CN111850284B

CN111850284B - 一种激光冲击强化方法与系统

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Publication number: CN111850284B
Application number: CN201910344358.9A
Authority: CN
Inventors: 张文武; 王玉峰
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2039-04-26
Also published as: WO2020215596A1; CN111850284A

Abstract

本发明公开了一种激光冲击强化方法和系统。该方法首先形成流向工件表面待处理区域的水柱；然后将流动的吸收保护层材料注入水柱形成吸收保护层；最后，将激光束通过水柱后作用于吸收保护层，形成冲击波作用于工件表面。该方法无需预先设置吸收保护层，通过对吸收保护层材料与激光束的注入时序控制，使吸收保护层到达工件表面后将激光束射入水柱，不仅提升了处理效率，而且可用于处理形状复杂或者表面狭小的工件。

Description

一种激光冲击强化方法与系统

技术领域

本发明涉及激光冲击强化技术领域，尤其涉及一种激光冲击强化方法与系统。

背景技术

激光冲击强化是一种表面处理技术，用于对工件表面进行压应力处理。通常，激光冲击强化过程是：在工件表面通过喷涂、贴附等方法设置吸收保护层，吸收保护层表面设置约束层；强激光聚焦透过约束层后作用于吸收保护层，产生强烈的高温高压等离子体，等离子体爆炸膨胀，形成数个GPa(10⁹Pa)的冲击波，冲击波在约束层辅助下，相对高效率地耦合入工件，产生塑性变形和压应力，从而增强工件表面硬度、耐磨性，提高疲劳寿命等。

激光冲击强化中约束层的主要目的是提高冲击波耦合效率。目前，一般采用光学玻璃等固体材料贴膜作为约束层，或者在侧面喷射厚度约0.5mm-1mm的水膜等柔性材料作为约束层。相比而言，水膜是流体，破碎后可以恢复。但是，在激光冲击强化工艺中，使用水膜作为约束层也产生一系列问题：首先，有效激光能量对水膜厚度和水膜波纹很敏感，因此，传统激光冲击强化中要求控制水膜质量，理想情况下，在整个处理过程中水膜保持同样厚度，呈平稳状态，但是在实际处理过程中水膜很难保持平稳状态，尤其在复杂工件表面、工件边沿或拐角处。其次，在强激光作用下水膜易发生炸裂、溅射，从而沾染到光学部件或电气元件，容易降低工艺系统的可靠性。另外，对于狭窄空间，如飞机发动机整体叶盘根部，高深径比沟槽底部等，侧面喷水无法有效实现，导致激光冲击强化处理的应用受限。

此外，为了实现大的处理深度，激光冲击强化中使用大功率激光器，其脉冲能量往往达到1J以上，如典型的大功率激光器的波长一般为1064纳米，脉冲能量为1-30J，脉宽为7-50纳秒，绿光脉冲能量相对1064纳米波长大致减半。这样的大脉冲能量导致其截面能量分布往往存在畸变，即存在高峰和低谷，严重时高峰会超出平均值50％以上，光斑能量不均匀。所以，对于大功率激光器而言，即使激光的平均功率稳定，每个激光脉冲的一致性也很难保证，导致使用大功率激光器进行冲击强化处理时会出现局部应力过强或过弱的现象，当局部应力过强时可能造成工件的内部应力撕裂，而这样的内部缺陷很难通过无损检测检查出来，导致有内裂纹的工件疲劳寿命不增反降。因此，提高激光光斑能量的均匀性是获得高质量激光冲击强化效果的重要因素之一。为了提高激光光斑能量的均匀性，一种方法是对激光脉冲进行实时检测，反馈控制泵浦电流，从而保守地使用激光能量，避免过高能量的局部效应超限。另一种办法是对激光束进行光学整形，尽可能将激光束变得平顶，即降低波峰、波谷的幅值。但是，对大功率激光器而言，这两种方法成本昂贵，可靠性低。

另外，目前激光冲击强化中，首先需要在工件表面设置吸收保护层，但是在形状复杂的工件表面以及表面狭小的工件表面设置吸收保护层并非易事，为处理工艺带来难度。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种激光冲击强化方法，包括如下步骤：

(1)形成流向工件表面待处理区域的水柱；

(2)采用流动的介质作为吸收保护层材料；将吸收保护层材料注入水柱，吸收保护层材料通过水柱到达工件表面，在冲击力作用下在工件表面展开，形成吸收保护层；

(3)待步骤(2)完毕，激光束通过水柱后作用于吸收保护层，形成冲击波作用于工件表面。

为了避免水柱中存在水泡等影响激光传输效率，水柱优选为层流水柱。

作为优选，水柱的长度，即水柱一端到工件表面的距离大于10mm，激光可以在水柱中实现多次全发射，以提高光斑的均匀性。作为进一步优选，水柱的长度大于50mm，更优选大于100mm，最优选大于500mm。

作为优选，水柱的流速大于2m/s，进一步优选大于10m/s，并且可以大于20m/s。

设垂直于水柱流向的截面为横截面，水柱的横截面不限，包括圆形和非圆形。当水柱的横截面为圆形时，横截面直径D(单位为cm)优选由激光强度决定，例如，设定激光冲击强化强度为I₀(单位为W/cm²)，激光脉冲能量为E_p(单位为J)，激光脉宽为t_p(单位为秒)，直径D优选为：

作为优选，直径D小于或者等于0.5mm。

另外，通过调节激光脉冲能量和/或直径D，可实现预定的激光冲击强化强度。

所述吸收保护层材料不限，优选不溶于水或者在水中扩散慢的介质，包括油性墨水、油漆、染料等。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明中，采用水柱作为约束层，水柱在空气中形成全反射光导，一方面可以将激光传输到工件表面，另一方面通过全反射光导效应，可以方便地将不均匀的激光分布通过多次界面反射变为均匀的激光分布，从而提高激光冲击强化效果。另外，水柱的长度、直径可调节，因此水柱能够方便地到达狭窄、形状复杂的空间部位。

(2)本发明中，无需在工件表面待处理区域预先设置吸收保护层，而是在激光射入水柱之前将流动的吸收保护层材料通过水柱，吸收保护层材料在冲击力作用下产生直径扩大效应，从而瞬间地完全覆盖在工件表面待处理区域而形成吸收保护层，不仅大大提升了处理效率，而且可方便地在各种工件表面进行吸收保护层铺设，尤其适用于形状复杂的工件表面以及表面狭小的工件表面。

(3)本发明中，通过对吸收保护层材料与激光束的注入时序控制，使吸收保护层到达工件表面后将激光束射入水柱，一方面停止注入吸收保护层材料后水柱会迅速恢复光传输通道，另一方面吸收保护层材料完全覆盖在工件表面待处理区域形成吸收保护层，从而避免了工件表面由于激光直接作用引起的破坏。

本发明还提供一种激光冲击强化系统，包括激光器、光学传输与聚焦单元、第一传输单元、第二传输单元、腔体以及控制单元；

在控制单元的作用下，水源经过第一传输单元进入腔体，通过设置在腔体端部的喷嘴流出，形成水柱；流动的吸收保护层材料经过第二传输单元进入腔体后经喷嘴流出，通过水柱到达工件表面，在冲击力作用下在工件表面展开，形成吸收保护层；激光器发出激光，激光沿光学传输与聚焦单元后通过水柱，然后经吸收保护层作用于工件表面。

所述控制单元可以是工控计算机或者机载智能处理终端。

作为优选，工件在运动系统单元作用下可进行位移。所述运动系统单元包括但不限于机器人，运动台等。

所述工件材料不限，包括金属、非金属等。

所述激光器是指聚焦后能用于激光冲击强化的激光器。作为优选，激光器的脉冲宽度小于50纳秒，作为进一步优选，激光器的脉冲宽度小于20纳秒，包括皮秒和飞秒激光器。

作为优选，激光波长选用可以在水中高能量、长距离、低衰减传输的激光波长。作为进一步优选，激光波长为450-1200纳米，更优选激光为450-550纳米的蓝绿光。

所述光学传输与聚焦单元可以是离散的光学器件，如反射镜及透镜，也可以是集成式的光学系统，包括但不限于末端带聚焦透镜的柔性光管。

作为优选，激光传输的强度为1-6GW/cm²。

作为优选，工件与喷嘴之间的间距等于或者大于5-10倍水柱的直径，以充分利用水柱光导的光束整形作用。

附图说明

图1是本发明实施例1中的激光冲击强化系统结构示意图。

图2是图1中的局部放大图。

图3是本发明实施例1中的激光冲击强化方法示意图。

图4是本发明实施例2中的激光冲击强化系统结构示意图。

图5是本发明实施例3中的激光冲击强化系统结构示意图。

图6是本发明实施例4中的激光冲击强化系统结构示意图。

图1-6中的附图标记为：1-激光器；2-激光束；3-反射镜；4-聚焦透镜；5-入水口；6-上滤网；7-下滤网；8-石英窗口片；9-喷嘴；10-水柱；11-工件；12-液体吸收保护层材料；13-液体吸收保护层材料入口；14-运动台；15-等离子体；16-冲击波；17-运动控制器；18-工控计算机；19-容器；20-高压装置；21-电磁阀A；22-容器；23-电磁阀B；24-叶片；25-夹具；26-安装台；27-回收水池；28-机器人；29-激光器A；30-激光器B；31-工件；32-激光光纤柔性传输；33-大型工件；34-大型安装台。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

如图1所示，激光冲击强化系统如图1所示，包括激光器1，光学传输与聚焦单元，第一传输单元，第二传输单元，底部设置喷嘴的腔体，以及控制单元。

本实施例中，光学传输与聚焦单元包括反射镜3、聚焦透镜4与石英窗口片8。

本实施例中，第一传输单元包括高压装置20、水桶22、电磁阀B 23、入水口5、上滤网6与下滤网7。

本实施例中，第二传输单元包括高压装置20、液体吸收保护层材料容器22与电磁阀A 21。

本实施例中，控制单元是工控计算机18。

本实施例中，激光冲击强化系统还包括运动系统单元，该运动系统单元包括运动控制器17与承载工件的运动台14，在控制单元作用下，运动控制器控制运动台进行位移，使工件11位于水柱10的正下方。

如图2、3所示，利用该激光冲击强化系统进行激光冲击强化的方法包括如下步骤：

(1)在工控计算机18的作用下，运动控制器17控制运动台14进行位移，使工件11的待处理区域位于喷嘴9的正下方。

(2)在工控计算机18的作用下，电磁阀A23打开，在高压装置20的作用下，容器22中的水通过入水口5、上滤网6与下滤网7进入腔体，通过设置在腔体底部的喷嘴9流出，形成层流水柱10。

(3)在工控计算机18的作用下，电磁阀B 21打开，在高压装置20的作用下，容器19中的液体吸收保护层材料12流入腔体，经喷嘴9流出，通过层流水柱10到达工件11表面，在冲击力作用下在工件11表面展开，形成吸收保护层。

(4)如图2、3，激光器1发出高能脉冲激光束2，激光束2沿光路传输，经过反射镜3、聚焦透镜4、透明石英窗口片8射入腔体，经喷嘴9耦合进层流水柱10，经过层流水柱10的全反射传播，激光能量变得充分均匀后通过吸收保护层与工件11的待处理区域接触，形成等离子体15的冲击波16作用于工件待处理区域。

(5)重复上述步骤(1)至(4)，完成对工件的处理。

实施例2：

本实施例中，工件是钛合金航空发动机叶片24。

本实施例中，激光冲击强化系统与实施例1基本相同，所不同的是如图4所示，运动系统单元包括夹具25与六自由度机器人28。在工控计算机18作用下，工件24由夹具25夹持，在六自由度机器人28作用下进行位移，使工件24位于喷嘴的右方，在高压装置的作用下，容器中的水通过入水口、上滤网与下滤网进入腔体，通过设置在腔体右端的喷嘴流出，形成水平层流水柱，在工件下方设置回收水池27用于接收落下的水滴。

实施例3：

本实施例中，工件是安装在大型安装台34上的大型工件33。

本实施例中，激光冲击强化系统与实施例1基本相同，所不同的是如图5所示，激光通过柔性导光臂32从激光器传输到光学传输与聚焦单元中。并且，实施例1中的腔体，聚焦透镜、石英窗口片、上滤网、下滤网等组成的装置由六自由度机器人28夹持，在工控计算机18作用下进行位移。

实施例4：

本实施例中，激光冲击强化系统与实施例3基本相同，所不同的是如图6所示，采用两套系统对工件31进行激光冲击强化。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于各种工件表面的激光冲击强化方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)形成流向工件表面待处理区域的水柱；

2.如权利要求1所述的激光冲击强化方法，其特征是：水柱是层流水柱。

3.如权利要求1所述的激光冲击强化方法，其特征是：水柱的一端到工件表面的距离大于10mm。

4.如权利要求3所述的激光冲击强化方法，其特征是：水柱的一端到工件表面的距离大于50mm。

5.如权利要求4所述的激光冲击强化方法，其特征是：水柱的一端到工件表面的距离大于100mm。

6.如权利要求5所述的激光冲击强化方法，其特征是：水柱的一端到工件表面的距离大于500mm。

7.如权利要求1所述的激光冲击强化方法，其特征是：水柱的流速大于2m/s。

8.如权利要求7所述的激光冲击强化方法，其特征是：水柱的流速大于10m/s。

9.如权利要求1所述的激光冲击强化方法，其特征是：设垂直于水柱流向的截面为横截面，水柱的横截面为圆形时，横截面直径为D，设激光冲击强化强度为I₀，激光脉冲能量为E₀，激光脉宽为t_p，直径D为：

10.如权利要求9所述的激光冲击强化方法，其特征是：通过调节激光脉冲能量和/或直径D实现预定的激光冲击强化强度。

11.如权利要求1至10中任一权利要求所述的激光冲击强化方法，其特征是：所述吸收保护层材料是不溶于水或者在水中扩散慢的介质。

12.如权利要求11所述的激光冲击强化方法，其特征是：所述吸收保护层材料是油性墨水、油漆或者染料。

13.一种适用于各种工件表面的激光冲击强化系统，其特征是：包括激光器、光学传输与聚焦单元、第一传输单元、第二传输单元、腔体以及控制单元；

在控制单元的作用下，水经过第一传输单元进入腔体，通过设置在腔体端部的喷嘴流出，形成水柱；流动的吸收保护层材料经过第二传输单元进入腔体后经喷嘴流出，通过水柱到达工件表面，在冲击力作用下在工件表面展开，形成吸收保护层；激光器发出激光，激光沿光学传输与聚焦单元后通过水柱，然后经吸收保护层作用于工件表面。

14.如权利要求13所述的激光冲击强化系统，其特征是：所述控制单元是工控计算机或者机载智能处理终端。

15.如权利要求13所述的激光冲击强化系统，其特征是：工件在运动系统单元作用下进行位移。

16.如权利要求13所述的激光冲击强化系统，其特征是：所述激光器的脉冲宽度小于50纳秒。

17.如权利要求16所述的激光冲击强化系统，其特征是：所述激光器的脉冲宽度小于20纳秒。

18.如权利要求13所述的激光冲击强化系统，其特征是：激光波长为450-1200纳米。

19.如权利要求18所述的激光冲击强化系统，其特征是：激光波长为450-550纳米。

20.如权利要求13至19中任一权利要求所述的激光冲击强化系统，其特征是：工件与喷嘴之间的间距大于或者等于5-10倍水柱的直径。