下固定工形套6-3的上端面上开设有若干第二通孔，所述旋转平台6-1的下端面与所述下固定工形套6-3的上端面贴合；所述密封盖6-5内还设置有挡套6-4，所述挡套6-4与所述下固定工形套6-3的上端面之间的空间构成调节腔，所述调节腔与液氮罐13的输出管道连接；所述旋转平台6-1与所述密封盖6-5之间的空间构成低温保温腔，所述不锈钢试样6-14位于所述低温保温腔内；所述旋转轴下方位于轴承6-8内，末端安装有直齿轮8，所述直齿轮8与锥形齿轮组9啮合，所述锥形齿轮组9的动力轴与伺服电机10连接。

由于旋转台6-1上开设的若干第一通孔和下固定工形套6-3上开设的若干第二通孔，通过转动旋转台6-1，改变对应第一通孔和第二通孔的重合度，改变低温氮气通道横截面积从而改变流量以达到控制温度的目的。在密封盖6-5上开设有平衡孔，所述平衡孔与所述低温保温腔连通，用来平衡压力。

具体实施例：1）304不锈钢经280#，500#，800#，1200#，1500#，2000#砂纸打磨后，去除表面氧化物和划痕，然后置于无水乙醇中用超声波清洗材料表面10min，去除表面油污。2）试样的安装：试样安装在二维移动平台上，试样表面附有吸收层（铝箔或黑漆）和约束层（K9玻璃）。3）开启电源，开启计算机控制中心，关闭旋转台通道，开启并调节低温泵，输送低温液氮至调节腔，在腔内留有二分之一容量的液氮。然后启动伺服电机完全打开旋转台通道，快速输送低温氮气至低温保温腔，低温氮气根据热传递原理使试样降温，计算机控制中心根据温度传感器数据调节伺服电机调整旋转台通道大小，使试样温度保持在目标温度。4）试样达到目标温度时，激光控制器控制激光发生器发射激光，与此同时，二维移动平台带动试样移动，达到冲击强化的效果。激光冲击参数为:激光能量8.2 J,脉宽20 ns,光斑直径4 mm,冲击次数为3次,搭接率66%。5）冲击强化完闭后关闭所有装置，打开玻璃盖板，将经过强化的试样取下，让其恢复常温。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims

1.一种用于深冷激光冲击强化的装置，包括激光发生系统，其特征在于，所述激光发生系统发出的激光传送至工作平台（6）内，所述工作平台（6）位于二维移动平台（7）上，所述工作平台（6）包括底板（6-7），所述底板（6-7）上固定有密封盖（6-5），所述密封盖（6-5）内设置有旋转平台（6-1），所述旋转平台（6-1）上开设有若干第一通孔，所述旋转平台（6-1）下方与旋转轴连接，所述旋转平台（6-1）上从下到上依次设置有不锈钢试样（6-14）、吸收层（6-13）和约束层（6-12），所述约束层（6-12）正对K9玻璃盖板（6-11），所述K9玻璃盖板（6-11）位于所述密封盖（6-5）上，所述旋转轴外设置有石墨轴套（6-2），所述石墨轴套（6-2）嵌套在下固定工形套（6-3）内，所述下固定工形套（6-3）的下端面通过螺栓（6-6）固定在底板（6-7）上，所述下固定工形套（6-3）的上端面上开设有若干第二通孔，所述旋转平台（6-1）的下端面与所述下固定工形套（6-3）的上端面贴合；所述密封盖（6-5）内还设置有挡套（6-4），所述挡套（6-4）与所述下固定工形套（6-3）的上端面之间的空间构成调节腔，所述调节腔与液氮罐（13）的输出管道连接；所述旋转平台（6-1）与所述密封盖（6-5）之间的空间构成低温保温腔，所述不锈钢试样（6-14）位于所述低温保温腔内；所述旋转轴下方与动力装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于深冷激光冲击强化的装置，其特征在于，所述液氮罐（13）的输出管道上设置有低温泵（12），所述旋转轴下方安装有直齿轮（8），所述直齿轮（8）与锥形齿轮组（9）啮合，所述锥形齿轮组（9）的动力轴与伺服电机（10）连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于深冷激光冲击强化的装置，其特征在于，所述伺服电机（10）、所述低温泵（12）与计算机控制中心（1）连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于深冷激光冲击强化的装置，其特征在于，所述低温保温腔内设置有温度传感器（6-9），所述温度传感器（6-9）与计算机控制中心（1）连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于深冷激光冲击强化的装置，其特征在于，所述激光发生系统包括激光控制器（2），YAG激光器（3），全反镜（4）和聚光镜（5），所述激光控制器（2）与计算机控制中心（1）连接。

6.根据权利要求1至5所述的任意一种用于深冷激光冲击强化的装置，其特征在于，所述密封盖（6-5）上开设有平衡孔，所述平衡孔与所述低温保温腔连通。