CN110539068A - 一种定向区域快速扫描式激光冲击强化方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定向区域快速扫描式激光冲击强化方法及系统，属于激光冲击领域，包括激光器、控制模块、振镜装置、夹持机器人和送水机器人，包括以下步骤：S1：设定激光器的激光冲击强化参数；S2：控制模块对待加工区域的形状扫描并规划激光冲击的路径；S3：调整振镜装置的反射镜的转动频次及转动角度，S4：振镜装置的反射镜每转动到下一角度时，激光器发射出脉冲激光到振镜装置的反射镜上，重复执行步骤S3，直到完成对整个待加工区域冲击强化。通过振镜装置的反射镜快速摆动，使反射出的激光束以激光冲击的路径移动，代替夹持机器人的运动，实现快速完成表面区域形状复杂零件的激光冲击强化。

Description

一种定向区域快速扫描式激光冲击强化方法及系统
技术领域
本发明涉及激光冲击领域，尤其涉及一种定向区域快速扫描式激光冲击强化方法及系统。
背景技术
在交变载荷的作用下，金属零部件经常因为局部疲劳裂纹、断裂而整体报废，甚至导致设备或装备的故障或事故，疲劳断裂是影响机械结构和装备安全性、可靠性的重要因素。大量研究表明，金属构件的疲劳性能与其表面完整性密切相关。一般情况下，断裂往往由于在交变载荷的作用下构件表面产生裂纹，逐渐扩展而导致整体的破坏。为提高服役条件下结构的可靠性，延长使用寿命，在不改变基体材料性能的前提下，表面强化技术得到国际上越来越多的研究，提出多种多样的表面强化方法，得到广泛应用，取得很好的效果与收益。
激光冲击强化技术作为一种新型材料表面改性技术，与喷丸、滚光、表面合金化等 传统强化手段相比，具有强化效果佳、适用性好的技术优势。其原理为通过短脉宽、高峰值 功率的激光辐射金属零件表面，使金属表面涂覆的吸收保护层吸收激光能量并发生爆炸气 化蒸发，产生温度大于K的高温、压力大于1GPa的高压等离子体；该离子体受金属表面 约束水层的约束，形成高压冲击波并向材料内部传播，利用冲击波的力学效应在材料表层 产生塑性变形，使表层材料发生微观组织变化，并在较深的厚度残留压应力，从而显著提高 金属的抗疲劳、耐磨损和防应力腐蚀等性能。
激光冲击强化装置通常由高能脉冲激光器、夹持机器人与送水机器人组成。在控制模块的作用下，激光器输出短脉冲高能脉冲激光束，并且在加工面上聚焦形成相应形状、大小的高能量密度激光光斑，与此同时携带工件的夹持机器人、送水机器人按照预先编制的程序运动，从而实现对工件指定位置指定路径的强化处理。这种把零件装夹在机器人上，依靠机械手臂来运动来完成冲击强化路径轨迹行走的方式，在遇到多个零件加工区域形状各不相同且冲击区域形状复杂时，机器人需要重复编程且编程难度大，因此会造成加工效率大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种解决对表面区域形状复杂的零件冲击强化机器人运动编程困难问题的方法及系统。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种定向区域快速扫描式激光冲击强化方法，包括激光器、控制模块、振镜装置、夹持机器人和送水机器人，所述激光器、所述控制模块和所述振镜装置相互电性连接，所述夹持机器人与所述送水机器人分别设在所述振镜装置的两侧；包括以下步骤：
S1：设定激光器的激光冲击强化参数；
S2：控制模块对待加工区域的形状扫描并规划激光冲击的路径；
S3：调整振镜装置的反射镜的转动频次及转动角度，使通过反射后的激光束沿着激光冲击的路径移动，同时调整激光器8发射出的激光束与振镜装置的反射镜的焦距；
S4：夹持机器人将加工工件夹持至振镜装置的物镜下，同时送水机器人对待加工区域喷水，振镜装置的反射镜每转动到下一角度时，激光器发射出脉冲激光到振镜装置的反射镜上，使反射出的脉冲激光的焦平面处于加工工件的加工区域上；重复执行步骤S3，直到完成对整个待加工区域冲击强化。
激光束对加工工件的冲击时，通过振镜装置的反射镜快速摆动，使反射出的激光束以激光冲击的路径移动，代替夹持机器人的运动，实现快速完成表面区域形状复杂零件的激光冲击强化，提高冲击强化的速度及生产效率；通过调整激光器发射出的激光束与振镜装置的反射镜的焦距提高了激光冲击强化的精准度。
优选的，所述激光冲击强化参数包括激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲激光触发频率、光斑搭接率和冲击强化次数。
优选的，脉冲激光触发频率设定为高频率触发；光斑搭接率设定为75%以上。
在激光参数设定化步骤中，由于振镜装置响应时间短，反射镜的运动速度快，因此在设定激光冲击强化参数时，通过设定脉冲激光高频率触发，保证加工速率；同时选用搭接率位75%以上，保证了激光冲击强化的效果。
优选的，所述振镜装置采用前聚焦振镜。
使振镜装置存在一个最大工作区域，区域范围内的不同点的位置对应存在相应的聚焦距离，根据反射镜转动的角度，判断冲击区域内冲击点的位置并自动调整焦距，保证脉冲激光的焦平面一直在加工零件上。
一种定向区域快速扫描式激光冲击强化系统，包括所述激光器、所述控制模块、所述振镜装置、所述夹持机器人和所述送水机器人；
所述控制模块用于设定激光器的激光冲击强化参数；对待加工区域的形状扫描并规划激光冲击的路径；调整激光器发射出的激光束与振镜装置的反射镜的焦距；
所述夹持机器人用于将加工工件夹持至振镜装置的物镜下；
所述送水机器人用于对待加工区域喷水；
所述振镜装置用于调整反射镜的转动频次及转动角度，使通过反射后的激光束沿着激光冲击的路径移动；
所述激光器用于挡振镜装置的反射镜每转动到下一角度时，发射出脉冲激光到振镜装置的反射镜上，使反射出的脉冲激光的焦平面处于加工工件的加工区域上。
优选的，所述振镜装置采用前聚焦振镜。
使振镜装置存在一个最大工作区域，区域范围内的不同点的位置对应存在相应的聚焦距离，根据反射镜转动的角度，判断冲击区域内冲击点的位置并自动调整焦距，保证脉冲激光的焦平面一直在加工零件上。
优选的，所述振镜装置设有两个振镜电机、X反射镜、Y反射镜及物镜；两个所述振镜电机的输出轴互相垂直设置，两个所述振镜电机的输出端分别于所述X反射镜和所述Y反射镜连接，所述物镜设在所述X反射镜和所述Y反射镜的下方。
通过两个振镜电机分别控制X反射镜和Y反射镜的转动，从而控制激光器发射出的激光束经过X反射镜和Y反射镜反射后的位置，保证脉冲激光束的焦平面在加工零件的加工区域上。
优选的，所述控制模块包括计算机、图像扫描装置和运动控制单元；所述计算机分别于所述运动控制单元及所述激光器电性连接；所述图像扫描装置与所述运动控制单元的输出端连接。
运动控制单元用于控制图像扫描装置的运动，图像扫描装置用于对加工工件的待加工区域的形状扫描，并将扫描结果输出至计算机上，计算机接收待加工区域的形状并规划激光冲击的路径。
优选的，所述控制模块还包括变焦模块，所述变焦模块与所述运动控制单元的输出端连接。
设有变焦模块用于调节激光器发射出的激光束与振镜装置的反射镜的焦距，保证激光冲击的效果。
本发明的有益效果为：激光束对加工工件的冲击时，通过振镜装置的反射镜快速摆动，使反射出的激光束以激光冲击的路径移动，代替夹持机器人的运动，实现快速完成表面区域形状复杂零件的激光冲击强化，提高冲击强化的速度及生产效率；通过调整激光器发射出的激光束与振镜装置的反射镜的焦距提高了激光冲击强化的精准度。
附图说明
附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1为本发明的实施例2的结构示意图；
图2为本发明的实施例3的路径规划图与75%光斑搭接率示意图；
图3为本发明的实施例1的工作原理图；
图4为本发明的实施例2的结构示意图；
其中：计算机1、X反射镜2、Y反射镜3、振镜电机4、运动控制单元5、变焦系统6、图像扫描装置7、激光器8、物镜9、送水机器人10、夹持机器人11。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种定向区域快速扫描式激光冲击强化方法，包括激光器8、控制模块、振镜装置、夹持机器人11和送水机器人10，所述激光器8、所述控制模块和所述振镜装置相互电性连接，所述夹持机器人11与所述送水机器人10分别设在所述振镜装置的两侧；包括以下步骤：
S1：设定激光器8的激光冲击强化参数；
S2：控制模块对待加工区域的形状扫描并规划激光冲击的路径；
S3：调整振镜装置的反射镜的转动频次及转动角度，使通过反射后的激光束沿着激光冲击的路径移动，同时调整激光器8发射出的激光束与振镜装置的反射镜的焦距；
S4：夹持机器人11将加工工件夹持至振镜装置的物镜9下，同时送水机器人10对待加工区域喷水，振镜装置的反射镜每转动到下一角度时，激光器8发射出脉冲激光到振镜装置的反射镜上，使反射出的脉冲激光的焦平面处于加工工件的加工区域上；重复执行步骤S3，直到完成对整个待加工区域冲击强化。
激光束对加工工件的冲击时，通过振镜装置的反射镜快速摆动，使反射出的激光束以激光冲击的路径移动，代替夹持机器人11的运动，实现快速完成表面区域形状复杂零件的激光冲击强化，提高冲击强化的速度及生产效率；通过调整激光器8发射出的激光束与振镜装置的反射镜的焦距提高了激光冲击强化的精准度。
实施例2
一种定向区域快速扫描式激光冲击强化系统，如附图1和4所示，包括所述激光器8、所述控制模块、所述振镜装置、所述夹持机器人11和所述送水机器人10；
所述控制模块用于设定激光器8的激光冲击强化参数；对待加工区域的形状扫描并规划激光冲击的路径；调整激光器8发射出的激光束与振镜装置的反射镜的焦距；
所述夹持机器人11用于将加工工件夹持至振镜装置的物镜9下；
所述送水机器人10用于对待加工区域喷水；
所述振镜装置用于调整反射镜的转动频次及转动角度，使通过反射后的激光束沿着激光冲击的路径移动；
所述激光器8用于挡振镜装置的反射镜每转动到下一角度时，发射出脉冲激光到振镜装置的反射镜上，使反射出的脉冲激光的焦平面处于加工工件的加工区域上。
所述振镜装置采用前聚焦振镜。
使振镜装置存在一个最大工作区域，区域范围内的不同点的位置对应存在相应的聚焦距离，根据反射镜转动的角度，判断冲击区域内冲击点的位置并自动调整焦距，保证脉冲激光的焦平面一直在加工零件上。
所述振镜装置设有两个振镜电机4、X反射镜2、Y反射镜3及物镜9；两个所述振镜电机4的输出轴互相垂直设置，两个所述振镜电机4的输出端分别于所述X反射镜2和所述Y反射镜3连接，所述物镜9设在所述X反射镜2和所述Y反射镜3的下方。
通过两个振镜电机4分别控制X反射镜2和Y反射镜3的转动，从而控制激光器8发射出的激光束经过X反射镜2和Y反射镜3反射后的位置，保证脉冲激光束的焦平面在加工零件的加工区域上。
所述控制模块包括计算机1、图像扫描装置7和运动控制单元5；所述计算机1分别于所述运动控制单元5及所述激光器8电性连接；所述图像扫描装置7与所述运动控制单元5的输出端连接。
运动控制单元5用于控制图像扫描装置7的运动，图像扫描装置7用于对加工工件的待加工区域的形状扫描，并将扫描结果输出至计算机1上，计算机1接收待加工区域的形状并规划激光冲击的路径。
所述控制模块还包括变焦模块，所述变焦模块与所述运动控制单元5的输出端连接。
设有变焦模块用于调节激光器8发射出的激光束与振镜装置的反射镜的焦距，保证激光冲击的效果。
实施例3
本实施例为对形状为五变形的不规则区域的工件的冲击，如附图2所示；
步骤S1：设定激光器8的冲击强化参数：激光脉冲能量为10J，脉冲宽度为16ns，光斑搭接率为75%，脉冲频率为20Hz，冲击强化次数设定为2次；
步骤S2：通过对待加工区域的扫描，把扫描而来的图形形状输入到计算机1中，计算机1生成一个自上而下的横向扫描的冲击路径；
步骤S3：计算机1根据设定的光斑搭接率与脉冲频率，调整X反射镜2和Y反射镜3的反射转动的频次与转动角度，然后通过运动控制单元5控制X反射镜2和Y反射镜3运动沿着规划路径进行快速转动；同时计算机1会根据待冲击点在加工区域的相对位置控制变焦系统6改变焦距，保证脉冲激光焦平面始终处于零件表面上。
步骤S4：当夹持机器人11将零件移动至加工位后，喷水机器人10开始工作，重复完成步骤3，直至零件加工完成。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种定向区域快速扫描式激光冲击强化方法，其特征在于，包括激光器、控制模块、振镜装置、夹持机器人和送水机器人，所述激光器、所述控制模块和所述振镜装置相互电性连接，所述夹持机器人与所述送水机器人分别设在所述振镜装置的两侧；包括以下步骤：
S1：设定激光器的激光冲击强化参数；
S2：控制模块对待加工区域的形状扫描并规划激光冲击的路径；
S3：调整振镜装置的反射镜的转动频次及转动角度，使通过反射后的激光束沿着激光冲击的路径移动，同时调整激光器发射出的激光束与振镜装置的反射镜的焦距；
S4：夹持机器人将加工工件夹持至振镜装置的物镜下，同时送水机器人对待加工区域喷水，振镜装置的反射镜每转动到下一角度时，激光器发射出脉冲激光到振镜装置的反射镜上，使反射出的脉冲激光的焦平面处于加工工件的加工区域上；重复执行步骤S3，直到完成对整个待加工区域冲击强化。
2.根据权利要求1所述的一种定向区域快速扫描式激光冲击强化方法，其特征在于，所述激光冲击强化参数包括激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲激光触发频率、光斑搭接率和冲击强化次数。
3.根据权利要求2所述的一种定向区域快速扫描式激光冲击强化方法，其特征在于，脉冲激光触发频率设定为高频率触发；光斑搭接率设定为75%以上。
4.根据权利要求1所述的一种定向区域快速扫描式激光冲击强化方法，其特征在于，所述振镜装置采用前聚焦振镜。
5.一种定向区域快速扫描式激光冲击强化系统，其特征在于，包括所述激光器、所述控制模块、所述振镜装置、所述夹持机器人和所述送水机器人；
所述控制模块用于设定激光器的激光冲击强化参数；对待加工区域的形状扫描并规划激光冲击的路径；调整激光器8发射出的激光束与振镜装置的反射镜的焦距；
所述夹持机器人用于将加工工件夹持至振镜装置的物镜下；
所述送水机器人用于对待加工区域喷水；
所述振镜装置用于调整反射镜的转动频次及转动角度，使通过反射后的激光束沿着激光冲击的路径移动；
所述激光器用于挡振镜装置的反射镜每转动到下一角度时，发射出脉冲激光到振镜装置的反射镜上，使反射出的脉冲激光的焦平面处于加工工件的加工区域上。
6.根据权利要求5所述的一种定向区域快速扫描式激光冲击强化系统，其特征在于，所述振镜装置采用前聚焦振镜。
7.根据权利要求6所述的一种定向区域快速扫描式激光冲击强化系统，其特征在于，所述振镜装置设有两个振镜电机、X反射镜、Y反射镜及物镜；两个所述振镜电机的输出轴互相垂直设置，两个所述振镜电机的输出端分别于所述X反射镜和所述Y反射镜连接，所述物镜设在所述X反射镜和所述Y反射镜的下方。
8.根据权利要求5所述的一种定向区域快速扫描式激光冲击强化系统，其特征在于，所述控制模块包括计算机、图像扫描装置和运动控制单元；所述计算机分别于所述运动控制单元及所述激光器电性连接；所述图像扫描装置与所述运动控制单元的输出端连接。
9.根据权利要求8所述的一种定向区域快速扫描式激光冲击强化系统，其特征在于，所述控制模块还包括变焦模块，所述变焦模块与所述运动控制单元的输出端连接。
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