CN111575477A - 一种激光冲击强化能量密度动态调控装置及方法 - Google Patents

一种激光冲击强化能量密度动态调控装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光冲击强化能量密度动态调控装置及方法,包括:激光器、导光部件、可切换聚焦组件、机械臂、约束层加载机构和夹持部件;导光部件的两端分别与激光器和可切换聚焦组件连接;可切换聚焦组件与控制系统连接,控制可切换聚焦组件切换透光率;约束层加载机构在金属零件上形成约束层,可切换聚焦组件输出的激光光束穿过约束层作用于金属零件;金属零件通过夹持部件安装在机械臂上,并带动金属零件运动;该装置通过控制可切换聚焦组件切换透光率,针对复杂曲面和壁厚不均匀的结构,随着曲率的变化而在线实时改变能量密度,保证激光冲击强度的一致性,也提高残余应力等表面完整性参数分布的均匀性。

Description

一种激光冲击强化能量密度动态调控装置及方法
技术领域
本发明涉及激光冲击强化技术领域,特别涉及一种激光冲击强化能量密度动态调控装置及方法。
背景技术
激光冲击强化是一种利用高能量脉冲激光诱导的冲击波来强化金属的新技术,能够显著增强金属材料的抗疲劳性能。由于具有良好的可控性和可重复性,激光冲击强化技术尤其适合薄壁且复杂曲面的航空发动机叶片等零件。航空发动机叶片以及涡轮盘榫槽等结构表面一般为三维曲面结构,若采用相同能量分布的激光光束对上述曲面结构进行强化处理,则会造成待加工曲面受力不均的结果,甚至导致局部曲面发生严重形变和应力集中等现象。
现有的激光强化加工工艺无法实现参数实时可变,对于叶片这种具有复杂曲面的零件而言,如果无法实时参数可控,则满足不了对零件强化的理想效果。如果激光能量密度过小,壁厚处强化效果下降;若激光能量密度过大,壁薄处又会产生严重塑性变形和热损伤,导致零件报废。发动机叶片或整体叶盘是航空发动机的核心零件,其精度和机械性能要求较高,同时使用的是较难加工材料,并且加工效率低、周期长、成本高。如果无法实现参数实时可变,激光冲击强化效果无法达到理想效果,则会大大降低零件可靠性和使用寿命,严重地结果会直接导致零件变形报废。
因此,如何提出能够根据金属零件曲面结构形状特征而在线实时改变激光参数的激光冲击强化新工艺是目前该技术领域研究人员亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于,提出的一种至少解决上述部分技术问题的激光冲击强化能量密度动态调控装置及方法。
为了解决上述技术问题,一方面,本发明实施例提供一种激光冲击强化能量密度动态调控装置,该装置包括:激光器、导光部件、可切换聚焦组件、机械臂、约束层加载机构和夹持部件;
所述导光部件的一端与所述激光器连接,另一端与所述可切换聚焦组件连接;所述可切换聚焦组件与控制系统连接,所述控制系统控制所述可切换聚焦组件切换透光率;
所述约束层加载机构在金属零件上形成约束层,所述可切换聚焦组件输出的激光光束穿过约束层作用于金属零件;
所述金属零件固定在所述夹持部件上,所述夹持部件安装在机械臂上,所述机械臂带动所述金属零件平移或旋转。
在一个实施例中,所述可切换聚焦组件包括:聚焦透镜、镜架和驱动机构;
所述镜架上沿环形设置有多个透镜槽,所述每一透镜槽内设置有不同透光率的聚焦透镜;
所述镜架的上还设有轴孔,所述轴孔位于所述环形的圆心处;
所述镜架安装在所述驱动机构上。
在一个实施例中,所述驱动机构为可双向转动的电机,所述电机的机轴端部驱动连接于所述轴孔上。
在一个实施例中,所述约束层加载机构为水上约束层加载机构和水下约束层加载机构中的一种;
所述水上约束层加载机构以对金属零件喷水的方式加载约束层,所述水下约束层加载机构以将金属零件浸没于水中的方式加载约束层。
在一个实施例中,该装置还包括净水部件,所述净水部件与所述约束层加载机构连接,所述净水部件为水约束层加载提供净化水。
在一个实施例中,所述控制系统还与机械臂和约束层加载机构电连接;所述控制系统控制机械臂的运动和约束层加载机构加载约束层。
另一方面,本发明实施例提供一种激光冲击强化能量密度动态调控方法,实现能量密度动态调控,包括步骤:
S1、测量待加工金属零件曲面的形状参数,拟合所述待加工金属零件曲面的数学函数表达式;
S2、根据所述数学函数表达式,利用数值仿真分析和优化算法确定能量密度分布函数的表达式;
S3、根据所述能量密度分布函数表达式,得出金属零件各个位置加工时需要的能量密度;
S4、根据所述需要能量密度Ic与镜片的透光率n的关系式,得出金属零件各个位置加工时需要的透光率;
S5、根据所述得出的透光率,控制系统控制可切换聚焦组件切换至所述得出的透光率对应的聚焦组件进行加工;
S6、对加工完毕的金属零件进行检测,判断曲面的宏观形状、残余应力、表面完整性是否符合要求;如果不符合要求且金属零件还未报废则重复上述步骤S1至S5的加工过程,直至达到标准,若金属零件报废则停止加工。
在一个实施例中,所述的形状参数为曲面结构形状特征的位置坐标。
在一个实施例中,所述步骤S2包括,根据所述数学函数表达式,以曲面变形量和残余应力为目标,得到不同位置坐标和其所需的能量密度,得到最终的能量密度分布函数表达式。
在一个实施例中,所述需要的能量密度Ic与镜片的透光率n的关系为Ic=n×I0,其中n<1,Ic为需要的能量密度,n为聚焦组件的透光率,I0为加工激光能量密度区间的最大能量密度。
本发明的优点在于,本发明提供了一种激光冲击强化能量密度动态调控装置及方法,其优点如下:
(1)该装置可以通过控制系统控制可切换聚焦组件切换透光率,针对复杂曲面和壁厚不均匀的结构,能够随着曲率的变化而在线实时改变能量密度,既能保证激光冲击强度的一致性,也提高残余应力等表面完整性等参数分布的均匀性。
(2)通过控制系统控制机械臂夹持曲面金属零件按照预定轨迹运动,并控制约束层加载机构给曲面金属零件加载约束层,通过控制系统控制金属零件的运动轨迹保证了加工位置的准确性。
(3)通过数据采集分析推导能量密度分布函数表达式,确定位置坐标和其所需的能量密度,实现激光正反面变能量密度强化加工,控制聚焦组件按需求调整透光率以实时改变能量密度;针对曲面结构的形状特征对激光能量密度分布进行调整,从而实现能量密度动态调控,既能保证不同区域强化效果达到最佳,整体结构不发生扭曲变形,也提高残余应力等表面完整性等参数分布的均匀性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1为本发明实施例提供的激光冲击强化能量密度动态调控装置的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的可切换聚焦组件的结构示意图;
图3为本发明实施例提供的激光冲击强化能量密度动态调控方法的流程图;
其中,1-激光器、2-导光部件、3-可切换聚焦组件、4-机械臂、5-约束层加载机构、6-夹持部件、7-控制系统、8-金属零件、9-净水部件、10-水循环部件、31-聚焦透镜、32-镜架、33-驱动机构、321-透镜槽、322-轴孔。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示,一方面,本发明实施例提供一种激光冲击强化能量密度动态调控装置,该装置包括:激光器1、导光部件2、可切换聚焦组件3、机械臂4、约束层加载机构5和夹持部件6;
其中,激光器1的工作频率一般为1-100Hz,脉宽在ns级别,能量小于15J-30J之间,而导光部件2可以采用透镜、棱镜等硬导光设备,也可以采用其它的柔性导光设备,导光部件2对激光进行传输的同时还会对激光进行整形。
在本实施例中,导光部件2的一端与激光器1连接,另一端与可切换聚焦组件3连接;可切换聚焦组件3与控制系统7连接,用于控制可切换聚焦组件3切换透光率;针对复杂曲面和壁厚不均匀的结构,能够随着曲率的变化而在线实时切换透光率,改变能量密度;
在本实施例中,约束层加载机构5用于在金属零件8的表面形成约束层,可切换聚焦组件3输出的激光光束穿过约束层作用于金属零件8,金属零件8表面设有吸收保护层,该吸收保护层为胶带或涂料,金属零件8表面也可以不预置吸收保护层,直接利用金属零件8表面吸收激光能量,激光冲击强化后将金属零件8表面的烧蚀层打磨至光亮;约束层加载机构5形成的约束层能够约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力外,还能通过对冲击波的反射延长其作用时间,约束层加载机构5采用水光一体式加载装置,可选用锥形管进行水光一体加载;且约束层还可以为选用其他现有的对激光吸收较小的透明材料。
在本实施例中,金属零件8固定在夹持部件6上,夹持部件6安装在机械臂4上,机械臂4带动金属零件8平移或旋转,也可以采用万向台或直线运动机构,或两者的结合的方式带动金属零件8平移或旋转。
本发明中提供一种激光冲击强化能量密度动态调控装置可以通过控制系统7控制可切换聚焦组件3切换透光率,针对复杂曲面和壁厚不均匀的结构,能够随着曲率的变化而在线实时改变能量密度,既能保证激光冲击强度的一致性,也提高残余应力等表面完整性等参数分布的均匀性。
如图2所示,在一个实施例中,可切换聚焦组件3包括:聚焦透镜31、镜架32和驱动机构33;镜架32上沿环形设置有多个透镜槽321,每一透镜槽321内设置有不同透光率的聚焦透镜31;镜架32的上还设有轴孔322,轴孔322位于环形的圆心处;镜架32安装在驱动机构33上;
进一步地,驱动机构33为可双向转动的电机,电机的机轴端部驱动连接于轴孔322上。
在本实施例中,驱动机构33用于驱动镜架32绕其圆心转动,实现快速切换聚焦透镜31而改变能量密度,将选定的聚焦透镜31移动至激光路径处,激光器1发射的激光路径垂直经由镜架32上沿环形设置的聚焦透镜31;然后穿过约束层加载机构5形成的约束层后作用于金属零件8上。
在一个实施例中,约束层加载机构5为水上约束层加载机构和水下约束层加载机构中的一种;水上约束层加载机构以对金属零件8喷水的方式加载约束层,其中水上约束层加载机构可以为喷水嘴,水下约束层加载机构以将金属零件8浸没于水中的方式加载约束层,利用水下加载装置将金属零件8浸没在水中,经聚焦的光束在水中传输后作用于金属零件8表面。
在本实施例中采用水作为约束层,水约束层具有廉价、清洁、重复效果好,可加工曲面等优点,且流动性的水约束层可以带走等离子体爆炸后的固体颗粒和粉尘,消除固体颗粒和粉末对激光冲击强化的影响。
进一步地,若采用水上约束层加载机构,以喷水嘴为例,喷水嘴将水约束层加载在金属零件8表面,喷水嘴连接有净水部件9;净化部件9对水进行多重过滤,为水约束层加载提供净化水;净水部件还与水循环部件10连接,循环部件还与控制系统控制连接,控制系统控制水循环部件10将使用过的水重新导入净水部件实现了水的循环使用。
在一个实施例中,控制系统7还与机械臂4和约束层加载机构5电连接;控制系统7控制机械臂4的运动、约束层加载机构5加载约束层及其各部分协同工作。
本发明提供了一种激光冲击强化能量密度动态调控装置,该装置可以通过控制系统控制可切换聚焦组件切换透光率、控制机械臂夹持曲面金属零件按照预定轨迹运动,和控制约束层加载机构对曲面金属零件加载约束层,通过控制透光率的切换,可以针对复杂曲面和壁厚不均匀的结构,随着曲率的变化而在线实时改变能量密度,既保证激光冲击强度的一致性,也提高残余应力等表面完整性等参数分布的均匀性;而通过控制系统控制金属零件的运动轨迹保证了加工位置的准确性,同时保证金属零件在运动的同时,能够保证控制约束层加载机构在金属零件上形成一定厚度的约束层。
如图3所示,另一方面,本发明实施例提供一种激光冲击强化能量密度动态调控方法,包括:
S1、测量待加工金属零件曲面的形状参数,推导曲面结构特征的数学函数类型,拟合所述待加工金属零件曲面的数学函数表达式;
S2、根据所述数学函数表达式,利用数值仿真分析和优化算法确定能量密度分布函数的表达式;
S3、根据所述能量密度分布函数表达式,得出金属零件各个位置加工时需要的能量密度;
S4、根据所述需要能量密度Ic与镜片的透光率n的关系式,得出金属零件各个位置加工时需要的透光率;
S5、根据所述得出的透光率,控制系统控制可切换聚焦组件切换至所述得出的透光率对应的聚焦组件进行加工;
S6、对加工完毕的金属零件进行检测,判断曲面的宏观形状、残余应力、表面完整性是否符合要求;如果不符合要求且金属零件还未报废则重复上述步骤S1至S5的加工过程,直至达到标准,若金属零件报废则停止加工。
在本实施例中,步骤S1中的形状参数为曲面结构形状特征的位置坐标;
步骤S2中,根据步骤S1的数学函数表达式,以曲面变形量和残余应力为目标,得到不同位置坐标和其所需的能量密度,其中,所需的能量密度考虑的主要因素包括曲面结构的形状、各区域壁厚以及加工使用的约束层和吸收层;得到最终的能量密度分布函数表达式;
步骤S4中,需要的能量密度Ic与镜片的透光率n的关系为Ic=n×I0,其中n<1,Ic为需要的能量密度,n为聚焦组件的透光率,I0为加工激光能量密度区间的最大能量密度;
步骤S5中,若在步骤S4中加工金属零件需要的能量密度为,根据公式Ic=n×I0,得出需要的聚焦透镜的透光率为n,切换至透光率为n的聚焦透镜31,将选定的透光率为n的聚焦透镜31移动至激光路径处,然后将利用此时得到的能量密度对金属零件进行加工。
在本实施例中,在进行加工时,激光束保持不动,采用逐点加工的方式进行冲击强化处理,由计算机控制系统对可切换聚焦组件的透光率进行调整,满足曲面零件不同结构和位置的能量密度需求;
具体实施例:
本发明实施例提供了一种激光冲击强化能量密度动态调控方法,采用该方法对曲面结构进行冲击强化,比如,曲面结构可以为航空发动机叶片结构及涡轮盘榫槽结构;包括以下步骤:
1)对曲面结构的形状参数进行采集和分析,利用三坐标测量仪扫描得到曲面的三维模型,所述三维模型包括代表曲面形状特征的位置坐标,在已得到待加工曲面形状函数类型的条件下,仅需测量部分特殊位置坐标即可;根据位置坐标推导曲面结构特征的数学函数表达式F(x,y,z);结合理论计算I=E/(S×t)和过往的经验的实验数据推断出待加工零件的最佳激光能量密度使用范围,其中,E为激光能量,S为光斑面积,t为脉宽。
2)受曲面的材料和厚度的影响,所使用的激光能量密度存在一个区间,预取加工激光能量密度区间的最大能量密度I0,则需要的能量密度Ic的值为:Ic=n×I0(n为镜片透光率,n<1);随着透光率的改变而调整;另外,不同材料的激光能量密度不一样,所以加工相应零件时根据做实验获得不同材料零件的激光能量密度,得出大致的能量密度范围后,结合每次冲击的变形量和残余应力要求确定最佳能量密度,要求既要对不同壁厚的区域实现最大程度的冲击强化,也不能导致过量的形变。
3)通过仿真软件计算得到的能量密度分布函数;将零件形状参数导入仿真软件,模拟激光冲击强化过程,以变形量和残余应力为目标,不同位置有不同的变形量标准和残余应力标准,从而得到不同坐标的能量密度;以数值仿真分析和优化算法为方法,以不同坐标的形状参数的曲面变形量和残余应力为目标,得到不同位置坐标和其所需的能量密度,得到最终的能量密度分布函数表达式I(x,y,z),拟定最优的强化方案,确定每一个冲击点的激光能量密度以及机械臂的运动轨迹;控制系统控制运动轨迹以及可切换聚焦组件的透光率;实现可切换聚焦组件在加工过程中实时改变透光率,满足不同区域对激光能量密度的要求。
4)对加工完毕的金属零件曲面进行检测,判断变形量和应力分布状态是否符合标准。宏观变形要符合技术文件要求,与加工前的零件尺寸对比无变形超差;残余压应力场分布均匀,达到技术文件所要求数值,表面粗糙度硬度符合技术文件要求,并且没有裂纹,划痕,烧蚀等缺陷;不同的金属零件的具有不同的参数标准,要求激光冲击强化后表面的残余应力高于该金属零件技术要求的某个数值,表面的变形量不高于该金属零件技术要求的某个数值;如果表面的变形量超过这个技术要求的数值则认为零件报废。
在本实施例中,通过激光冲击强化曲面结构,使用一种激光冲击强化能量密度动态调控方法进行强化,通过控制系统控制机械臂夹持曲面按照预定轨迹运动,约束层加载机构将净化水加载到金属零件上形成约束层,并调控可切换聚焦组件实时改变透光率,发出脉冲激光对曲面进行强化。
本发明的优点在于,本发明提供了一种激光冲击强化能量密度动态调控装置及方法,其优点如下:
(1)该装置可以通过控制系统控制可切换聚焦组件切换透光率,针对复杂曲面和壁厚不均匀的结构,能够随着曲率的变化而在线实时改变能量密度,既能保证激光冲击强度的一致性,也提高残余应力等表面完整性等参数分布的均匀性。
(2)通过控制系统控制机械臂夹持曲面金属零件按照预定轨迹运动,并控制约束层加载机构给曲面金属零件加载约束层,通过控制系统控制金属零件的运动轨迹保证了加工位置的准确性。
(3)通过数据采集分析推导能量密度分布函数表达式,确定位置坐标和其所需的能量密度,实现激光正反面变能量密度强化加工,控制可切换聚焦组件按需求调整透光率以实时改变能量密度;针对曲面结构的形状特征对激光能量密度分布进行调整,从而实现能量密度动态调控,既能保证不同区域强化效果达到最佳,整体结构不发生扭曲变形,也提高残余应力等表面完整性等参数分布的均匀性。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种激光冲击强化能量密度动态调控装置,其特征在于,该装置包括:激光器(1)、导光部件(2)、可切换聚焦组件(3)、机械臂(4)、约束层加载机构(5)和夹持部件(6);
所述导光部件(2)的一端与所述激光器(1)连接,另一端与所述可切换聚焦组件(3)连接;所述可切换聚焦组件(3)与控制系统(7)连接,所述控制系统(7)控制所述可切换聚焦组件(3)切换透光率;
所述约束层加载机构(5)用于在金属零件(8)的表面形成约束层,所述可切换聚焦组件(3)输出的激光光束穿过约束层作用于所述金属零件(8);
所述金属零件(8)固定在所述夹持部件(6)上,所述夹持部件(6)安装在机械臂(4)上,所述机械臂(4)带动所述金属零件(8)平移或旋转。
2.如权利要求1所述的一种激光冲击强化能量密度动态调控装置,其特征在于,所述可切换聚焦组件(3)包括:聚焦透镜(31)、镜架(32)和驱动机构(33);
所述镜架(32)上沿环形设置有多个透镜槽(321),每一所述透镜槽(321)内设置有不同透光率的聚焦透镜(31);
所述镜架(32)的上还设有轴孔(322),所述轴孔(322)位于所述环形的圆心处;
所述镜架(32)安装在所述驱动机构(33)上。
3.如权利要求2所述的一种激光冲击强化能量密度动态调控装置,其特征在于,所述驱动机构(33)为可双向转动的电机,所述电机的机轴端部驱动连接于所述轴孔(322)上。
4.如权利要求1所述的一种激光冲击强化能量密度动态调控装置,其特征在于,所述约束层加载机构(5)为水上约束层加载机构和水下约束层加载机构中的一种;
所述水上约束层加载机构以对所述金属零件(8)喷水的方式加载约束层,所述水下约束层加载机构以将所述金属零件(8)浸没于水中的方式加载约束层。
5.如权利要求1所述的一种激光冲击强化能量密度动态调控装置,其特征在于,该装置还包括净水部件(9),所述净水部件与所述约束层加载机构(5)连接,所述净水部件(9)为水约束层加载提供净化水。
6.如权利要求1所述的一种激光冲击强化能量密度动态调控装置,其特征在于,所述控制系统(7)还与所述机械臂(4)和约束层加载机构(5)电连接;所述控制系统(7)控制所述机械臂(4)的运动和约束层加载机构(5)加载约束层。
7.一种激光冲击强化能量密度动态调控方法,其特征在于,采取如权利要求1-6任一项所述的能量密度动态调控装置,实现能量密度动态调控,包括步骤:
S1、测量待加工金属零件曲面的形状参数,拟合所述待加工金属零件曲面的数学函数表达式;
S2、根据所述数学函数表达式,利用数值仿真分析和优化算法确定能量密度分布函数的表达式;
S3、根据所述能量密度分布函数表达式,得出金属零件各个位置加工时需要的能量密度;
S4、根据所述需要能量密度Ic与镜片的透光率n的关系式,得出金属零件各个位置加工时需要的透光率;
S5、根据所述得出的透光率,控制系统控制可切换聚焦组件切换至所述得出的透光率对应的聚焦组件进行加工;
S6、对加工完毕的金属零件进行检测,判断曲面的宏观形状、残余应力、表面完整性是否符合要求;如果不符合要求且金属零件还未报废则重复上述步骤S1至S5的加工过程,直至达到标准,若金属零件报废则停止加工。
8.如权利要求7所述的一种激光冲击强化能量密度动态调控方法,其特征在于,所述的形状参数为曲面结构形状特征的位置坐标。
9.如权利要求7所述的一种激光冲击强化能量密度动态调控方法,其特征在于,所述步骤S2包括,根据所述数学函数表达式,以曲面变形量和残余应力为目标,得到不同位置坐标和其所需的能量密度,得到最终的能量密度分布函数表达式。
10.如权利要求9所述的一种激光冲击强化能量密度动态调控方法,其特征在于,所述需要的能量密度Ic与镜片的透光率n的关系为Ic=n×I0,其中n<1,Ic为需要的能量密度,n为聚焦组件的透光率,I0为加工激光能量密度区间的最大能量密度。
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