CN111872565A - 适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置及施加方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置及施加方法，水约束层施加装置包括安装组件、管道组件和旋转组件，安装组件包括用于将整个装置安装在大型零件上的夹紧件；管道组件包括若干根出液管，待强化的区域被分为多处子区域，各出液管的出液口一一对应的向子区域施加水约束层；旋转组件可转动的设置在夹紧件上，旋转组件用于带动各出液管远离或靠近过渡区；安装组件上设置有限位面，当旋转组件运动至限位面上时，各出液管的出液口朝向相应的子区域，本发明的施加方法采用本发明的施加装置，使得强化过程中水约束层施加装置是静态的，能够在现场对大型零件的复杂型面全面、均匀、稳定施加水约束层，保证激光冲击强化效果。

Description

适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置及施加 方法

技术领域

本发明涉及激光冲击强化技术领域，具体涉及一种适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置及方法。

背景技术

激光冲击强化(Laser Shock Processing,LSP)是一种新型表面强化技术，是利用激光诱导等离子体冲击波力学效应使金属材料表层产生超高应变率塑性变形(10⁶/s量级)，改变材料微观组织、形成残余应力，从而显著提高金属材料抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能。相比传统机械喷丸、滚压等表面强化技术，激光冲击强化具有精确可控、残余应力层深、表面状态好、抗疲劳效果好等优势，已成功应用于航空航天、能源动力和轨道交通等领域。激光冲击强化技术原理是采用高功率(GW级)、短脉宽(ns级)强激光束辐照金属材料表面，材料表面贴覆有用于吸收激光能量的吸收保护层，吸收保护层吸收激光能量后发生爆炸性气化蒸发形成高温高压等离子体并剧烈膨胀，在约束层作用下形成向材料内部传播的高压冲击波，当冲击波压力高于材料动态屈服极限即会造成塑性变形。

相比于无约束层，约束层的存在使等离子体产生的冲击波具有更高的峰值压力与更大的脉宽，因此，约束层的施加质量是影响激光冲击强化效果的重要因素之一。约束层常采用玻璃等固体约束层和水等液体约束层，由于玻璃在较高能量的激光冲击下容易发生炸裂故安全风险较高，且玻璃不适用于复杂型面的处理。

目前，对于复杂型面结构而言，通常采用的水约束层施加方式是：激光束光路和水约束层施加装置固定不动，利用多自由度机械臂夹持待强化件，使待强化件在机械臂的控制和运动条件下适应于激光束施加位置和水约束层施加位置进行移动。上述水约束层施加方式能够适用于对尺寸相对较小、质量较轻的部件，但对于体积大、重量大的部件，机械臂往往难以夹持待强化件，尤其飞机、航天器、高铁等装备的大型零部件需要在现场、不拆卸条件下进行强化处理，导致该水约束层施加方式不适用。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种现场激光冲击水约束层施加装置及方法，以适用于飞机、高铁、航天器等装备的大型零部件的复杂型面的现场激光冲击，提高水约束层现场施加质量，保证激光冲击强化效果。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明技术方案如下：

一种适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置，所述零部件上凸设有凸起件，所述凸起件为凸块或凸板，所述水约束层施加装置包括：

安装组件，所述安装组件用于将整个水约束层施加装置安装在所述凸起件上，所述安装件包括至少一对夹紧件及夹紧螺栓，所述夹紧螺栓贯穿两件所述夹紧件，并两件所述夹紧件固定在所述凸起件的两侧；

管道组件，所述管道组件包括若干根出液管，待施加水约束层的区域划分为多处子区域，各所述出液管的出液口一一对应的用于向所述子区域施加水约束层；

旋转组件，各所述出液管均设置在所述旋转组件上，所述旋转组件可转动的设置在所述夹紧件上，所述旋转组件通过转动带动各所述出液管远离或靠近待施加水约束层的区域；

其中，所述安装组件上设置有用于限制所述旋转组件的极限转动位置的限位面，当所述旋转组件运动至所述限位面处时，各所述出液管的出液口朝向相应的子区域，当所述旋转组件在外力用下旋转离开所述限位面时，各所述出液管的出液口远离相应的子区域。

可选的，所述凸起件上设置有耳孔，所述夹紧螺栓贯穿所述耳孔；

或

所述凸起件上未设置耳孔，所述夹紧螺栓处于所述凸起件外围。

可选的，所述旋转组件包括支撑板和旋转块，两块所述旋转块一一对应的转动安装在所述夹紧件上，且两块所述旋转块的旋转轴线共线，所述支撑板跨设在两块所述旋转块上，且各所述出液管设置在所述支撑板上背离所述旋转块的一侧。

可选的，所述支撑板和每根所述出液管之间设置有用于调整相应出液口位置的调节结构，且所述出液管和所述支撑板通过所述调节结构可拆卸连接。

可选的，所述支撑板上可拆卸的设置有用于定位所述出液管的约束组件，每根所述出液管对应一组所述约束组件，所述约束组件包括约束套、锁紧螺栓和锁紧螺母，所述约束套套设在相应的出液管上，所述支撑板上供锁紧螺栓穿过的过孔，所述约束衬套上配合设置有供锁紧螺栓配合穿过的螺纹侧孔，所述锁紧螺栓依次贯穿所述锁紧螺母、所述过孔和所述螺纹侧孔后顶紧在所述出液管的外壁上，所述锁紧螺母拧紧在所述支撑板上背离约束套的一侧。

可选的，所述出液管包括直管段和弯曲段，所述出液口处于所述弯曲段的末端，所述约束套配合套置于所述直管段外，所述过孔为U型孔，所述U型孔的长边方向垂直于所述直管段的延伸方向。

可选的，所述支撑板上设置有多排过孔，单排过孔中，各过孔沿过孔的长边方向排布，且单排过孔的数量大于或等于出液管的数量。

可选的，所述支撑板与所述旋转块可拆卸连接。

可选的，所述管道组件还包括依次连接的总进水软管、管接头和分支软管，每根所述分支软管对应连接一根所述出液管。

相应的，本发明还提供一种适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加方法，水约束层施加过程中，采用上述任一种所述的水约束层施加装置，所述水约束层施加方法包括：

通过将两块夹紧件安装与凸起件的两侧，使水约束层施加装置安装在凸起件上，

旋转释放旋转组件，使旋转组件运动到在限位面处，各出液口对准相应子区域；

调整各出液管的出液口的位置，使出液口向相应的子区域喷射液体形成水流，各子区域上均形成合格厚度的水约束层。

本发明中，利用安装组件将水约束层装置安装在大型零部件上，通过调整旋转组件和管道组件的位置，实现各出液管口与待处理子区域的对应、匹配，实现复杂型面激光冲击水约束层的现场施加，所施加的水约束层更加全面、均匀、稳定。整个装置简单易操作、通用性强，适用于大型零部件的复杂型面现场激光冲击水约束层的均匀施加，保证激光冲击强化效果。

附图说明

图1显示为本发明的水约束层施加装置安装在耳片上时的安装结构示意图；

图2显示为凸起件、夹紧件、旋转块的爆炸图；

图3显示为旋转组件和出液管的爆炸图；

图4显示为支撑板、出液管及约束组件的位置关系图；

图5显示为图4的左视图；

图6显示为利用本发明的的水约束层施加装置进行过渡区激光冲击强化过程中的示意图

图7显示为飞机的外部结构示意图；

图8显示为图7中Ⅰ处区域的局部视图；

图9显示为图8中Ⅱ处区域的局部视图。

零件标号说明：

夹紧件11、限位面111、紧固孔112、避让槽113；

支撑板21、旋转块22、过孔211、紧固螺栓23；

出液管31、总进水软管32、管接头33、分支软管34、直管段311、弯曲段312、出液口312a；

约束套4、螺纹侧孔41、锁紧螺栓5、锁紧螺母7；

凸起件6、耳孔62

吸收保护层E、激光束施加装置F。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

本发明的9现场水约束层施加装置安装在大型零部件的凸起件上，下束各实施例中，以飞机为例，参见图7至图9，飞机翼身上设置有连接耳片，在安装该约束层施加装置时，以该连接耳片6作为凸起件，下述各实施例中，连接耳片6上设置有耳孔62，在实际实施过程中，凸起件可以为凸块或凸板。

结合参见图1至图9，所述水约束层施加装置包括：

安装组件，所述安装组件用于将整个水约束层施加装置安装在所述连接耳片6上，所述安装件包括两件夹紧件11及夹紧螺栓，所述夹紧螺栓贯穿两件所述夹紧件11，并两件所述夹紧件11固定在所述连接耳片6的两侧；在实际实施过程中，安装组件也可以包括多对夹紧组件，每对夹紧组件对应两件夹紧件11。

管道组件，所述管道组件包括若干根出液管31，待施加水约束层的区域划分为多处子区域，各所述出液管31的出液口312a一一对应的用于向所述子区域施加水约束层；

旋转组件，各所述出液管31均设置在所述旋转组件上，所述旋转组件可转动的设置在所述夹紧件11上，所述旋转组件通过转动带动各所述出液管31远离或靠近待施加水约束层的区域；

其中，所述安装组件上设置有用于限制所述旋转组件的极限转动位置的限位面111，当所述旋转组件在运动至所述限位面111处时，各所述出液管31的出液口312a朝向相应的子区域，当所述旋转组件在外力用下旋转离开所述限位面111时，各所述出液管31的出液口312a均向远离相应的子区域。

本发明的水约束层施加装置结构简单，且利用零部件自身的结构(如：飞机翼身的连接耳片)完成了定位，使得激光冲击强化过程中水约束层施加装置是静态的，降低了各部件及机体之间发生碰撞的风险，提高了现场激光冲击强化的安全性，每个子区域均对应有出液口312a，通过调整旋转组件和管道组件的位置，能够确保待强化的区域能够全部被覆盖，实现了复杂型面激光冲击水约束层的现场施加，所施加的水约束层更加全面、均匀、稳定。整个装置简单易操作、通用性强，适用于大型零部件的复杂型面现场激光冲击水约束层的均匀施加，保证激光冲击强化效果。

需要说明的是，图7至图9中，待强化的区域主要是指连接耳片6根部的两端与飞机翼身交汇的区域，每片连接耳片6具有两个过渡区。在实际实施过程中，参见图9，待强化的区域的可以划分为四个子区域，即子区域A、子区域B、子区域C和子区域D，相应的，出液管31的数量也为4根，每根出液管31的出液口312a用于对准一处子区域，当然，在实际实施过程中，子区域的划分不限于4个，且各个子区域之间可以重叠，但各子区域的总区域需要覆盖整个过渡区。

另外，图1、图2中，飞机翼身的局部具有两个连接耳片6，水约束层施加装置具有两组安装组件，每组安装组件一一对应的安装在两个连接耳片上，各出液管31的出液口312a是对准其中一个连接耳片一处的待处理区域，在实际实施过程中，也如果只有一个连接耳片，也可以将水约束层施加装置仅安装在其中一个连接耳片上，相应的出液口312a也可以对准其自身的过渡区。另外，在实际实施过程中，若待处理的区域为连接耳片6周围的其他区域，也可以利用连接耳片6先对整个约束层施加装置进行定位，将出液口312a的位置调整至与待处理的区域对应的位置。

相应的，在使用该水约束层施加装置向过渡区61施加水约束层时，所述水约束层施加方法包括：

通过将两块夹紧件11安装与连接耳片6(凸起件)的两侧，使水约束层施加装置安装在连接耳片6(凸起件)上，

旋转释放旋转组件，使旋转组件运动至限位面111处，各出液口312a对准相应子区域；

调整各出液管31的出液口312a的位置，使出液口312a向相应的子区域喷射液体形成水流，各子区域上均形成合格厚度的水约束层。此处的合格厚度一方面指代各子区域形成的水约束层的厚度几乎相等，使整个强化区域的水约束层各处厚度均匀稳定，另一方面，合格的厚度也指各子区域对应的水约束层的厚度的数值范围被控制在设计范围内不超差，此处，水约束层的厚度约为2mm。

在实际实施过程中，在水约束层施加前，需要在待强化区域表面粘贴或涂覆吸收保护层E，采用本发明的水约束层施加装置可以先安装约束施加装置再涂覆吸收保护层E，也可以先涂覆保护层E，再安装约束施加装置。在利用激光束施加装置F强化前或强化后，也可以施加外力抬起旋转组件，使出液管31远离过渡区61，便于观察待强化区域的状态。

在一些实施例中，连接耳板6上设置有耳孔62，夹紧件上设置有紧固孔112，夹紧螺栓不仅贯穿紧固孔112，还贯穿耳孔62，最后利用螺母锁紧，能够使得安装组件与凸起件之间更可靠的连接。在实际实施过程中，如果凸起件上未设置类似于耳孔的安装孔，则夹紧件任然夹在凸起件的两侧，但夹紧螺栓则不在穿过凸起件，而是在凸起件的外围，避让凸起件，此时，为了实现可靠夹紧，可设置多个夹紧螺栓。

在一些实施例中，所述旋转组件包括支撑板21和旋转块22，两块所述旋转块22一一对应的转动安装在夹紧件11上，且两块旋转块22的旋转轴线共线，所述支撑板21跨设在两块旋转块22上，且各所述出液管31设置在所述支撑板21上背离所述旋转块22的一侧。

在实际实施过程中，旋转块22和夹紧件之间通过销轴连接，可以采用两块旋转块22和两个夹紧件可以共用一根销轴的方式，也可以每块旋转与相应的夹紧件之间均单独由一根销轴转动连接。

在一些实施例中，所述支撑板21和每根所述出液管31之间设置有用于调整相应出液口312a位置的调节结构，使得水约束层施加前，可以通过该调节结构调整出液口312a的位置，保证水约束层的施加效果，且所述出液管31和所述支撑板21通过所述调节结构可拆卸连接，出液管31或者管道组件可以根据流量需求进行更换。

在一些实施例中，所述支撑板21上可拆卸的设置有用于定位所述出液管31的约束组件，每根所述出液管31对应一组所述约束组件，所述约束组件包括约束套4、锁紧螺栓5和锁紧螺母7，所述约束套4套设在相应的出液管31上，所述支撑板21上供锁紧螺栓5穿过的过孔211，所述约束衬套上配合设置有供锁紧螺栓5配合穿过的螺纹侧孔41，所述锁紧螺栓5依次贯穿所述锁紧螺母7、所述过孔211和所述螺纹侧孔41后顶紧在所述出液管31的外壁上，所述锁紧螺母7拧紧在所述支撑板21上背离约束套4的一侧。

在水约束层施加前，可以通过松动锁紧螺母7和锁紧螺栓5，沿约束套4的轴向调整出液管31的轴向位置，或再约束套4内转动出液管31，均能使出液口312a的位置随之调整，调整完成后，再通过锁紧螺栓5和锁紧螺母7再次锁紧。

在一些实施例中，所述出液管31包括直管段311和弯曲段312，所述出液口312a处于所述弯曲段312的末端，所述约束套4配合套置于所述直管段311外，所述过孔211为U型孔，所述U型孔的长边方向垂直于所述直管段311的延伸方向。由于该过孔211为U型孔，还可以通过改变锁紧螺栓5的在U型孔内的安装位置调整出液管31的横向(沿垂直于直管段311轴向的方向)位置，从而使得出液口312a的调整方向包括纵向(出液管31轴线)、横向及周向三个方向，能够在水约束层施加前更为精准将管道调整至合适位置。

图1、图3、图4、图5中，弯曲段312的形状为异型管装，在实际实施过程中，只要弯曲段312末端的出液口312a能够对着相应的子区域，且弯曲端能够避让其余零部件即可，图6至图9中，子区域A和子区域D对应的出液管31相互对称，子区域B和子区域C对应的出液管31相互对称。子区域A和子区域D对称且均位于连接耳片6两侧，子区域C和子区域D对称且均位于均位于连接耳片6的边缘对应的根部区域。

在一些实施例中，所述支撑板21上设置有多排过孔，单排过孔中，各过孔211沿过孔的长边方向排布，且单排过孔的数量等于出液管31的数量，当然，在实际实施过程中，单排过孔的数量也可以大于出液管31的数量。

在一些实施例中，所述支撑板21与所述旋转块22可拆卸连接。图1、图3中，支撑板21和旋转块22通过紧固螺栓23紧固为一体，这种连接方式，可以先将出液管31初步安装在支撑板21后，再进行支撑板21和旋转块22的连接，使得出液管31、支撑板21通过锁紧螺栓5、约束套4连接的操作空间更大、操作更方便。

在实际实施过程中，支撑板21和旋转块22也可以一体成型，支撑板21可以由其他形状的支撑件替换，但采用板状的支撑件，其自重更轻，占用的空间更小，更便于安装。

在一些实施例中，所述管道组件还包括依次连接的总进水软管32、管接头33和分支软管34，每根所述分支软管34对应连接一根所述出液管31。当出液管31在随旋转组件转动或通过调整结构进行位置调节时，由于与其依次连接的是分支软管34、管接头33和进水总软管，出液管31的活动位置不受管道组件的限制，出液口312a的位置能够顺畅的被调节。

在一些实施例中，夹紧件11的限位面111上开设有用于避让紧固螺栓23的避让槽113，使得支撑板21与限位面111实现面接触。

在一些实施例中，可以在每根分支软管34或每根出液管31上安装节流阀，根据强化工艺需要调节各水管水流大小以得到均匀、特定厚度的水约束层。

任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置，所述零部件上凸设有凸起件，所述凸起件为凸块或凸板，其特征在于，包括：

安装组件，所述安装组件用于将整个水约束层施加装置安装在所述凸起件上，所述安装件包括至少一对夹紧件及夹紧螺栓，所述夹紧螺栓贯穿两件所述夹紧件，两件所述夹紧件固定在所述凸起件的两侧；

管道组件，所述管道组件包括若干根出液管，待施加水约束层的区域划分为多处子区域，各所述出液管的出液口一一对应的用于向所述子区域施加水约束层；

旋转组件，各所述出液管均设置在所述旋转组件上，所述旋转组件可转动的设置在所述夹紧件上，所述旋转组件通过转动带动各所述出液管远离或靠近待施加水约束层的区域；

其中，所述安装组件上设置有用于限制所述旋转组件的极限转动位置的限位面，当所述旋转组件运动至所述限位面处时，各所述出液管的出液口朝向相应的子区域，当所述旋转组件在外力用下旋转离开所述限位面时，各所述出液管的出液口远离相应的子区域。

2.根据权利要求1所述的适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置，其特征在于：

所述凸起件上设置有耳孔，所述夹紧螺栓贯穿所述耳孔；

或

所述凸起件上未设置耳孔，所述夹紧螺栓处于所述凸起件外围。

3.根据权利要求1所述的适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置，其特征在于：所述旋转组件包括支撑板和旋转块，两块所述旋转块一一对应的转动安装在所述夹紧件上，且两块所述旋转块的旋转轴线共线，所述支撑板跨设在两块所述旋转块上，且各所述出液管设置在所述支撑板上背离所述旋转块的一侧。

4.根据权利要求3所述的适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置，其特征在于：所述支撑板和每根所述出液管之间设置有用于调整相应出液口位置的调节结构，且所述出液管和所述支撑板通过所述调节结构可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置，其特征在于：所述支撑板上可拆卸的设置有用于定位所述出液管的约束组件，每根所述出液管对应一组所述约束组件，所述约束组件包括约束套、锁紧螺栓和锁紧螺母，所述约束套套设在相应的出液管上，所述支撑板上供锁紧螺栓穿过的过孔，所述约束衬套上配合设置有供锁紧螺栓配合穿过的螺纹侧孔，所述锁紧螺栓依次贯穿所述锁紧螺母、所述过孔和所述螺纹侧孔后顶紧在所述出液管的外壁上，所述锁紧螺母拧紧在所述支撑板上背离约束套的一侧。

6.根据权利要求5所述的适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置，其特征在于：所述出液管包括直管段和弯曲段，所述出液口处于所述弯曲段的末端，所述约束套配合套置于所述直管段外，所述过孔为U型孔，所述U型孔的长边方向垂直于所述直管段的延伸方向。

7.根据权利要求6所述的适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置，其特征在于：所述支撑板上设置有多排过孔，单排过孔中，各过孔沿过孔的长边方向排布，且单排过孔的数量大于或等于出液管的数量。

8.根据权利要求3所述的适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置，其特征在于：所述支撑板与所述旋转块可拆卸连接。

9.根据权利要求1所述的适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加装置，其特征在于：所述管道组件还包括依次连接的总进水软管、管接头和分支软管，每根所述分支软管对应连接一根所述出液管。

10.一种适用于大型零部件的现场激光冲击水约束层施加方法，其特征在于，水约束层施加过程中，采用权利要求1-9项中任一项所述的水约束层施加装置，所述水约束层施加方法包括：

通过将两块夹紧件安装与凸起件的两侧，使水约束层施加装置安装在凸起件上，

旋转释放旋转组件，使旋转组件运动到在限位面处，各出液口对准相应子区域；

调整各出液管的出液口的位置，使出液口向相应的子区域喷射液体形成水流，各子区域上均形成合格厚度的水约束层。

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