CN111485094A - 一种激光冲击强化金属管内外壁的装置与方法 - Google Patents

一种激光冲击强化金属管内外壁的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光冲击强化金属管内外壁的装置与方法，包括用于发射高脉冲能量脉冲激光的高功率激光器、用于将高能激光传输至金属管内外壁的导光臂、用于向金属管内外壁铺射约束层水膜的水泵及喷嘴，用于固定金属管的卡盘，用带动金属管旋转的旋转台，用于调整金属管位置的二维位移平台；启动装置后，电脑首先控制水泵抽水至待冲击强化的金属管壁表面，形成水约束层，激光器发射出的高能激光经外光路系统传输至金属管壁上完成一次冲击，一次激光脉冲发射后，电脑控制卡盘旋转一定角度后再次发射激光脉冲，依次进行以上操作，完成冲击强化；本发明提出的经过激光冲击强化后的金属管可有效地提高其疲劳强度与耐腐蚀性。

Description

一种激光冲击强化金属管内外壁的装置与方法
技术领域
本发明涉及激光冲击波应用领域，特指一种激光冲击强化金属管内外壁的装置与方法。
背景技术
激光冲击强化技术的出现给金属材料表面处理领域带来了革命性的发展，其主要利用脉冲激光作用于材料表面的吸收层，将其在瞬间气化产生等离子体，在约束层的作用下等离子体在材料表面形成GPa级别的冲击波，并沿材料厚度方向传播，在材料表面及内部一定深度产生残余压应力，从而大幅提升材料疲劳强度与耐腐蚀性。
与传统的表面强化技术相比，激光冲击强化能够在金属表面形成更深的残余压应力层；激光冲击强化可精确控制强化的部位，如一些传统工艺难以精确处理的部位包括焊缝、凹槽等，且针对不同金属只需调整激光参数，有较强的适用性；激光冲击强化为冷加工不会对材料表面产生热影响，更不会对材料表面产损伤。
金属管广泛的应用在各种工业生产中，尤其应用于高压蒸汽管道、运输腐蚀性液体时对其疲劳寿命、耐腐蚀性、抗磨损性能都有很大要求，而激光冲击强化就能够很好的改善金属管的这些性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光冲击强化金属管内外壁的装置与方法，用于提高金属管的疲劳强度与耐腐蚀性。
本发明的方案为：
一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，包括电脑控制系统、高功率激光器、导光臂、卡盘、旋转平台、二维移动平台、水箱、水泵、喷嘴；所述金属管固定在卡盘上；所述卡盘固定在旋转平台上；所述旋转平台通过转接件固定在二维移动平台上；所述转接件左侧面与旋转平台底面固定；所述转接件底面与二维移动平台上表面固定；所述二维移动平台可调节面与旋转平台旋转面成90度角；所述高功率激光器、旋转台、二维移动平台、水泵均与电脑相连接由其控制。
上述方案中，所述的高功率激光器发射的激光脉冲依次通过导光臂内的第一反射镜、第二反射镜、凹透镜、凸透镜、第三反射镜、聚焦透镜、保护镜后作用于金属管壁，所述导光臂的高低长短可调。
上述方案中，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜为全反射镜；所述凹透镜与凸透镜构成激光扩束系统；所述保护镜为K9玻璃。所述保护镜为K9玻璃；所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜镀有1060nm增反膜，所述凹透镜、凸透镜、聚焦透镜、保护镜镀有1060nm增透膜。
上述方案中，所述卡盘与旋转台之间做防水密封处理。
上述方案中，所述喷嘴与水泵相连且安装在导光臂下方、保护镜左侧，能够调整控制进出水量与出水方向；所述水箱位于工件与卡盘下方；
本发明还提供了一种激光冲击强化金属管道内外壁的方法，具体步骤如下：
A.在金属管壁需要进行冲击强化的部位贴上一层黑胶带；随后将金属管固定于卡盘上；打开激光器指示红光，调整导光臂及二位移动平台使激光器指示红光照射在金属管壁边缘且与管口相切；
B.启动水泵调整喷嘴出水口的水量与方向，使得在激光光斑区域形成厚度约为1.5mm厚度的均匀水流；
C.设置激光器脉冲频率、旋转平台转速保证激光搭接率为50％，完成一周的冲击强化后，二维移动平台X轴移动一个激光光斑半径的距离保证横向搭接率也为50％；
重复上述步骤直至完相关部位的强化。
上述方案中，所述高功率激光器参数为：波长1064nm，脉宽10-60ns可调，重复频率0.1-5Hz可调，单脉冲能量0-20J可调，光斑直径为4mm。
上述方案中，所述转平台转速为
Figure BDA0002463073080000021
d为激光光斑直径，D为金属管直径(冲击强化内壁时为内径，冲击强化外径时为外径)。
上述方案中，冲击强化金属管内壁时卡盘正爪固定金属管外表面，冲击强化金属管外壁时卡盘反爪固定金属管内表面。
本发明的有益效果：
1.本发明能够兼顾金属管内外壁的冲击强化，通过导光臂与二维移动平台的调节可对不同管径不同长度的金属管道进行强化，适用性强。
2.除将金属管夹持在卡盘上需进行手动操作外，其余操作均由计算机控制完成，自动化程度高。
3.用做约束层的水流在激光冲击强化过程中不会受到污染，因此可回收至水箱进行循环利用。
附图说明
图1为激光冲击强化金属管内壁示意图；
图2为激光冲击强化金属管外壁示意图。
图中：1.控制系统；2.高功率激光器；3.导光臂；4.水管；5.喷嘴；6.聚焦透镜；7.保护镜；8.第二反射镜；9.凹透镜；10.凸透镜；11.第三反射镜；12.金属管；13.卡盘；14.旋转台；15.转接台；16第一反射镜；17.水泵；18.水箱；19.二维移动平台X轴；20.二维移动平台Y轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一：
如图1所示一种激光冲击强化金属管内壁的装置，包括计算机控制系统1、高功率激光器2、导光臂3、水管4、喷嘴5、聚焦透镜6、保护镜7、第二反射镜8、凹透镜9、凸透镜10、第三反射镜11、金属管12、卡盘13、旋转台14、转接件15、第一反射镜16、水泵17、水箱18、二维移动平台X轴19、二维移动平台Y轴20。所述高功率激光器2参数为：波长1064nm，脉宽10-60ns可调，重复频率0.1-5Hz可调，单脉冲能量0-20J可调，光斑直径为4mm。
高功率激光器2发射的激光脉冲依次通过导光臂3内的第一反射镜16、第二反射镜8、凹透镜9、凸透镜10、第三反射镜11、聚焦透镜6、保护镜7后作用于金属管壁。第一反射镜16、第二反射镜8、第三反射镜11用于改变激光的传播方向并镀有1060nm增反膜；凹透镜9、凸透镜10构成激光扩束准直系统，将激光器发出的光斑进行扩束准直，从而更好的进行聚焦；聚焦透镜6用于将激光能量聚集于金属管壁，并通过调整聚焦镜与金属管壁之间的距离控制激光光斑的大小；保护镜7用于保护导光臂内的透镜，阻止灰尘、水汽进入导光臂，并镀有1060nm增透膜。金属管12固定在卡盘上13；卡盘13固定在旋转台14上，且卡盘13与旋转台14之间做防水密封处理；旋转台14通过转接件15固定在二维移动平台上；转接件15左侧面与旋转平台14底面固定；转接件15底面与二维移动平台上表面固定；二维移动平台可调节面与旋转台14旋转面成90度角；高功率激光器2激光参数的调整、旋转台14的转速、二维移动平台X与Y的移动速度、水泵17的出水量与出水方向均与电脑相连接由其控制。
S1，进行内径为D1金属管内壁激光冲击强化时，首先用酒精对金属管壁进行清洗，随后在金属管内壁均匀覆盖一层黑胶带，用卡盘正爪固定金属管外表面，打开高功率激光器内置指示红光并调整导光臂与二维移动平台，使指示红光光斑位于金属管壁下边缘且与管口相切且光斑大小为4mm；
S2，启动水泵调整喷嘴出水口的水量与方向，使得在激光光斑区域形成厚度约为1.5mm厚度的均匀水流；
S3，通过控制系统1设置激光器参数为：波长1064nm，脉宽30ns，重复频率1Hz，单脉冲能量14J，设置旋转台转速为
Figure BDA0002463073080000041
设置二维移动平台X轴每隔
Figure BDA0002463073080000042
移动2mm，控制激光光斑的横向搭接率与纵向搭接率均为50％。
S4，启动装置激光发出第一个激光脉冲后，计算机控制系统1旋转台开始以设定的转速转动，随后每1秒发出一个激光脉冲作用于金属管内壁，旋转台转完一圈即
Figure BDA0002463073080000043
后，计算机控制激光器停止出光，旋转台停止转动，二维移动平台X轴向左移动2mm。
S5，随后继续重复上述步骤S4，直至完成金属管内壁的冲击强化。
冲击完成后，计算机控制激光器、旋转台、水泵停止工作，控制二维移动平台X轴缓慢右移至导光臂完全从金属管内离开，随后关闭电源取下金属管，除去其内壁的黑胶带并再次用酒精清洗。
实施例二：
如图2所示一种激光冲击强化金属管外壁的装置，对外径为D2的金属管外壁进行冲击强化时，将实施例一种的卡盘正爪固定方式改为卡盘反爪固定金属管壁内表面，将旋转台转速设置为
Figure BDA0002463073080000044
设置二维移动平台X轴每隔
Figure BDA0002463073080000045
移动2mm，其余参数及操作步骤不变。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，其特征在于，包括控制系统(1)、高功率激光器(2)、导光臂(3)、卡盘(13)、旋转台(14)、转接件(15)、二维移动平台、水箱(18)、水泵(17)、水管(4)以及喷嘴(5)；
所述卡盘(13)用于固定待冲击金属管，所述卡盘(13)固定在旋转台(14)上；所述旋转台(14)通过所述转接件(15)固定在二维移动平台上；所述转接件(15)左侧面与旋转台(14)底面固定，所述转接件(15)底面与二维移动平台上表面固定；所述二维移动平台可调节面与旋转台(14)的旋转面成90度角；所述高功率激光器(2)、旋转台(14)、二维移动平台、水泵(17)均与控制系统(1)相连接由其控制，高功率激光器(2)发射的激光经导光臂(3)之后打到金属管(12)管壁上，水泵(17)将水箱(18)内的水泵出至水管(4)内，之后由喷嘴(5)将水喷至金属管管壁上的激光光斑区域。
2.根据权利要求1所述的一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，其特征在于，所述导光臂(3)内沿激光方向依次在第一拐角处设置第一反射镜(16)，第二拐角处设置第二反射镜(8)，第三拐角处设置第三反射镜(11)，并且在第二反射镜(8)和第三反射镜(11)之间设置由凹透镜(9)和凸透镜(10)组成的激光扩束准直系统，在导光臂(3)的出口处设置聚焦透镜(6)和保护镜(7)；
高功率激光器发射的激光脉冲依次通过导光臂内的第一反射镜(16)、第二反射镜()8、凹透镜(9)、凸透镜(10)、第三反射镜(11)、聚焦透镜(6)、保护镜(7)后作用于金属管壁。
3.根据权利要求2所述的一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，其特征在于，所述导光臂(3)的高低长短可调。
4.根据权利要求2所述的一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，其特征在于，所述第一反射镜(16)、第二反射镜(8)、第三反射镜(11)为全反射镜；所述保护镜(7)为K9玻璃；所述第一反射镜(16)、第二反射镜(8)、第三反射镜(11)镀有1060nm增反膜，所述凹透镜(9)、凸透镜(10)、聚焦透镜(6)、保护镜(7)镀有1060nm增透膜。
5.根据权利要求1所述的一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，其特征在于，所述卡盘(13)与旋转台(14)之间做防水密封处理。
6.根据权利要求1所述的一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，其特征在于，喷嘴(5)与水泵(17)相连且安装在导光臂(3)下方、保护镜(7)左侧，所述喷嘴(5)能够控制进出水量与出水方向；所述水箱(18)位于工件与卡盘下方。
7.一种激光冲击强化金属管内外壁的方法，其特征在于，进行内径为D1金属管内壁激光冲击强化时，包括如下步骤：
S1，首先用酒精对金属管壁进行清洗，随后在金属管内壁均匀覆盖一层黑胶带，用卡盘正爪固定金属管外表面；打开高功率激光器内置指示红光并调整导光臂与二维移动平台，使指示红光光斑位于金属管壁下边缘且与管口相切且光斑大小为4mm；
S2，启动水泵调整喷嘴出水口的水量与方向，使得在激光光斑区域形成厚度约为1.5mm厚度的均匀水流；
S3，设置高功率激光器参数为：波长1064nm，脉宽10-60ns可调，重复频率0.1-5Hz可调，单脉冲能量0-20J可调，光斑直径为4mm；
设置旋转台转速为
Figure FDA0002463073070000021
设置二维移动平台X轴每隔
Figure FDA0002463073070000022
移动2mm，控制激光光斑的横向搭接率与纵向搭接率均为50％。
S4，激光发出第一个激光脉冲后，控制旋转台开始以设定的转速转动，随后每1秒发出一个激光脉冲作用于金属管内壁，旋转台转完一圈即
Figure FDA0002463073070000023
后，控制激光器停止出光，旋转台停止转动，二维移动平台X轴向左移动2mm；
S5，重复上述步骤S4，直至完成金属管内壁的冲击强化。
8.根据权利要求7所述的一种激光冲击强化金属管内外壁的方法，其特征在于，对外径为D2的金属管外壁进行冲击强化时：将所述步骤S1的卡盘正爪固定金属管外表面改为卡盘反爪固定金属管壁内表面，将所述步骤S3的旋转台转速设置为
Figure FDA0002463073070000031
将二维移动平台X轴设置为每隔
Figure FDA0002463073070000032
移动2mm，其余参数及操作步骤均与权利要求7记载的进行内径为D1金属管内壁激光冲击强化的参数和步骤相同。
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