CN110578048A - 一种深冷激光喷丸装置及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种深冷激光喷丸装置及加工方法，包括激光发射系统、低温控制装置、干燥装置、压力控制装置和控制系统；所述激光发射系统用于产生激光束；所述低温控制装置包括深冷箱和液氮输送系统，所述液氮输送系统用于向深冷箱内输送液氮；所述深冷箱内安装工件，所述工件上放置空心的压盖，所述压力控制装置用于施加压力在所述压盖上，所述激光束穿过压盖照射在工件表面；所述干燥装置用于使压盖内部的空气干燥；所述控制系统用于控制液氮输送系统、激光发射系统和压力控制装置。本发明实现了深冷温度可达液氮温度、深冷温度可控、透光率的提高以及更好的约束效果，提高了深冷激光喷丸强化效果。

Description

一种深冷激光喷丸装置及加工方法
技术领域
本发明涉及激光冲击加工领域，特别涉及一种深冷激光喷丸装置及加工方法。
背景技术
激光喷丸作为一种新型表面强化工艺，具有晶粒细化明显，影响层深等优点，可有效提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力，故广泛应用于航空航天、汽车和船舶等诸多领域。但是当前的激光喷丸技术普遍在室温下进行，喷丸过程中会发生晶粒的动态回复，以及一些位错的湮灭，材料强度大幅提高而塑性的改善不是特别明显，从而无法达到航空合金的使用要求。深冷处理，又称超低温处理，主要是指以液氮等为介质，在超低温环境下对材料进行低温保存，已达到材料改性的目的。深冷激光喷丸技术结合了超高应变率和超低温的双重优势，可在金属中诱导更高密度的位错以及更小尺寸的晶粒，进而提高材料的力学性能及其稳定性，尤其可以同步提高金属材料的强度和塑性。但是目前对于深冷激光喷丸工艺，工件所能达到的最低温度及其可控性、激光透光率和约束效果是影响强化效果的尚需解决的主要关键技术问题。
对于深冷激光喷丸过程中的降温及控制，一种铝合金的超低温激光冲击强化方法和一种温度可控式深冷激光冲击强化系统，均采用热传导方式对工件进行降温处理。但是这种降温处理的方式无法达到液氮温度(-196℃)，并且降温速率慢，强化效果无法达到最佳。对于深冷激光喷丸过程中的透光率，发明专利一种温度可控式深冷激光喷丸方法与装置公开了通过降温后的氮气使得样品在低温环境下进行激光冲击强化处理。但是其所使用的高透光玻璃在空气中的一侧容易产生水雾，进而严重降低透光率，弱化强化效果。此外，超低温下的夹具、工件等体积会产生冷缩效应，使得夹紧力不足，容易产生泄压，导致冲击波压力降低，进一步降低了强化效果。对于深冷激光喷丸过程中使用的约束层，发明专利高透光率的深冷激光冲击头及激光冲击系统公开了使用液氮作为深冷激光喷丸过程中的约束层，但是室温下的液氮由于沸腾，会导致液氮内部会产生大量气泡，进而降低强化效果。
由于深冷激光喷丸要求在超低温环境下对工件进行激光喷丸强化处理，然而大多数情况下深冷温度无法达到液氮温度(-196℃)，并且液氮环境中的工件表面会产生液氮汽化物和水雾，严重影响透光率，从而大大降低深冷激光喷丸强化效果。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种深冷激光喷丸装置及加工方法，通过将工件完全浸没在液氮中，保证了工件所能达到的最低深冷温度；通过超低温温度计的温度实时反馈和PLC自动控制单元，使得深冷温度可控；通过自动液压夹紧装置以及干燥空气排出水汽的方法，解决了深冷激光喷丸过程中工件表面液氮汽化物和水雾导致透光率下降的问题，同时使吸收层不易剥落，周向约束使玻璃约束层受力均匀，进而避免玻璃破碎。通过以上措施，实现了深冷温度可达液氮温度(-196℃)、深冷温度可控、透光率的提高以及更好的约束效果，提高了深冷激光喷丸强化效果。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种深冷激光喷丸装置，包括激光发射系统、低温控制装置、干燥装置、压力控制装置和控制系统；
所述激光发射系统用于产生激光束；所述低温控制装置包括深冷箱和液氮输送系统，所述液氮输送系统用于向深冷箱内输送液氮；所述深冷箱内安装工件，所述工件上放置空心的压盖，所述压力控制装置用于施加压力在所述压盖上，所述激光束穿过压盖照射在工件表面；所述干燥装置用于使压盖内部的空气干燥；所述控制系统用于控制液氮输送系统、激光发射系统和压力控制装置。
进一步，所述压力控制装置包括横梁、支架、密封盖、液压缸和压板，所述横梁两端通过支架连接密封盖，所述支架通过锁扣与深冷箱连接；所述横梁上固定液压缸，所述液压缸的液压杆下部与压板连接，通过液压杆拉伸使压板压紧压盖；所述压盖与密封盖间隙配合。
进一步，所述压力控制装置还包括液压系统，所述液压系统包括液压泵、电磁换向阀和溢流阀；所述液压泵依次连接溢流阀、电磁换向阀和液压缸；所述控制系统用于控制电磁换向阀和液压泵；所述液压杆下部设有压力传感器，所述压力传感器用于检测液压缸施加的压力，所述控制系统根据压力传感器的检测值控制溢流阀的开度。
进一步，所述压盖底部安装橡胶圈。
进一步，所述液氮输送系统包括流量控制阀和液氮罐，所述液氮罐通过流量控制阀与深冷箱连接；所述深冷箱上安装温度传感器，所述控制系统根据温度传感器的检测值控制流量控制阀的开度大小。
进一步，所述干燥装置包括气泵和干燥箱，所述压盖内部与气泵和干燥箱闭环连接，用于连续干燥压盖内部的气体。
进一步，所述深冷箱和密封盖的材料均为不锈钢；所述深冷箱的内部珠光砂处理，与深冷箱内部液氮接触的所述密封盖表面珠光砂处理。
一种深冷激光喷丸装置的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
在深冷箱内放置工件，所述工件设有吸收层和约束层；将压盖放置在工件上方；
将压力控制装置密封安装在深冷箱上；所述控制系统通过液压缸使压盖压紧工件；
通过所述干燥装置使压盖内部的空气干燥；通过所述液氮输送系统向深冷箱内输送液氮，使深冷箱内温度降低到设定值；
通过激光发射系统和压力控制装置对工件进行深冷激光喷丸处理。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的深冷激光喷丸装置，通过液氮输送系统使工件可以达到液氮温度(-196℃)。
2.本发明所述的深冷激光喷丸装置，通过温度传感器实时反馈与调整，使深冷温度在0～-196℃的范围内可调。
3.本发明所述的深冷激光喷丸装置，通过压力控制装置，使深冷激光喷丸过程中的夹紧力保持恒定，避免了深冷环境下收缩效应引起的夹紧力不足及泄压引起的吸收层剥落和冲击波压力下降，进而大大提高激光透光率，增加强化效果。同时周向约束使玻璃约束层受力均匀，进而避免玻璃破碎。
4.本发明所述的深冷激光喷丸装置，通过压盖下部橡胶圈，使压盖内部与液氮环境隔离，通过干燥装置使压盖内部的空气干燥，避免了液氮蒸汽对透光率的影响。
5.本发明所述的深冷激光喷丸装置，结构简单，操作简便，成本较低。
附图说明
图1为本发明所述的深冷激光喷丸装置结构示意图。
图2为本发明所述的压力控制装置和干燥装置的结构示意图。
图3为本发明的深冷箱内部结构示意图。
图中：
1-激光器；2-反光镜；3-电磁换向阀；4-溢流阀；5-液压泵；6-PLC；7-计算机；8-压力传感器；9-温度传感器；10-流量控制阀；11-液氮罐；12-液氮输送管；13-工作台；14-低温控制装置；15-干燥装置；16-压力控制装置；17-液压缸；18-横梁；19-螺栓；20-支架；21-锁扣；22-液压杆；23-压板；24-压盖；25-橡胶垫；26-密封盖；27-气泵；28-干燥箱；29-气管；30-深冷箱；31-K9玻璃；32-垫块；33-铁环；34-把手；35-工件；36-铝箔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的深冷激光喷丸装置包括激光器1、计算机7、工作台13、低温控制装置14、干燥装置15、PLC6和压力控制装置16，所述低温控制装置14固定在工作台13上，工作台13可以平面移动；所述压力控制装置16与低温控制装置14相配合并通过锁扣连接固定。
如图2和图3所示，所述低温控制装置14包括深冷箱30、流量控制阀10、液氮罐11、液氮输送管12和超低温温度传感器9，所述深冷箱30固定在工作台13上，并且深冷箱30的底部和侧壁上部分别设有液氮出入口和空气出入口，所述温度传感器9用于测量反馈深冷箱30内的温度，所述流量控制阀10和温度传感器9通过PLC6与计算机7相连，用于实时调整深冷箱30内的温度。所述深冷箱30和密封盖26的材料均为不锈钢；所述深冷箱30的内部珠光砂处理，与深冷箱30内部液氮接触的所述密封盖26表面珠光砂处理。
所述压力控制装置16包括横梁18、支架20、密封盖26、液压缸17、液压杆22、压板23、压盖24、液压泵5、压力传感器8、电磁换向阀3和溢流阀4，所述PLC6与计算机7相连，用于接受压力传感器8实时反馈的压力变化并及时通过液压泵5调整液压系统的流量，进而保持压力恒定，电磁换向阀3用于控制压力的加载和卸载，溢流阀4用于设定液压系统工作压力和过载保护，所述支架20与密封盖26为一体并位于密封盖26两端，所述横梁18通过螺栓19与密封盖26两端的支架20连接，所述液压缸17位于横梁18的下部，所述液压杆22下部与压板23连接，所述压盖24与密封盖26上的圆孔呈间隙配合，并且压盖24下端附有橡胶圈25，所述横梁18、压板23和压盖24的中心均设有激光入口，并且中心轴在同一条直线上。所述工件35上放置空心的压盖24，所述压力控制装置16用于施加压力在所述压盖24上，所述激光束穿过压盖24照射在工件35表面；
所述干燥装置15包括气泵27、干燥箱28和气管29，所述压盖24内部通过气管29与气泵27和干燥箱28闭环连接，用于连续干燥压盖24内部的气体。
一种深冷激光喷丸装置的加工方法，包括如下步骤：
步骤一：在深冷箱30中央放入一定高度的紫铜垫块32，并在垫块32上表面中心放好贴有0.12mm厚的铝箔36吸收层的工件35和3mm厚的K9玻璃31约束层；
步骤二：将密封盖26盖在深冷箱30上并用锁扣固定，即向上抬动把手34，将铁环33扣在固定在支架20上的锁扣21上并向下压紧；
步骤三：启动计算机7，通过液压泵5和电磁换向阀3压紧K9玻璃31约束层，通过压力传感器8实时反馈工件压力，PLC6自动控制液压泵5的流量，进而使压力保持在设定值F，通过溢流阀4实现过载保护；
步骤四：通过气泵27和干燥箱28使压盖24圆柱孔内空气干燥；
步骤五：通过流量控制阀10以一定降温速率向深冷箱30中通入液氮，内部空气从侧壁孔排出，并通过温度传感器9实时反馈工件35温度，PLC6自动控制液氮的流量，进而使温度保持在0～-196℃范围内的设定值T；
步骤五：通过装有激光器控制软件和平台控制软件的计算机7控制工艺参数和工作台13的运动，对工件35进行深冷激光喷丸处理。激光参数为：激光能量2J，波长1064nm，频率1Hz，脉宽8ns，光斑直径2mm，搭接率50％。
步骤六：依次关闭激光器1、流量控制阀10和气泵27，通过压力控制装置16卸载压力，取下密封盖26，移除工件35。后续深冷激光喷丸实验只需重复上述步骤即可。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种深冷激光喷丸装置，其特征在于，包括激光发射系统、低温控制装置(14)、干燥装置(15)、压力控制装置(16)和控制系统；
所述激光发射系统用于产生激光束；所述低温控制装置(14)包括深冷箱(30)和液氮输送系统，所述液氮输送系统用于向深冷箱(30)内输送液氮；所述深冷箱(30)内安装工件(35)，所述工件(35)上放置空心的压盖(24)，所述压力控制装置(16)用于施加压力在所述压盖(24)上，所述激光束穿过压盖(24)照射在工件(35)表面；所述干燥装置(15)用于使压盖(24)内部的空气干燥；所述控制系统用于控制液氮输送系统、激光发射系统和压力控制装置(16)。
2.根据权利要求1所述的深冷激光喷丸装置，其特征在于，所述压力控制装置(16)包括横梁(18)、支架(20)、密封盖(26)、液压缸(17)和压板(23)，所述横梁(18)两端通过支架(20)连接密封盖(26)，所述支架(20)通过锁扣(21)与深冷箱(30)连接；所述横梁(18)上固定液压缸(17)，所述液压缸(17)的液压杆(22)下部与压板(23)连接，通过液压杆(22)拉伸使压板(23)压紧压盖(24)；所述压盖(24)与密封盖(26)间隙配合。
3.根据权利要求2所述的深冷激光喷丸装置，其特征在于，所述压力控制装置(16)还包括液压系统，所述液压系统包括液压泵(5)、电磁换向阀(3)和溢流阀(4)；所述液压泵(5)依次连接溢流阀(4)、电磁换向阀(3)和液压缸(17)；所述控制系统用于控制电磁换向阀(3)和液压泵(5)；所述液压杆(22)下部设有压力传感器(8)，所述压力传感器(8)用于检测液压缸(17)施加的压力，所述控制系统根据压力传感器(8)的检测值控制溢流阀(4)的开度。
4.根据权利要求2所述的深冷激光喷丸装置，其特征在于，所述压盖(24)底部安装橡胶圈(25)。
5.根据权利要求1所述的深冷激光喷丸装置，其特征在于，所述液氮输送系统包括流量控制阀(10)和液氮罐(11)，所述液氮罐(11)通过流量控制阀(10)与深冷箱(30)连接；所述深冷箱(30)上安装温度传感器(9)，所述控制系统根据温度传感器(9)的检测值控制流量控制阀(10)的开度大小。
6.根据权利要求1所述的深冷激光喷丸装置，其特征在于，所述干燥装置(15)包括气泵(27)和干燥箱(28)，所述压盖(24)内部与气泵(27)和干燥箱(28)闭环连接，用于连续干燥压盖(24)内部的气体。
7.根据权利要求2所述的深冷激光喷丸装置，其特征在于，所述深冷箱(30)和密封盖(26)的材料均为不锈钢；所述深冷箱(30)的内部珠光砂处理，与深冷箱(30)内部液氮接触的所述密封盖(26)表面珠光砂处理。
8.一种根据权利要求2所述的深冷激光喷丸装置的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
在深冷箱(30)内放置工件(35)，所述工件(35)设有吸收层和约束层；将压盖(24)放置在工件(35)上方；
将压力控制装置(16)密封安装在深冷箱(30)上；所述控制系统通过液压缸(17)使压盖(24)压紧工件(35)；
通过所述干燥装置(15)使压盖(24)内部的空气干燥；通过所述液氮输送系统向深冷箱(30)内输送液氮，使深冷箱(30)内温度降低到设定值；
通过激光发射系统和压力控制装置(16)对工件进行深冷激光喷丸处理。
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